Mammalian genetic approaches to study gene function have been hampered by the lack of tools to generate stable loss-of-function phenotypes efficiently. We report here a new vector system, named pSUPER, which directs the synthesis of small interfering RNAs (siRNAs) in mammalian cells. We show that siRNA expression mediated by this vector causes efficient and specific down-regulation of gene expression, resulting in functional inactivation of the targeted genes. Stable expression of siRNAs using this vector mediates persistent suppression of gene expression, allowing the analysis of loss-of-function phenotypes that develop over longer periods of time. Therefore, the pSUPER vector constitutes a new and powerful system to analyze gene function in a variety of mammalian cell types.

The extraordinary virulence of the Ebola and Marburg filoviruses has spurred intensive research into the molecular mechanisms by which they multiply and cause disease. Carette et al. use a genome-wide genetic screen in human cells to identify factors required for entry of Ebola virus. The screen uncovered 67 mutations disrupting all six members of the homotypic fusion and vacuole protein-sorting (HOPS) multisubunit tethering complex, which is involved in the fusion of endosomes to lysosomes, and 39 independent mutations that disrupt the endo/lysosomal cholesterol transporter protein Niemann–Pick C1 (NPC1). Côté et al. report the identification of a novel benzylpiperazine adamantane diamide-derived compound that inhibits EboV infection in cell culture, with NPC1 being the target. The unexpected role for the hereditary disease gene NPC1 in Ebola virus infection may facilitate the development of antifilovirus therapeutics. Infections by the Ebola and Marburg filoviruses cause a rapidly fatal haemorrhagic fever in humans for which no approved antivirals are available1. Filovirus entry is mediated by the viral spike glycoprotein (GP), which attaches viral particles to the cell surface, delivers them to endosomes and catalyses fusion between viral and endosomal membranes2. Additional host factors in the endosomal compartment are probably required for viral membrane fusion; however, despite considerable efforts, these critical host factors have defied molecular identification3,4,5. Here we describe a genome-wide haploid genetic screen in human cells to identify host factors required for Ebola virus entry. Our screen uncovered 67 mutations disrupting all six members of the homotypic fusion and vacuole protein-sorting (HOPS) multisubunit tethering complex, which is involved in the fusion of endosomes to lysosomes6, and 39 independent mutations that disrupt the endo/lysosomal cholesterol transporter protein Niemann–Pick C1 (NPC1)7. Cells defective for the HOPS complex or NPC1 function, including primary fibroblasts derived from human Niemann–Pick type C1 disease patients, are resistant to infection by Ebola virus and Marburg virus, but remain fully susceptible to a suite of unrelated viruses. We show that membrane fusion mediated by filovirus glycoproteins and viral escape from the vesicular compartment require the NPC1 protein, independent of its known function in cholesterol transport. Our findings uncover unique features of the entry pathway used by filoviruses and indicate potential antiviral strategies to combat these deadly agents.

Most human tumors harbor multiple genetic alterations, including dominant mutant oncogenes. It is often not clear which of these oncogenes are continuously required and which, when inactivated, may inhibit tumorigenesis. Recently, we developed a vector that mediates suppression of gene expression through RNA interference. Here, we use a retroviral version of this vector to specifically and stably inhibit expression of only the oncogenic K-RASV12 allele in human tumor cells. Loss of expression of K-RASV12 leads to loss of anchorage-independent growth and tumorigenicity. These results indicate that viral delivery of small interfering RNAs can be used for tumor-specific gene therapy to reverse the oncogenic phenotype of cancer cells.

The mechanisms that regulate mammalian organ size are poorly understood. It is unclear whether the pathways that control organ size also impinge on stem/progenitor cells. A highly expressed gene in stem cells is YAP1 [1Ramalho-Santos M. Yoon S. Matsuzaki Y. Mulligan R.C. Melton D.A. “Stemness”: transcriptional profiling of embryonic and adult stem cells.Science. 2002; 298: 597-600Crossref PubMed Scopus (1388) Google Scholar], the ortholog of Drosophila Yorkie, a downstream component of the Hippo pathway [2Huang J. Wu S. Barrera J. Matthews K. Pan D. The Hippo signaling pathway coordinately regulates cell proliferation and apoptosis by inactivating Yorkie, the Drosophila homolog of YAP.Cell. 2005; 122: 421-434Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1179) Google Scholar]. Mutations in components of this pathway produce tissue overgrowth phenotypes in the fly whereas mammalian orthologs, like salvador [3Tapon N. Harvey K.F. Bell D.W. Wahrer D.C. Schiripo T.A. Haber D.A. Hariharan I.K. salvador promotes both cell cycle exit and apoptosis in Drosophila and is mutated in human cancer cell lines.Cell. 2002; 110: 467-478Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (620) Google Scholar], merlin [4McClatchey A.I. Giovannini M. Membrane organization and tumorigenesis—the NF2 tumor suppressor Merlin.Genes Dev. 2005; 19: 2265-2277Crossref PubMed Scopus (198) Google Scholar], LATS [5St John M.A. Tao W. Fei X. Fukumoto R. Carcangiu M.L. Brownstein D.G. Parlow A.F. McGrath J. Xu T. Mice deficient of Lats1 develop soft-tissue sarcomas, ovarian tumours and pituitary dysfunction.Nat. Genet. 1999; 21: 182-186Crossref PubMed Scopus (349) Google Scholar], and YAP1 [6Overholtzer M. Zhang J. Smolen G.A. Muir B. Li W. Sgroi D.C. Deng C.X. Brugge J.S. Haber D.A. Transforming properties of YAP, a candidate oncogene on the chromosome 11q22 amplicon.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006; 103: 12405-12410Crossref PubMed Scopus (681) Google Scholar, 7Zender L. Spector M.S. Xue W. Flemming P. Cordon-Cardo C. Silke J. Fan S.T. Luk J.M. Wigler M. Hannon G.J. et al.Identification and validation of oncogenes in liver cancer using an integrative oncogenomic approach.Cell. 2006; 125: 1253-1267Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (851) Google Scholar], have been implicated in tumorigenesis. We report here that YAP1 increases organ size and causes aberrant tissue expansion in mice. YAP1 activation reversibly increases liver size more than 4-fold. In the intestine, expression of endogenous YAP1 is restricted to the progenitor/stem cell compartment, and activation of YAP1 expands multipotent undifferentiated progenitor cells, which differentiate upon cessation of YAP1 expression. YAP1 stimulates Notch signaling, and administration of γ-secretase inhibitors suppressed the intestinal dysplasia caused by YAP1. Human colorectal cancers expressing higher levels of YAP1 share molecular aspects with YAP1-induced dysplastic growth in the mouse. Our data show that the Hippo signaling pathway regulates organ size in mammals and can act on stem cell compartments, indicating a potential link between stem/progenitor cells, organ size, and cancer.

RNA interference (RNAi) is a powerful new tool with which to perform loss-of-function genetic screens in lower organisms and can greatly facilitate the identification of components of cellular signalling pathways. In mammalian cells, such screens have been hampered by a lack of suitable tools that can be used on a large scale. We and others have recently developed expression vectors to direct the synthesis of short hairpin RNAs (shRNAs) that act as short interfering RNA (siRNA)-like molecules to stably suppress gene expression. Here we report the construction of a set of retroviral vectors encoding 23,742 distinct shRNAs, which target 7,914 different human genes for suppression. We use this RNAi library in human cells to identify one known and five new modulators of p53-dependent proliferation arrest. Suppression of these genes confers resistance to both p53-dependent and p19ARF-dependent proliferation arrest, and abolishes a DNA-damage-induced G1 cell-cycle arrest. Furthermore, we describe siRNA bar-code screens to rapidly identify individual siRNA vectors associated with a specific phenotype. These new tools will greatly facilitate large-scale loss-of-function genetic screens in mammalian cells.

During development and regeneration, proliferation of tissue-specific stem cells is tightly controlled to produce organs of a predetermined size. The molecular determinants of this process remain poorly understood. Here, we investigate the function of Yap1, the transcriptional effector of the Hippo signaling pathway, in skin biology. Using gain- and loss-of-function studies, we show that Yap1 is a critical modulator of epidermal stem cell proliferation and tissue expansion. Yap1 mediates this effect through interaction with TEAD transcription factors. Additionally, our studies reveal that α-catenin, a molecule previously implicated in tumor suppression and cell density sensing in the skin, is an upstream negative regulator of Yap1. α-catenin controls Yap1 activity and phosphorylation by modulating its interaction with 14-3-3 and the PP2A phosphatase. Together, these data identify Yap1 as a determinant of the proliferative capacity of epidermal stem cells and as an important effector of a “crowd control” molecular circuitry in mammalian skin.

Protein modification by the conjugation of ubiquitin moieties—ubiquitination—plays a major part in many biological processes, including cell cycle and apoptosis1. The enzymes that mediate ubiquitin-conjugation have been well-studied, but much less is known about the ubiquitin-specific proteases that mediate de-ubiquitination of cellular substrates2,3. To study this gene family, we designed a collection of RNA interference vectors to suppress 50 human de-ubiquitinating enzymes, and used these vectors to identify de-ubiquitinating enzymes in cancer-relevant pathways. We report here that inhibition of one of these enzymes, the familial cylindromatosis tumour suppressor gene (CYLD)4, having no known function, enhances activation of the transcription factor NF-κB. We show that CYLD binds to the NEMO (also known as IKKγ) component of the IκB kinase (IKK) complex, and appears to regulate its activity through de-ubiquitination of TRAF2, as TRAF2 ubiquitination can be modulated by CYLD. Inhibition of CYLD increases resistance to apoptosis, suggesting a mechanism through which loss of CYLD contributes to oncogenesis. We show that this effect can be relieved by aspirin derivatives that inhibit NF-κB activity5, which suggests a therapeutic intervention strategy to restore growth control in patients suffering from familial cylindromatosis.

Zeroing in on essential human genes More powerful genetic techniques are helping to define the list of genes required for the life of a human cell. Two papers used the CRISPR genome editing system and a gene trap method in haploid human cells to screen for essential genes (see the Perspective by Boone and Andrews). Wang et al. 's analysis of multiple cell lines indicates that it may be possible to find tumor-specific dependencies on particular genes. Blomen et al. investigate the phenomenon in which nonessential genes are required for fitness in the absence of another gene. Hence, complexity rather than robustness is the human strategy. Science , this issue p. 1096 and p. 1092 ; see also p. 1028

The spatial organization of chromosomes influences many nuclear processes including gene expression. The cohesin complex shapes the 3D genome by looping together CTCF sites along chromosomes. We show here that chromatin loop size can be increased and that the duration with which cohesin embraces DNA determines the degree to which loops are enlarged. Cohesin’s DNA release factor WAPL restricts this loop extension and also prevents looping between incorrectly oriented CTCF sites. We reveal that the SCC2/SCC4 complex promotes the extension of chromatin loops and the formation of topologically associated domains (TADs). Our data support the model that cohesin structures chromosomes through the processive enlargement of loops and that TADs reflect polyclonal collections of loops in the making. Finally, we find that whereas cohesin promotes chromosomal looping, it rather limits nuclear compartmentalization. We conclude that the balanced activity of SCC2/SCC4 and WAPL enables cohesin to correctly structure chromosomes.