RNA interference (RNAi) is a powerful new tool with which to perform loss-of-function genetic screens in lower organisms and can greatly facilitate the identification of components of cellular signalling pathways. In mammalian cells, such screens have been hampered by a lack of suitable tools that can be used on a large scale. We and others have recently developed expression vectors to direct the synthesis of short hairpin RNAs (shRNAs) that act as short interfering RNA (siRNA)-like molecules to stably suppress gene expression. Here we report the construction of a set of retroviral vectors encoding 23,742 distinct shRNAs, which target 7,914 different human genes for suppression. We use this RNAi library in human cells to identify one known and five new modulators of p53-dependent proliferation arrest. Suppression of these genes confers resistance to both p53-dependent and p19ARF-dependent proliferation arrest, and abolishes a DNA-damage-induced G1 cell-cycle arrest. Furthermore, we describe siRNA bar-code screens to rapidly identify individual siRNA vectors associated with a specific phenotype. These new tools will greatly facilitate large-scale loss-of-function genetic screens in mammalian cells.

The three-dimensional organization of chromosomes within the nucleus and its dynamics during differentiation are largely unknown. To visualize this process in molecular detail, we generated high-resolution maps of genome-nuclear lamina interactions during subsequent differentiation of mouse embryonic stem cells via lineage-committed neural precursor cells into terminally differentiated astrocytes. This reveals that a basal chromosome architecture present in embryonic stem cells is cumulatively altered at hundreds of sites during lineage commitment and subsequent terminal differentiation. This remodeling involves both individual transcription units and multigene regions and affects many genes that determine cellular identity. Often, genes that move away from the lamina are concomitantly activated; many others, however, remain inactive yet become unlocked for activation in a next differentiation step. These results suggest that lamina-genome interactions are widely involved in the control of gene expression programs during lineage commitment and terminal differentiation.

Chromatin is important for the regulation of transcription and other functions, yet the diversity of chromatin composition and the distribution along chromosomes are still poorly characterized. By integrative analysis of genome-wide binding maps of 53 broadly selected chromatin components in Drosophila cells, we show that the genome is segmented into five principal chromatin types that are defined by unique yet overlapping combinations of proteins and form domains that can extend over > 100 kb. We identify a repressive chromatin type that covers about half of the genome and lacks classic heterochromatin markers. Furthermore, transcriptionally active euchromatin consists of two types that differ in molecular organization and H3K36 methylation and regulate distinct classes of genes. Finally, we provide evidence that the different chromatin types help to target DNA-binding factors to specific genomic regions. These results provide a global view of chromatin diversity and domain organization in a metazoan cell.

The evidence for T-cell–mediated regression of human cancers such as non–small-cell lung carcinoma, renal cell carcinoma, and—in particular—melanoma after immunotherapy is strong. Anti-CTLA4 (ipilimumab) treatment has been approved for treatment of meta-static melanoma,1 and antibody-mediated blockade of PD-1, a second inhibitory receptor on T cells, has shown highly encouraging results in early clinical trials.2,3 Although the clinical activity of these treatments is apparent, it is still unknown which T-cell reactivities are involved in immunotherapy-induced cancer regression.4 T-cell reactivity against nonmutated tumor-associated self-antigens has been analyzed in patients treated with ipilimumab or with autologous tumor-infiltrating T cells, but the magnitude of the T-cell responses observed has been relatively modest.5,6 In part on the basis of such data, recognition of patient-specific mutant epitopes (hereafter referred to as neoantigens) has been suggested to be a potentially important component.7 A potential involvement of mutated epitopes in T-cell control would also fit well with the observation that the mutation load in sun-exposed melanomas is particularly high.8-10 Intriguingly, on the basis of animal model data, it has recently been suggested that (therapy-induced) analysis of T-cell reactivity against patient-specific neoantigens may be feasible through exploitation of cancer genome data.11,12 However, human data have thus far been lacking. Here we report a case of a patient with stage IV melanoma who exhibited a clinical response to ipilimumab treatment. Cancer exome–guided analysis of T-cell reactivity in this patient revealed reactivity against two neoantigens, including a dominant T-cell response against a mutant epitope of the ATR (ataxia telangiectasia and Rad3 related) gene product that increased strongly after ipilimumab treatment. These data provide the first demonstration (to our knowledge) of cancer exome–guided analysis to dissect the effects of melanoma immunotherapy.

Protein ubiquitination and deubiquitination are dynamic processes implicated in the regulation of numerous cellular pathways. Monoubiquitination of the Fanconi anemia (FA) protein FANCD2 appears to be critical in the repair of DNA damage because many of the proteins that are mutated in FA are required for FANCD2 ubiquitination. By screening a gene family RNAi library, we identify the deubiquitinating enzyme USP1 as a novel component of the Fanconi anemia pathway. Inhibition of USP1 leads to hyperaccumulation of monoubiquitinated FANCD2. Furthermore, USP1 physically associates with FANCD2, and the proteins colocalize in chromatin after DNA damage. Finally, analysis of crosslinker-induced chromosomal aberrations in USP1 knockdown cells suggests a role in DNA repair. We propose that USP1 deubiquitinates FANCD2 when cells exit S phase or recommence cycling after a DNA damage insult and may play a critical role in the FA pathway by recycling FANCD2.

Women carrying germ-line mutations in BRCA1 are strongly predisposed to developing breast cancers with characteristic features also observed in sporadic basal-like breast cancers. They appear as high-grade tumors with high proliferation rates and pushing borders. On the molecular level, they are negative for hormone receptors and ERBB2, display frequent TP53 mutations, and express basal epithelial markers. To study the role of BRCA1 and P53 loss of function in breast cancer development, we generated conditional mouse models with tissue-specific mutation of Brca1 and/or p53 in basal epithelial cells. Somatic loss of both BRCA1 and p53 resulted in the rapid and efficient formation of highly proliferative, poorly differentiated, estrogen receptor-negative mammary carcinomas with pushing borders and increased expression of basal epithelial markers, reminiscent of human basal-like breast cancer. BRCA1- and p53-deficient mouse mammary tumors exhibit dramatic genomic instability, and their molecular signatures resemble those of human BRCA1 -mutated breast cancers. Thus, these tumors display important hallmarks of hereditary breast cancers in BRCA1 -mutation carriers.

DNA topoisomerase II inhibitors are a major class of cancer chemotherapeutics, which are thought to eliminate cancer cells by inducing DNA double-strand breaks. Here we identify a novel activity for the anthracycline class of DNA topoisomerase II inhibitors: histone eviction from open chromosomal areas. We show that anthracyclines promote histone eviction irrespective of their ability to induce DNA double-strand breaks. The histone variant H2AX, which is a key component of the DNA damage response, is also evicted by anthracyclines, and H2AX eviction is associated with attenuated DNA repair. Histone eviction deregulates the transcriptome in cancer cells and organs such as the heart, and can drive apoptosis of topoisomerase-negative acute myeloid leukaemia blasts in patients. We define a novel mechanism of action of anthracycline anticancer drugs doxorubicin and daunorubicin on chromatin biology, with important consequences for DNA damage responses, epigenetics, transcription, side effects and cancer therapy.

Glycosylated α-dystroglycan (α-DG) serves as cellular entry receptor for multiple pathogens, and defects in its glycosylation cause hereditary Walker-Warburg syndrome (WWS). At least eight proteins are critical to glycosylate α-DG, but many genes mutated in WWS remain unknown. To identify modifiers of α-DG, we performed a haploid screen for Lassa virus entry, a hemorrhagic fever virus causing thousands of deaths annually that hijacks glycosylated α-DG to enter cells. In complementary screens, we profiled cells for absence of α-DG carbohydrate chains or biochemically related glycans. This revealed virus host factors and a suite of glycosylation units, including all known Walker-Warburg genes and five additional factors critical for the modification of α-DG. Our findings accentuate the complexity of this posttranslational feature and point out genes defective in dystroglycanopathies.