Abstract CRISPR/Cas9 based functional screening coupled with single-cell RNA-seq (“single-cell CRISPR screening”) unravels gene regulatory networks and enhancer-gene regulations in a large scale. We propose scMAGeCK, a computational framework to systematically identify genes and non-coding elements associated with multiple expression-based phenotypes in single-cell CRISPR screening. scMAGeCK identified genes and enhancers that modulate the expression of a known proliferation marker, MKI67 (Ki-67), a result that resembles the outcome of proliferation-linked CRISPR screening. We further performed single-cell CRISPR screening on mouse embryonic stem cells (mESC), and identified key genes associated with different pluripotency states. scMAGeCK enabled an unbiased construction of genotype-phenotype network, where multiple phenotypes can be regulated by different gene perturbations. Finally, we studied key factors that improve the statistical power of single-cell CRISPR screens, including target gene expression and the number of guide RNAs (gRNAs) per cell. Collectively, scMAGeCK is a novel and effective computational tool to study genotype-phenotype relationships at a single-cell level.

Abstract The pro-inflammatory state of macrophages is crucial in conferring its role in combating tumor cells. That state is closely associated with metabolic reprogramming. Here we identified key metabolic genes regulating macrophage pro-inflammatory activation in a pooled metabolic gene knockout CRISPR screen. We found that KEAP1 a nd ACOD1 are strong regulators of the pro-inflammatory state, and therefore developed human ACOD1 knockout macrophages with our induced pluripotent stem cell-derived CAR-macrophage (CAR-iMAC) platform. The engineered iMACs showed stronger and more persistent polarization toward the pro-inflammatory state, more ROS production, and more potent phagocytosis and cytotoxic functions against cancer cells in vitro . Upon transplantation to ovarian or pancreatic cancer mouse models, ACOD1 depleted CAR-iMACs exhibited enhanced capacity in repressing tumors in vivo and prolonged the lifespan of mice. In addition, combining ACOD1- depleted CAR-iMACs with immune check point inhibitors (ICIs), such as the anti-CD47 antibody or anti-PD1 antibody resulted in stronger tumor suppressing effect. Mechanistically, the depletion of ACOD1 reduced the immunometabolite itaconate, allowing KEAP1 to prevent NRF2 from entering the nucleus to activate the anti-inflammatory program. This study demonstrates that ACOD1 is a new myeloid target for cancer immunotherapy and metabolically engineered human iPSC-derived CAR-iMACs exhibit enhanced polarization and anti-tumor functions in adoptive cell transfer therapies.

The Chimera antigen receptor (CAR)-T cell therapy has gained great success in the clinic. However, there are still major challenges for its wider applications in a variety of cancer types including lack of effectiveness due to the highly complex tumor microenvironment, and the forbiddingly high cost due to personalized manufacturing procedures. In order to overcome these hurdles, numerous efforts have been spent focusing on optimizing Chimera Antigen Receptors, engineering and improving T cell capacity, exploiting features of subsets of T cell or NK cells, or making off-the-shelf universal T cells. Here, we developed induced pluripotent stem cells (iPSCs)-derived, CAR-expressing macrophage cells (CAR-iMac). These cells showed antigen-dependent macrophage functions such as expression and secretion of cytokines, polarization toward the pro-inflammatory/anti-tumor state, and phagocytosis of tumor cells, as well as some in vivo anti-cancer cell activity for both liquid and solid tumors. This technology platform for the first time provides an unlimited source of iPSC-derived engineered CAR-macrophage cells which could be utilized to eliminate cancer cells or modulate the tumor microenvironment in liquid and solid tumor immunotherapy.

Abstract The exploration of single-cell 3D genome maps reveals that chromatin domains are indeed physical structures presenting in single cells and domain boundaries vary from cell to cell. However, exhaustive analysis of regulatory factor binding or elements for preference of the formation of chromatin domains in single cells has not yet emerged. To this end, we first develop a hi erarchical c hromatin domain s tructure identification algorithm (named as HiCS ) from individual single-cell Hi-C maps, with superior performance in both accuracy and efficiency. The results suggest that in addition to the known CTCF-cohesin complex, Polycomb, TrxG, pluripotent protein families and other multiple factors also contribute to shaping chromatin domain boundaries in single embryonic stem cells. Different cooperation patterns of regulatory factors decipher the preference of genomic position categories forming boundaries. And the most extensive six types of retrotransposons differentially distributed in these genomic position categories with preferential localization.

Abstract Nucleolus is the organelle for ribosome biogenesis and for sensing various types of stress. Its role in regulating stem cell fate is unclear. Here, we present multiple lines of evidence that nucleolar stress induced by interfering rRNA biogenesis can drive 2-cell stage embryo-like (2C-like) transcriptional program and induce an expanded 2C-like cell population in mouse embryonic stem (mES) cells. Mechanistically, the nucleolar integrity mediated by rRNA biogenesis maintains the normal liquid-liquid phase separation (LLPS) of nucleolus and the formation of peri-nucleolar heterochromatin (PNH). Upon rRNA biogenesis defect, the natural LLPS of nucleolus is disrupted, causing dissociation of NCL/TRIM28 complex from PNH and changes of epigenetic states and reorganization of the 3D structure of PNH, which leads to Dux , a 2C program transcription factor gene, to be released from the PNH region and activation of 2C-like program. Correspondingly, embryos with rRNA biogenesis defect are incompatible to develop from 2-cell (2C) to 4-cell embryos, with delayed repression of 2C/ERV genes and a transcriptome skewed toward earlier cleavage embryo signatures. Our results highlight that rRNA-mediated nucleolar integrity and 3D structure reshaping of PNH compartment regulates the fate transition of mES cells to 2C-like cells, and that rRNA biogenesis is a critical regulator during the 2-cell-to-4-cell transition of murine pre-implantation embryo development.