A CRISPR/Cas9 system is used to dissect the role of allelic risk variants on the expression of the α-synuclein gene SNCA, which has been linked to Parkinson’s disease development. Determining how genetic risk variants associated with complex diseases actually contribute to the pathological features of the disease remains a challenge. Non-coding sequences variants have been proposed to act in cis to modulate the expression of disease-linked genes, but it is difficult to test this hypothesis because of the complexity of the diseases linked to these variants. Rudolf Jaenisch and colleagues have developed a genetically controlled system to dissect out the cis-acting effect of allelic variants on the expression of the α-synuclein gene SCNA, which has been linked to Parkinson's disease development. Genome-wide association studies (GWAS) have identified numerous genetic variants associated with complex diseases, but mechanistic insights are impeded by a lack of understanding of how specific risk variants functionally contribute to the underlying pathogenesis1. It has been proposed that cis-acting effects of non-coding risk variants on gene expression are a major factor for phenotypic variation of complex traits and disease susceptibility. Recent genome-scale epigenetic studies have highlighted the enrichment of GWAS-identified variants in regulatory DNA elements of disease-relevant cell types2,3,4,5,6. Furthermore, single nucleotide polymorphism (SNP)-specific changes in transcription factor binding are correlated with heritable alterations in chromatin state and considered a major mediator of sequence-dependent regulation of gene expression7,8,9,10. Here we describe a novel strategy to functionally dissect the cis-acting effect of genetic risk variants in regulatory elements on gene expression by combining genome-wide epigenetic information with clustered regularly-interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas9 genome editing in human pluripotent stem cells. By generating a genetically precisely controlled experimental system, we identify a common Parkinson’s disease associated risk variant in a non-coding distal enhancer element that regulates the expression of α-synuclein (SNCA), a key gene implicated in the pathogenesis of Parkinson’s disease. Our data suggest that the transcriptional deregulation of SNCA is associated with sequence-dependent binding of the brain-specific transcription factors EMX2 and NKX6-1. This work establishes an experimental paradigm to functionally connect genetic variation with disease-relevant phenotypes.

Tet enzymes (Tet1/2/3) convert 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) in various embryonic and adult tissues. Mice mutant for either Tet1 or Tet2 are viable, raising the question of whether these enzymes have overlapping roles in development. Here we have generated Tet1 and Tet2 double-knockout (DKO) embryonic stem cells (ESCs) and mice. DKO ESCs remained pluripotent but were depleted of 5hmC and caused developmental defects in chimeric embryos. While a fraction of double-mutant embryos exhibited midgestation abnormalities with perinatal lethality, viable and overtly normal Tet1/Tet2-deficient mice were also obtained. DKO mice had reduced 5hmC and increased 5mC levels and abnormal methylation at various imprinted loci. Nevertheless, animals of both sexes were fertile, with females having smaller ovaries and reduced fertility. Our data show that loss of both enzymes is compatible with development but promotes hypermethylation and compromises imprinting. The data also suggest a significant contribution of Tet3 to hydroxylation of 5mC during development.

Candida albicans is a pathogenic yeast that causes mucosal and systematic infections with high mortality. The absence of facile molecular genetics has been a major impediment to analysis of pathogenesis. The lack of meiosis coupled with the absence of plasmids makes genetic engineering cumbersome, especially for essential functions and gene families. We describe a C. albicans CRISPR system that overcomes many of the obstacles to genetic engineering in this organism. The high frequency with which CRISPR-induced mutations can be directed to target genes enables easy isolation of homozygous gene knockouts, even without selection. Moreover, the system permits the creation of strains with mutations in multiple genes, gene families, and genes that encode essential functions. This CRISPR system is also effective in a fresh clinical isolate of undetermined ploidy. Our method transforms the ability to manipulate the genome of Candida and provides a new window into the biology of this pathogen.

Highlights•Combined loss of all three Tet enzymes restricts normal differentiation of ESCs•Tet null ESCs contribute poorly to developing embryos and cannot support development•Tet loss causes promoter hypermethylation and deregulation of developmental genesSummaryTet enzymes (Tet1/2/3) convert 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) and are dynamically expressed during development. Whereas loss of individual Tet enzymes or combined deficiency of Tet1/2 allows for embryogenesis, the effect of complete loss of Tet activity and 5hmC marks in development is not established. We have generated Tet1/2/3 triple-knockout (TKO) mouse embryonic stem cells (ESCs) and examined their developmental potential. Combined deficiency of all three Tets depleted 5hmC and impaired ESC differentiation, as seen in poorly differentiated TKO embryoid bodies (EBs) and teratomas. Consistent with impaired differentiation, TKO ESCs contributed poorly to chimeric embryos, a defect rescued by Tet1 reexpression, and could not support embryonic development. Global gene-expression and methylome analyses of TKO EBs revealed promoter hypermethylation and deregulation of genes implicated in embryonic development and differentiation. These findings suggest a requirement for Tet- and 5hmC-mediated DNA demethylation in proper regulation of gene expression during ESC differentiation and development.

Prolonged detection of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) RNA and recurrence of PCR-positive tests have been widely reported in patients after recovery from COVID-19, but some of these patients do not appear to shed infectious virus. We investigated the possibility that SARS-CoV-2 RNAs can be reverse-transcribed and integrated into the DNA of human cells in culture and that transcription of the integrated sequences might account for some of the positive PCR tests seen in patients. In support of this hypothesis, we found that DNA copies of SARS-CoV-2 sequences can be integrated into the genome of infected human cells. We found target site duplications flanking the viral sequences and consensus LINE1 endonuclease recognition sequences at the integration sites, consistent with a LINE1 retrotransposon-mediated, target-primed reverse transcription and retroposition mechanism. We also found, in some patient-derived tissues, evidence suggesting that a large fraction of the viral sequences is transcribed from integrated DNA copies of viral sequences, generating viral-host chimeric transcripts. The integration and transcription of viral sequences may thus contribute to the detection of viral RNA by PCR in patients after infection and clinical recovery. Because we have detected only subgenomic sequences derived mainly from the 3' end of the viral genome integrated into the DNA of the host cell, infectious virus cannot be produced from the integrated subgenomic SARS-CoV-2 sequences.

Abstract Studies on the function of Methyl CpG binding protein 2 (MECP2) and the consequence of MECP2 deficiency and duplication have largely focused on neurons. The function of MECP2 in human glia, along with the comprehensive understanding of glial function in neurodevelopmental disorders, is much less understood. Using female and male human embryonic stem cell (hESC) lines to model MECP2 loss-of-function (LOF) in Rett Syndrome (RTT) in the developing brain, we investigated the molecular underpinnings of astrocyte (AST) development and dysfunction, and the mechanisms by which AST contribute to neuronal activity. Here we show that hESC-derived RTT ASTs have fewer mitochondria yet similar levels of reactive oxygen species compared to isogenic controls (CTR). We identified significantly diminished mitochondrial respiration that was compensated by increased glycolysis, and that the molecular mechanism behind mitochondrial dysfunction were reduced key proteins around the tricarboxylic acid (TCA) cycle and electron transport chain (ETC). We found an increased abundance of cytosolic amino acids in RTT ASTs under basal conditions that was readily depleted when energy demands were increased. We determined that RTT AST can donate their mitochondria to hESC-derived cortical neurons, and that isolated mitochondria from RTT ASTs are sufficient to cause significant changes to neuronal activity, increasing local field potentials to a hyperexcitable state. To examine mitochondrial health in the developing brain, we derived cerebral organoids. Ultrastructural analysis indicated that mitochondria from RTT hESC-derived organoids were significantly smaller compared to mitochondria from CTR organoids, indicating decreased connectivity and function, and this phenotype was stronger in glia compared to neurons. Using a multiomics epigenetics approach, we found hallmarks of RTT developmental delay and glial specific gene expression changes that corroborate altered energy metabolism and mitochondrial dysfunction. Based on these results, we propose that release of dysfunctional mitochondria from RTT ASTs to neurons furthers pathophysiology of the syndrome.

SARS-CoV-2 sequences can be reverse-transcribed and integrated into the genomes of virus-infected cells by a LINE1-mediated retrotransposition mechanism. Whole genome sequencing (WGS) methods detected retrotransposed SARS-CoV-2 subgenomic sequences in virus-infected cells overexpressing LINE1, while an enrichment method (TagMap) identified retrotranspositions in cells that did not overexpress LINE1. LINE1 overexpression increased retrotranspositions about 1,000-fold as compared to non-overexpressing cells. Nanopore WGS can directly recover retrotransposed viral and flanking host sequences but its sensitivity depends on the depth of sequencing (a typical 20-fold sequencing depth would only examine 10 diploid cell equivalents). In contrast, TagMap enriches for the host-virus junctions and can interrogate up to 20,000 cells and is able to detect rare viral retrotranspositions in LINE1 non-overexpressing cells. Although Nanopore WGS is 10 - 20-fold more sensitive per tested cell, TagMap can interrogate 1,000 - 2,000-fold more cells and therefore can identify infrequent retrotranspositions. When comparing SARS-CoV-2 infection and viral nucleocapsid mRNA transfection by TagMap, retrotransposed SARS-CoV-2 sequences were only detected in infected but not in transfected cells. Retrotransposition in virus-infected in contrast to transfected cells may be facilitated because virus infection in contrast to viral RNA transfection results in significantly higher viral RNA levels and stimulates LINE1-expression which causes cellular stress.