Site-specific genetic and epigenetic targeting of distinct cell populations is a central goal in molecular neuroscience and is crucial to understand the gene regulatory mechanisms that underlie complex phenotypes and behaviors. While recent technological advances have enabled unprecedented control over gene expression, many of these approaches are focused on selected model organisms and/or require labor-intensive customizations for different applications. The simplicity and modularity of CRISPR-based systems have transformed this aspect of genome editing, providing a variety of possible applications and targets. However, there are currently few available tools for cell-selective CRISPR regulation in neurons. Here, we designed, validated, and optimized CRISPR activation (CRISPRa) and CRISPR interference (CRISPRi) systems for Cre recombinase-dependent gene regulation. Unexpectedly, CRISPRa systems based on a traditional double-floxed inverted open reading frame (DIO) strategy exhibited leaky target gene induction in the absence of Cre. Therefore, we developed an intron-containing Cre-dependent CRISPRa system (SVI-DIO-dCas9-VPR) that alleviated leaky gene induction and outperformed the traditional DIO system at endogenous genes in both HEK293T cells and rat primary neuron cultures. Using gene-specific CRISPR sgRNAs, we demonstrate that SVI-DIO-dCas9-VPR can activate highly inducible genes ( GRM2, Tent5b , and Fos ) as well as moderately inducible genes ( Sstr2 and Gadd45b ) in a Cre-specific manner. Furthermore, to illustrate the versatility of this tool, we created a parallel CRISPRi construct that successfully inhibited expression from of a luciferase reporter in HEK293T cells only in the presence of Cre. These results provide a robust framework for Cre-dependent CRISPR-dCas9 approaches across different model systems, and will enable cell-specific targeting when combined with common Cre driver lines or Cre delivery via viral vectors.

Genomic enhancer elements regulate gene expression programs important for neuronal fate and function and are implicated in brain disease states. Enhancers undergo bidirectional transcription to generate non-coding enhancer RNAs (eRNAs). However, eRNA function remains controversial. Here, we combined ATAC-Seq and RNA-Seq datasets from three distinct neuronal culture systems in two activity states, enabling genome-wide enhancer identification and prediction of putative enhancer-gene pairs based on correlation of transcriptional output. Notably, stimulus-dependent enhancer transcription preceded mRNA induction, and CRISPR- based activation of eRNA synthesis increased mRNA at paired genes, functionally validating enhancer-gene predictions. Focusing on enhancers surrounding the Fos gene, we report that targeted eRNA manipulation bidirectionally modulates Fos mRNA, and that Fos eRNAs directly interact with the histone acetyltransferase domain of the enhancer-linked transcriptional co-activator CBP. Together, these results highlight the unique role of eRNAs in neuronal gene regulation and demonstrate that eRNAs can be used to identify putative target genes.

The expression of genetic material governs brain development, differentiation, and function, and targeted manipulation of gene expression is required to understand contributions of gene function to health and disease states. Although recent improvements in CRISPR/dCas9 interference (CRISPRi) technology have enabled targeted transcriptional repression at selected genomic sites, integrating these techniques for use in non-dividing neuronal systems remains challenging. Previously, we optimized a dual lentivirus expression system to express CRISPR-based activation machinery in post-mitotic neurons. Here we used a similar strategy to adapt an improved dCas9-KRAB-MeCP2 repression system for robust transcriptional inhibition in neurons. We find that lentiviral delivery of a dCas9-KRAB-MeCP2 construct driven by the neuron-selective promoter human synapsin 1 enabled transgene expression in primary rat neurons. Next, we demonstrate transcriptional repression using CRISPR sgRNAs targeting diverse gene promoters, and show superiority of this system in neurons compared to existing RNA interference methods for robust transcript specific manipulation at the complex Brain-derived neurotrophic factor ( Bdnf ) gene. Our findings advance this improved CRISPRi technology for use in neuronal systems for the first time, potentially enabling improved ability to manipulate gene expression states in the nervous system.

Recent developments in CRISPR-based gene editing have provided new avenues to interrogate gene function. However, application of these tools in the central nervous system has been delayed due to difficulties in transgene expression in post-mitotic neurons. Here, we present a highly efficient, neuron-optimized dual lentiviral CRISPR-based transcriptional activation (CRISPRa) system to drive gene expression in primary neuronal cultures and the adult brain of rodent model systems. We demonstrate robust, modular, and tunable induction of endogenous target genes as well as multiplexed gene regulation necessary for investigation of complex transcriptional programs. CRISPRa targeting unique promoters in the complex multi-transcript gene Brain-derived neurotrophic factor (Bdnf) revealed both transcript- and genome-level selectivity of this approach, in addition to highlighting downstream transcriptional and physiological consequences of Bdnf regulation. Finally, we illustrate that CRISPRa is highly efficient in vivo, resulting in increased protein levels of a target gene in diverse brain structures. Taken together, these results demonstrate that CRISPRa is an efficient and selective method to study gene expression programs in brain health and disease.