We have created a library of 2007 mutagenized Caenorhabditis elegans strains, each sequenced to a target depth of 15-fold coverage, to provide the research community with mutant alleles for each of the worm's more than 20,000 genes. The library contains over 800,000 unique single nucleotide variants (SNVs) with an average of eight nonsynonymous changes per gene and more than 16,000 insertion/deletion (indel) and copy number changes, providing an unprecedented genetic resource for this multicellular organism. To supplement this collection, we also sequenced 40 wild isolates, identifying more than 630,000 unique SNVs and 220,000 indels. Comparison of the two sets demonstrates that the mutant collection has a much richer array of both nonsense and missense mutations than the wild isolate set. We also find a wide range of rDNA and telomere repeat copy number in both sets. Scanning the mutant collection for molecular phenotypes reveals a nonsense suppressor as well as strains with higher levels of indels that harbor mutations in DNA repair genes and strains with abundant males associated with him mutations. All the strains are available through the Caenorhabditis Genetics Center and all the sequence changes have been deposited in WormBase and are available through an interactive website.

Abstract Improved genome engineering methods that enable automation of large and precise edits are essential for systematic investigations of genome function. We adapted peel-1 negative selection to an optimized Dual-Marker Selection (DMS) cassette protocol for CRISPR-Cas9 genome engineering in Caenorhabditis elegans and observed robust increases in multiple measures of efficiency that were consistent across injectors and four genomic loci. The use of Peel-1-DMS selection killed animals harboring transgenes as extrachromosomal arrays and spared genome edited integrants, often circumventing the need for visual screening to identify genome edited animals. To demonstrate the applicability of the approach, we created deletion alleles in the putative proteasomal subunit pbs-1 and the uncharacterized gene K04F10.3 and used machine vision to automatically characterize their phenotypic profiles, revealing homozygous essential and heterozygous behavioral phenotypes. These results provide a robust and scalable approach to rapidly generate and phenotype genome edited animals without the need for screening or scoring by eye. Author summary The ability to directly manipulate the genome and observe the resulting effects on the traits of an organism is a powerful approach to investigate gene function. CRISPR-based approaches to genome engineering have revolutionized such functional studies across model organisms but still face major challenges that limit the scope and complexity of projects that can be achieved in practice. Automating genome engineering and phenotyping would enable large-scale investigations of genome function in animals. Here, we describe the adaptation of peel-1 negative selection to an optimized dual-marker selection cassette CRISPR-Cas9 genome engineering method in C. elegans and combine it with automated machine vision phenotyping to achieve functional studies without the need for screening or scoring by eye. To demonstrate the applicability of the approach, we generated novel deletion alleles in two understudied genes, pbs-1 and K04F10.3, and used machine vision to characterize their phenotypic profiles, revealing homozygous lethal and heterozygous behavioral phenotypes. Our results open the door to systematic investigations of genome function in this model organism.

Our ability to sequence genomes has vastly surpassed our ability to interpret the genetic variation we discover. This presents a major challenge in the clinical setting, where the recent application of whole exome and whole genome sequencing has uncovered thousands of genetic variants of uncertain significance. Here, we present a strategy for targeted human gene replacement and phenomic characterization based on CRISPR-Cas9 genome engineering in the genetic model organism Caenorhabditis elegans that will facilitate assessment of the functional conservation of human genes and structure-function analysis of disease-associated variants with unprecedented precision. We validate our strategy by demonstrating that direct single-copy replacement of the C. elegans ortholog (daf-18) with the critical human disease-associated gene Phosphatase and Tensin Homolog (PTEN) is sufficient to rescue multiple phenotypic abnormalities caused by complete deletion of daf-18, including complex chemosensory and mechanosenory impairments. In addition, we used our strategy to generate animals harboring a single copy of the known pathogenic lipid phosphatase inactive PTEN variant (PTEN-G129E) and showed that our automated in vivo phenotypic assays could accurately and efficiently classify this missense variant as loss-of-function. The integrated nature of the human transgenes allows for analysis of both homozygous and heterozygous variants and greatly facilitates high-throughput precision medicine drug screens. By combining genome engineering with rapid and automated phenotypic characterization, our strategy streamlines identification of novel conserved gene functions in complex sensory and learning phenotypes that can be used as in vivo functional assays to decipher variants of uncertain significance.

Abstract Cancer-associated mutations have been documented in normal tissues, but the prevalence and nature of somatic copy number alterations and their role in tumor initiation and evolution is not well understood. Here, using single cell DNA sequencing, we describe the landscape of CNAs in >42,000 breast epithelial cells from women with normal or high risk of developing breast cancer. Accumulation of individual cells with one or two of a specific subset of CNAs (e.g. 1q gain and 16q, 22q, 7q, and 10q loss) is detectable in almost all breast tissues and, in those from BRCA1 or BRCA2 mutations carriers, occurs prior to loss of heterozygosity (LOH) of the wildtype alleles. These CNAs, which are among the most common associated with ductal carcinoma in situ (DCIS) and malignant breast tumors, are enriched almost exclusively in luminal cells not basal myoepithelial cells. Allele-specific analysis of the enriched CNAs reveals that each allele was independently altered, demonstrating convergent evolution of these CNAs in an individual breast. Tissues from BRCA1 or BRCA2 mutation carriers contain a small percentage of cells with extreme aneuploidy, featuring loss of TP53 , LOH of BRCA1 or BRCA2 , and multiple breast cancer-associated CNAs in addition to one or more of the common CNAs in 1q, 10q or 16q. Notably, cells with intermediate levels of CNAs are not detected, arguing against a stepwise gradual accumulation of CNAs. Overall, our findings demonstrate that chromosomal alterations in normal breast epithelium partially mirror those of established cancer genomes and are chromosome- and cell lineage-specific.

Xenobiotic biotransformation is an important modulator of anthelmintic drug potency and a potential mechanism of anthelmintic resistance. Both the free-living nematode Caenorhabditis elegans and the ruminant parasite Haemonchus contortus biotransform benzimidazole drugs by glucose conjugation, likely catalysed by UDP-glycosyltransferase (UGT) enzymes. To identify C. elegans genes involved in benzimidazole drug detoxification, we first used a comparative phylogenetic analysis of UGTs from humans, C. elegans and H. contortus, combined with available RNAseq datasets to identify which of the 63 C. elegans ugt genes are most likely to be involved in benzimidazole drug biotransformation. RNA interference knockdown of 15 prioritized C. elegans genes identified those that sensitized animals to the benzimidazole derivative albendazole (ABZ). Genetic mutations subsequently revealed that loss of ugt-9 and ugt-11 had the strongest effects. The "ugt-9 cluster" includes these genes, together with six other closely related ugts. A CRISPR-Cas-9 deletion that removed seven of the eight ugt-9 cluster genes had greater ABZ sensitivity than the single largest-effect mutation. Furthermore, a double mutant of ugt-22 (which is not a member of the ugt-9 cluster) with the ugt-9 cluster deletion further increased ABZ sensitivity. This additivity of mutant phenotypes suggest that ugt genes act in parallel, which could have several, not mutually exclusive, explanations. ugt mutations have different effects with different benzimidazole derivatives, suggesting that enzymes with different specificities could together more efficiently detoxify drugs. Expression patterns of ugt-9, ugt-11 and ugt-22 gfp reporters differ and so likely act in different tissues which may, at least in part, explain their additive effects on drug potency. Overexpression of ugt-9 alone was sufficient to confer partial ABZ resistance, indicating increasing total UGT activity protects animals. In summary, our results suggest that the multiple UGT enzymes have overlapping but not completely redundant functions in benzimidazole drug detoxification and may represent "druggable" targets to improve benzimidazole drug potency.

The Caenorhabditis elegans Gene Knockout (KO) Consortium is tasked with obtaining null mutations in each of the more than 20,000 open reading frames (ORFs) of this organism. To date, approximately 15,000 ORFs have associated putative null alleles. A directed approach using CRISPR/Cas9 methodology is the most promising technique to complete the task. While there has been substantial success in using CRISPR/Cas9 in C. elegans, there has been little emphasis on optimizing the method for generating large insertions/deletions in this organism. To enhance the efficiency of using CRISPR/Cas9 to generate gene knockouts in C. elegans we have developed an online species-specific guide RNA selection tool (http://genome.sfu.ca/crispr). When coupled with previously developed selection vectors, optimization for homology arm length, and the use of purified Cas9 protein, we demonstrate a robust, efficient and effective protocol for generating deletions. Debate and speculation in the larger scientific community about off-target effects due to non-specific Cas9 cutting has prompted us to investigate through whole genome sequencing the occurrence of single nucleotide variants and indels accompanying targeted deletions. We did not detect any off-site variants above the natural spontaneous mutation rate and therefore conclude this modified protocol does not generate off-target events to any significant degree in C. elegans.

Forward genetic screens represent powerful, unbiased approaches to uncover novel components in any biological process. Such screens suffer from a major bottleneck, however, namely the cloning of corresponding genes causing the phenotypic variation. Reverse genetic screens have been employed as a way to circumvent this issue, but can often be limited in scope. Here we demonstrate an innovative approach to gene discovery. Using C. elegans as a model system, we used a whole-genome sequenced multi-mutation library, from the Million Mutation Project, together with the Sequence Kernel Association Test (SKAT), to rapidly screen for and identify genes associated with a phenotype of interest, namely defects in dye-filling of ciliated sensory neurons. Such anomalies in dye-filling are often associated with the disruption of cilia, organelles which in humans are implicated in sensory physiology (including vision, smell and hearing), development and disease. Beyond identifying several well characterised dye-filling genes, our approach uncovered three genes not previously linked to ciliated sensory neuron development or function. From these putative novel dye-filling genes, we confirmed the involvement of BGNT-1.1 in ciliated sensory neuron function and morphogenesis. BGNT-1.1 functions at the trans-Golgi network of sheath cells (glia) to influence dye-filling and cilium length, in a cell non-autonomous manner. Notably, BGNT-1.1 is the orthologue of human B3GNT1/B4GAT1, a glycosyltransferase associated with Walker-Warburg syndrome (WWS). WWS is a multigenic disorder characterised by muscular dystrophy as well as brain and eye anomalies. Together, our work unveils an effective and innovative approach to gene discovery, and provides the first evidence that B3GNT1-associated Walker-Warburg syndrome may be considered a ciliopathy.