The bacterial clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Cas9 system for genome editing has greatly expanded the toolbox for mammalian genetics, enabling the rapid generation of isogenic cell lines and mice with modified alleles. Here, we describe a pooled, loss-of-function genetic screening approach suitable for both positive and negative selection that uses a genome-scale lentiviral single-guide RNA (sgRNA) library. sgRNA expression cassettes were stably integrated into the genome, which enabled a complex mutant pool to be tracked by massively parallel sequencing. We used a library containing 73,000 sgRNAs to generate knockout collections and performed screens in two human cell lines. A screen for resistance to the nucleotide analog 6-thioguanine identified all expected members of the DNA mismatch repair pathway, whereas another for the DNA topoisomerase II (TOP2A) poison etoposide identified TOP2A, as expected, and also cyclin-dependent kinase 6, CDK6. A negative selection screen for essential genes identified numerous gene sets corresponding to fundamental processes. Last, we show that sgRNA efficiency is associated with specific sequence motifs, enabling the prediction of more effective sgRNAs. Collectively, these results establish Cas9/sgRNA screens as a powerful tool for systematic genetic analysis in mammalian cells.

Zeroing in on essential human genes More powerful genetic techniques are helping to define the list of genes required for the life of a human cell. Two papers used the CRISPR genome editing system and a gene trap method in haploid human cells to screen for essential genes (see the Perspective by Boone and Andrews). Wang et al. 's analysis of multiple cell lines indicates that it may be possible to find tumor-specific dependencies on particular genes. Blomen et al. investigate the phenomenon in which nonessential genes are required for fitness in the absence of another gene. Hence, complexity rather than robustness is the human strategy. Science , this issue p. 1096 and p. 1092 ; see also p. 1028

mTORC1 is shown to regulate a translational program that requires the rapamycin-resistant 4E-BP family of translational repressors and consists almost entirely of mRNAs containing 5′ terminal oligopyrimidine or related motifs. The mTOR pathway is important in the regulation of protein synthesis and is activated in many human cancers. Two papers in this issue of Nature use ribosome profiling to study the control of messenger RNA translation by mTOR signalling. Hsieh et al. find that in prostate cancer cells and mouse prostate tumours, the translation of several genes involved in cancer invasion is regulated by mTOR by means of the 4EBP1 translational repressor. The experimental drug INK128, currently in clinical trials in people with prostate cancer, inhibits mTOR signalling and reduces the progression of prostate cancers to invasive carcinomas in a mouse model. Thoreen et al. show that through the 4E-BP protein family, the mTORC1 kinase recognizes and regulates a subset of mRNAs with an oligopyrimidine motif at the 5′ end. The mTOR complex 1 (mTORC1) kinase nucleates a pathway that promotes cell growth and proliferation and is the target of rapamycin, a drug with many clinical uses1. mTORC1 regulates messenger RNA translation, but the overall translational program is poorly defined and no unifying model exists to explain how mTORC1 differentially controls the translation of specific mRNAs. Here we use high-resolution transcriptome-scale ribosome profiling to monitor translation in mouse cells acutely treated with the mTOR inhibitor Torin 1, which, unlike rapamycin, fully inhibits mTORC1 (ref. 2). Our data reveal a surprisingly simple model of the mRNA features and mechanisms that confer mTORC1-dependent translation control. The subset of mRNAs that are specifically regulated by mTORC1 consists almost entirely of transcripts with established 5′ terminal oligopyrimidine (TOP) motifs, or, like Hsp90ab1 and Ybx1, with previously unrecognized TOP or related TOP-like motifs that we identified. We find no evidence to support proposals that mTORC1 preferentially regulates mRNAs with increased 5′ untranslated region length or complexity3. mTORC1 phosphorylates a myriad of translational regulators, but how it controls TOP mRNA translation is unknown4. Remarkably, loss of just the 4E-BP family of translational repressors, arguably the best characterized mTORC1 substrates, is sufficient to render TOP and TOP-like mRNA translation resistant to Torin 1. The 4E-BPs inhibit translation initiation by interfering with the interaction between the cap-binding protein eIF4E and eIF4G1. Loss of this interaction diminishes the capacity of eIF4E to bind TOP and TOP-like mRNAs much more than other mRNAs, explaining why mTOR inhibition selectively suppresses their translation. Our results clarify the translational program controlled by mTORC1 and identify 4E-BPs and eIF4G1 as its master effectors.

Epithelial cancers are believed to originate from transformation of tissue stem cells. However, bone marrow–derived cells (BMDCs), which are frequently recruited to sites of tissue injury and inflammation, might also represent a potential source of malignancy. We show that although acute injury, acute inflammation, or transient parietal cell loss within the stomach do not lead to BMDC recruitment, chronic infection of C57BL/6 mice with Helicobacter , a known carcinogen, induces repopulation of the stomach with BMDCs. Subsequently, these cells progress through metaplasia and dysplasia to intraepithelial cancer. These findings suggest that epithelial cancers can originate from marrow-derived sources and thus have broad implications for the multistep model of cancer progression.

Summary

 The mitochondrial electron transport chain (ETC) enables many metabolic processes, but why its inhibition suppresses cell proliferation is unclear. It is also not well understood why pyruvate supplementation allows cells lacking ETC function to proliferate. We used a CRISPR-based genetic screen to identify genes whose loss sensitizes human cells to phenformin, a complex I inhibitor. The screen yielded GOT1, the cytosolic aspartate aminotransferase, loss of which kills cells upon ETC inhibition. GOT1 normally consumes aspartate to transfer electrons into mitochondria, but, upon ETC inhibition, it reverses to generate aspartate in the cytosol, which partially compensates for the loss of mitochondrial aspartate synthesis. Pyruvate stimulates aspartate synthesis in a GOT1-dependent fashion, which is required for pyruvate to rescue proliferation of cells with ETC dysfunction. Aspartate supplementation or overexpression of an aspartate transporter allows cells without ETC activity to proliferate. Thus, enabling aspartate synthesis is an essential role of the ETC in cell proliferation.

N6-methyladenosine (m6A) is a common modification of mRNA with potential roles in fine-tuning the RNA life cycle. Here, we identify a dense network of proteins interacting with METTL3, a component of the methyltransferase complex, and show that three of them (WTAP, METTL14, and KIAA1429) are required for methylation. Monitoring m6A levels upon WTAP depletion allowed the definition of accurate and near single-nucleotide resolution methylation maps and their classification into WTAP-dependent and -independent sites. WTAP-dependent sites are located at internal positions in transcripts, topologically static across a variety of systems we surveyed, and inversely correlated with mRNA stability, consistent with a role in establishing “basal” degradation rates. WTAP-independent sites form at the first transcribed base as part of the cap structure and are present at thousands of sites, forming a previously unappreciated layer of transcriptome complexity. Our data shed light on the proteomic and transcriptional underpinnings of this RNA modification.

Abstract Cancer stem cells (CSCs) have been defined as a unique subpopulation in tumors that possess the ability to initiate tumor growth and sustain tumor self-renewal. Although the evidence has been provided to support the existence of CSCs in various solid tumors, the identity of gastric CSCs has not been reported. In this study, we have identified gastric cancer-initiating cells from a panel of human gastric cancer cell lines using cell surface marker CD44. Among six gastric cancer cell lines, three lines MKN-45, MKN-74, and NCI-N87 had a sizeable subpopulation of CD44(+) cells, and these cells showed spheroid colony formation in serum-free media in vitro as well as tumorigenic ability when injected into stomach and skin of severe combined immunodeficient (SCID) mice in vivo. The CD44(+) gastric cancer cells showed the stem cell properties of self-renewal and the ability to form differentiated progeny and gave rise to CD44(−) cells. CD44 knockdown by short hairpin RNA resulted in much reduced spheroid colony formation and smaller tumor production in SCID mice, and the CD44(−) populations had significantly reduced tumorigenic ability in vitro and in vivo. Other potential CSC markers, such as CD24, CD133, CD166, stage-specific embryonic antigen-1 (SSEA-1), and SSEA-4, or sorting for side population did not show any correlation with tumorigenicity in vitro or in vivo. The CD44(+) gastric cancer cells showed increased resistance for chemotherapy- or radiation-induced cell death. These results support the existence of gastric CSCs and may provide novel approaches to the diagnosis and treatment of gastric cancer. Disclosure of potential conflicts of interest is found at the end of this article.

Carcinoma-associated fibroblasts (CAFs) that express α-smooth muscle actin (αSMA) contribute to cancer progression, but their precise origin and role are unclear. Using mouse models of inflammation-induced gastric cancer, we show that at least 20% of CAFs originate from bone marrow (BM) and derive from mesenchymal stem cells (MSCs). αSMA+ myofibroblasts (MFs) are niche cells normally present in BM and increase markedly during cancer progression. MSC-derived CAFs that are recruited to the dysplastic stomach express IL-6, Wnt5α and BMP4, show DNA hypomethylation, and promote tumor growth. Moreover, CAFs are generated from MSCs and are recruited to the tumor in a TGF-β- and SDF-1α-dependent manner. Therefore, carcinogenesis involves expansion and relocation of BM-niche cells to the tumor to create a niche to sustain cancer progression.

Aneuploidy, whole chromosome or chromosome arm imbalance, is a near-universal characteristic of human cancers. In 10,522 cancer genomes from The Cancer Genome Atlas, aneuploidy was correlated with TP53 mutation, somatic mutation rate, and expression of proliferation genes. Aneuploidy was anti-correlated with expression of immune signaling genes, due to decreased leukocyte infiltrates in high-aneuploidy samples. Chromosome arm-level alterations show cancer-specific patterns, including loss of chromosome arm 3p in squamous cancers. We applied genome engineering to delete 3p in lung cells, causing decreased proliferation rescued in part by chromosome 3 duplication. This study defines genomic and phenotypic correlates of cancer aneuploidy and provides an experimental approach to study chromosome arm aneuploidy.