Short hairpin RNA (shRNA) technology enables stable and regulated gene repression. For establishing experimentally versatile RNAi tools and minimizing toxicities, synthetic shRNAs can be embedded into endogenous microRNA contexts. However, due to our incomplete understanding of microRNA biogenesis, such “shRNAmirs” often fail to trigger potent knockdown, especially when expressed from a single genomic copy. Following recent advances in design of synthetic shRNAmir stems, here we take a systematic approach to optimize the experimental miR-30 backbone. Among several favorable features, we identify a conserved element 3′ of the basal stem as critically required for optimal shRNAmir processing and implement it in an optimized backbone termed “miR-E”, which strongly increases mature shRNA levels and knockdown efficacy. Existing miR-30 reagents can be easily converted to miR-E, and its combination with up-to-date design rules establishes a validated and accessible platform for generating effective single-copy shRNA libraries that will facilitate the functional annotation of the genome.

Cas12a (Cpf1) is a CRISPR-associated nuclease with broad utility for synthetic genome engineering, agricultural genomics, and biomedical applications. Although bacteria harboring CRISPR-Cas9 or CRISPR-Cas3 adaptive immune systems sometimes acquire mobile genetic elements encoding anti-CRISPR proteins that inhibit Cas9, Cas3, or the DNA-binding Cascade complex, no such inhibitors have been found for CRISPR-Cas12a. Here we use a comprehensive bioinformatic and experimental screening approach to identify three different inhibitors that block or diminish CRISPR-Cas12a-mediated genome editing in human cells. We also find a widespread connection between CRISPR self-targeting and inhibitor prevalence in prokaryotic genomes, suggesting a straightforward path to the discovery of many more anti-CRISPRs from the microbial world.

Abstract Proteins evolve through the modular rearrangement of elements known as domains. It is hypothesized that extant, multidomain proteins are the result of domain accretion, but there has been limited experimental validation of this idea. Here, we introduce a technique for genetic m inimization by i terative s ize- e xclusion and r ecombination (MISER) that comprehensively assays all possible deletions of a protein. Using MISER, we generated a deletion landscape for the CRISPR protein Cas9. We found that Cas9 can tolerate large single deletions to the REC2, REC3, HNH, and RuvC domains, while still functioning in vitro and in vivo , and that these deletions can be stacked together to engineer minimal, DNA-binding effector proteins. In total, our results demonstrate that extant proteins retain significant modularity from the accretion process and, as genetic size is a major limitation for viral delivery systems, establish a general technique to improve genome editing and gene therapy-based therapeutics.

Abstract The CRISPR-Cas9 system provides the ability to edit, repress, activate, or mark any gene (or DNA element) by pairing of a programmable single guide RNA (sgRNA) with a complementary sequence on the DNA target. Here we present a new method for small-molecule control of CRISPR-Cas9 function through insertion of RNA aptamers into the sgRNA. We show that CRISPR-Cas9-based gene repression (CRISPRi) can be either activated or deactivated in a dose-dependent fashion over a >10-fold dynamic range in response to two different small-molecule ligands. Since our system acts directly on each target-specific sgRNA, it enables new applications that require differential and opposing temporal control of multiple genes.

Abstract Most glioblastomas (GBMs) achieve cellular immortality by acquiring a mutation in the telomerase reverse transcriptase ( TERT ) promoter. TERT promoter mutations create a binding site for a GA binding protein (GABP) transcription factor complex, whose assembly at the promoter is associated with TERT reactivation and telomere maintenance. Here, we demonstrate increased binding of a specific GABPB1L isoform-containing complex to the mutant TERT promoter. Furthermore, we find that TERT promoter mutant GBM cells, unlike wild-type cells, exhibit a critical near-term dependence on GABPB1L for proliferation, both in cell culture and post-tumor establishment in vivo . Upregulation of the protein paralogue GABPB2, which is normally expressed at very low levels, can rescue this dependence. More importantly, when combined with frontline temozolomide (TMZ) chemotherapy, inducible GABPB1L knockdown and the associated TERT reduction led to an impaired DNA damage response that resulted in profoundly reduced growth of intracranial GBM tumors. Together, these findings provide new insights into the mechanism of cancer-specific TERT regulation, uncover rapid effects of GABPB1L-mediated TERT suppression in GBM maintenance, and establish GABPB1L inhibition in combination with chemotherapy as a novel therapeutic strategy for TERT promoter mutant GBM.

Genome editing is poised to revolutionize treatment of genetic diseases, but poor understanding and control of DNA repair outcomes hinders its therapeutic potential. DNA repair is especially understudied in nondividing cells like neurons, which must withstand decades of DNA damage without replicating. This lack of knowledge limits the efficiency and precision of genome editing in clinically relevant cells. To address this, we used induced pluripotent stem cells (iPSCs) and iPSC-derived neurons to examine how postmitotic human neurons repair Cas9-induced DNA damage. We discovered that neurons can take weeks to fully resolve this damage, compared to just days in isogenic iPSCs. Furthermore, Cas9-treated neurons upregulated unexpected DNA repair genes, including factors canonically associated with replication. Manipulating this response with chemical or genetic perturbations allowed us to direct neuronal repair toward desired editing outcomes. By studying DNA repair in postmitotic human cells, we uncovered unforeseen challenges and opportunities for precise therapeutic editing.