Recent development of CRISPR-Cas9 genome editing has enabled highly efficient and versatile manipulation of a variety of organisms and adaptation of the CRISPR-Cas9 system to eukaryotic pathogens has opened new avenues for studying these otherwise hard to manipulate organisms. Here we describe a webtool, Eukaryotic Pathogen gRNA Design Tool (EuPaGDT; available at http://grna.ctegd.uga.edu), which identifies guide RNA (gRNA) in input gene(s) to guide users in arriving at well-informed and appropriate gRNA design for many eukaryotic pathogens. Flexibility in gRNA design, accommodating unique eukaryotic pathogen (gene and genome) attributes and high-throughput gRNA design are the main features that distinguish EuPaGDT from other gRNA design tools. In addition to employing an array of known principles to score and rank gRNAs, EuPaGDT implements an effective on-target search algorithm to identify gRNA targeting multi-gene families, which are highly represented in these pathogens and play important roles in host-pathogen interactions. EuPaGDT also identifies and scores microhomology sequences flanking each gRNA targeted cut-site; these sites are often essential for the microhomology-mediated end joining process used for double-stranded break repair in these organisms. EuPaGDT also assists users in designing single-stranded oligonucleotides for homology directed repair. In batch processing mode, EuPaGDT is able to process genome-scale sequences, enabling preparation of gRNA libraries for large-scale screening projects.

Trypanosoma cruzi is a protozoan parasite of humans and animals, affecting 10 to 20 million people and innumerable animals, primarily in the Americas. Despite being the largest cause of infection-induced heart disease worldwide, even among the neglected tropical diseases (NTDs) T. cruzi is considered one of the least well understood and understudied. The genetic complexity of T. cruzi as well as the limited set of efficient techniques for genome engineering contribute significantly to the relative lack of progress in and understanding of this pathogen. Here, we adapted the CRISPR-Cas9 system for the genetic engineering of T. cruzi, demonstrating rapid and efficient knockout of multiple endogenous genes, including essential genes. We observed that in the absence of a template, repair of the Cas9-induced double-stranded breaks (DSBs) in T. cruzi occurs exclusively by microhomology-mediated end joining (MMEJ) with various-sized deletions. When a template for DNA repair is provided, DSB repair by homologous recombination is achieved at an efficiency several orders of magnitude higher than that in the absence of CRISPR-Cas9-induced DSBs. We also demonstrate the high multiplexing capacity of CRISPR-Cas9 in T. cruzi by knocking down expression of an enzyme gene family consisting of 65 members, resulting in a significant reduction of enzymatic product with no apparent off-target mutations. Lastly, we show that Cas9 can mediate disruption of its own coding sequence, rescuing a growth defect in stable Cas9-expressing parasites. These results establish a powerful new tool for the analysis of gene functions in T. cruzi, enabling the study of essential genes and their functions and analysis of the many large families of related genes that occupy a substantial portion of the T. cruzi genome.Trypanosoma cruzi, the causative agent of human Chagas disease, is the leading worldwide cause of infectious myocarditis. Diagnostics for the infection are relatively poor, treatment options are limited and of variable effectiveness, and suitable vaccines are nonexistent. The T. cruzi genome is replete with genes of unknown function and greatly expanded gene families with hundreds of members. The absence of facile genetic engineering tools, including RNA interference, for T. cruzi has prevented elucidation of gene and gene family function and the development of better infection prevention and control measures. In this study, we demonstrate that the CRISPR-Cas9 system is a versatile and powerful tool for genome manipulations in T. cruzi, bringing new opportunities for unraveling the functions of previously uncharacterized genes and how this human pathogen engages its large families of genes encoding surface proteins to interact with human and animal hosts.

Insects, unlike vertebrates, are widely believed to lack male-biased sex steroid hormones1. In the malaria mosquito Anopheles gambiae, the ecdysteroid 20-hydroxyecdysone (20E) appears to have evolved to both control egg development when synthesized by females2 and to induce mating refractoriness when sexually transferred by males3. Because egg development and mating are essential reproductive traits, understanding how Anopheles females integrate these hormonal signals can spur the design of new malaria control programs. Here we reveal that these reproductive functions are regulated by distinct sex steroids through a sophisticated network of ecdysteroid-activating/inactivating enzymes. We identify a male-specific oxidized ecdysteroid, 3-dehydro-20E (3D20E), which safeguards paternity by turning off female sexual receptivity following its sexual transfer and activation by dephosphorylation. Notably, 3D20E transfer also induces expression of a reproductive gene that preserves egg development during Plasmodium infection, ensuring fitness of infected females. Female-derived 20E does not trigger sexual refractoriness but instead licenses oviposition in mated individuals once a 20E-inhibiting kinase is repressed. Identifying this male-specific insect steroid hormone and its roles in regulating female sexual receptivity, fertility and interactions with Plasmodium parasites suggests the possibility for reducing the reproductive success of malaria-transmitting mosquitoes.

ABSTRACT Motivation MaGplotR analyzes multiple CRISPR screen datasets, identifies common hits, couples the hits to enrichment analysis and cluster plots, and produces publication-level plots. Output plots give information on the quality control of the screen data (e.g., sgRNA distribution) and show the best hits by aggregation from multiple screen experiments. To maximize comparability, rank is used to identify common hits. MaGplotR can also be used to analyze experiments where a control condition is used for multiple treatment conditions. MaGplotR is easy to use, with even just one argument. Availability and implementation MaGplotR is open-source code under MIT license. It is available at https://github.com/alematia/MaGplotR . Contact alejandro.matia@inia.csic.es

Abstract The protozoan Trypanosoma cruzi almost invariably establishes life-long infections in humans and other mammals, despite the development of potent host immune responses that constrain parasite numbers. The consistent, decades-long persistence of T. cruzi in human hosts arises at least in part from the remarkable level of genetic diversity in multiple families of genes encoding the primary target antigens of anti-parasite immune responses. However, the highly repetitive nature of the genome – largely a result of these same extensive families of genes – have prevented a full understanding of the extent of gene diversity and its maintenance in T. cruzi . In this study, we have combined long-read sequencing and proximity ligation mapping to generate very high-quality assemblies of two T. cruzi strains representing the apparent ancestral lineages of the species. These assemblies reveal not only the full repertoire of gene family members in the two strains, demonstrating extreme diversity within and between isolates, but also provide evidence of the processes that generate and maintain that diversity, including extensive gene amplification, dispersion of copies throughout the genome and diversification via recombination and in situ mutations. These processes also impact genes not required for or involved in immune evasion, creating unique challenges with respect to preserving core genome function while maximizing genetic diversity.

Abstract CRISPR/Cas-mediated knock-in of DNA sequences enables precise genome engineering for research and therapeutic applications. However, designing effective guide RNAs (gRNAs) and homology-directed repair (HDR) donors remains a bottleneck. Here, we present protoSpaceJAM, an open-source algorithm to automate and optimize gRNA and HDR donor design for CRISPR/Cas insertional knock-in experiments, currently supporting SpCas9, SpCas9-VQR and enAsCas12a Cas enzymes. protoSpaceJAM utilizes biological rules to rank gRNAs based on specificity, distance to insertion site, and position relative to regulatory regions. protoSpaceJAM can introduce ‘recoding’ mutations (silent mutations and mutations in non-coding sequences) in HDR donors to prevent re-cutting and increase knock-in efficiency. Users can customize parameters and design double-stranded or single-stranded donors. We validated protoSpaceJAM’s design rules by demonstrating increased knock-in efficiency with recoding mutations and optimal strand selection for single-stranded donors. An additional module enables the design of genotyping primers for deep sequencing of edited alleles. Overall, protoSpaceJAM streamlines and optimizes CRISPR knock-in experimental design in a flexible and modular manner to benefit diverse research and therapeutic applications. protoSpaceJAM is available open-source as an interactive web tool at protospacejam.czbiohub.org or as a standalone Python package at github.com/czbiohub-sf/protoSpaceJAM.

Defining the subcellular distribution of all human proteins and its remodeling across cellular states remains a central goal in cell biology. Here, we present a high-resolution strategy to map subcellular organization using organelle immuno-capture coupled to mass spectrometry. We apply this proteomics workflow to a cell-wide collection of membranous and membrane-less compartments. A graph-based representation of our data reveals the subcellular localization of over 7,600 proteins, defines spatial protein networks, and uncovers interconnections between cellular compartments. We demonstrate that our approach can be deployed to comprehensively profile proteome remodeling during cellular perturbation. By characterizing the cellular landscape following hCoV-OC43 viral infection, we discover that many proteins are regulated by changes in their spatial distribution rather than by changes in their total abundance. Our results establish that proteome-wide analysis of subcellular remodeling provides essential insights for the elucidation of cellular responses. Our dataset can be explored at organelles.czbiohub.org.

ABSTRACT CRISPR/Cas9-mediated knock-in of DNA sequences enables precise genome engineering for research and therapeutic applications. However, designing effective guide RNAs (gRNAs) and homology-directed repair (HDR) donors remains a bottleneck. Here, we present protoSpaceJAM, an open-source algorithm to automate and optimize gRNA and HDR donor design for CRISPR/Cas9 insertional knock-in experiments. protoSpaceJAM utilizes biological rules to rank gRNAs based on specificity, distance to insertion site, and position relative to regulatory regions. protoSpaceJAM can introduce recoding mutations (silent mutations and mutations in non-coding sequences) in HDR donors to prevent re-cutting and increase knock-in efficiency. Users can customize parameters and design double-stranded or single-stranded donors. We validated protoSpaceJAM’s design rules by demonstrating increased knock-in efficiency with recoding mutations and optimal strand selection for single-stranded donors. An additional module enables the design of genotyping primers for next-generation sequencing of edited alleles. Overall, protoSpaceJAM streamlines and optimizes CRISPR knock-in experimental design in a flexible and modular manner to benefit diverse research and therapeutic applications. protoSpaceJAM is available open-source as an interactive web tool at protospacejam.czbiohub.org or as a standalone Python package at github.com/czbiohub-sf/protoSpaceJAM .