The simplicity of programming the CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)-associated nuclease Cas9 to modify specific genomic loci suggests a new way to interrogate gene function on a genome-wide scale. We show that lentiviral delivery of a genome-scale CRISPR-Cas9 knockout (GeCKO) library targeting 18,080 genes with 64,751 unique guide sequences enables both negative and positive selection screening in human cells. First, we used the GeCKO library to identify genes essential for cell viability in cancer and pluripotent stem cells. Next, in a melanoma model, we screened for genes whose loss is involved in resistance to vemurafenib, a therapeutic RAF inhibitor. Our highest-ranking candidates include previously validated genes NF1 and MED12, as well as novel hits NF2, CUL3, TADA2B, and TADA1. We observe a high level of consistency between independent guide RNAs targeting the same gene and a high rate of hit confirmation, demonstrating the promise of genome-scale screening with Cas9.

MicroRNAs (miRNAs) are a class of noncoding RNAs found in organisms as evolutionarily distant as plants and mammals, yet most of the mRNAs they regulate are unknown. Here we show that the ability of an miRNA to translationally repress a target mRNA is largely dictated by the free energy of binding of the first eight nucleotides in the 5′ region of the miRNA. However, G:U wobble base-pairing in this region interferes with activity beyond that predicted on the basis of thermodynamic stability. Furthermore, an mRNA can be simultaneously repressed by more than one miRNA species. The level of repression achieved is dependent on both the amount of mRNA and the amount of available miRNA complexes. Thus, predicted miRNA:mRNA interactions must be viewed in the context of other potential interactions and cellular conditions.

Analysis of the genome editing activity of more than 1800 sgRNAs in mouse and human cells yields rules to facilitate design of highly active RNA guides for Cas-9 genome editing. Components of the prokaryotic clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats (CRISPR) loci have recently been repurposed for use in mammalian cells1,2,3,4,5,6. The CRISPR-associated (Cas)9 can be programmed with a single guide RNA (sgRNA) to generate site-specific DNA breaks, but there are few known rules governing on-target efficacy of this system7,8. We created a pool of sgRNAs, tiling across all possible target sites of a panel of six endogenous mouse and three endogenous human genes and quantitatively assessed their ability to produce null alleles of their target gene by antibody staining and flow cytometry. We discovered sequence features that improved activity, including a further optimization of the protospacer-adjacent motif (PAM) of Streptococcus pyogenes Cas9. The results from 1,841 sgRNAs were used to construct a predictive model of sgRNA activity to improve sgRNA design for gene editing and genetic screens. We provide an online tool for the design of highly active sgRNAs for any gene of interest.

Therapy-resistant cancer cell states identified across diverse contexts are selectively vulnerable to ferroptotic cell death induced by inhibition of lipid peroxidase pathways converging on GPX4. Cancer cells can assume different biological states, which can affect their resistance to therapies. A mesenchymal phenotype has been associated with drug resistance but the mechanism behind this state is not well understood. Stuart Schreiber and colleagues now show that tumour cells with a mesenchymal phenotype are selectively sensitive to inhibition of GPX4, an enzyme that alters lipid metabolism. GPX4 dissipates lipid peroxides and therefore prevents the iron-mediated reactions which induce ferroptotic cell death. These findings offer new perspectives on targeting cancers that have undergone a transition to a mesenchymal state to evade other therapeutic agents. Plasticity of the cell state has been proposed to drive resistance to multiple classes of cancer therapies, thereby limiting their effectiveness1,2,3,4. A high-mesenchymal cell state observed in human tumours and cancer cell lines has been associated with resistance to multiple treatment modalities across diverse cancer lineages, but the mechanistic underpinning for this state has remained incompletely understood1,2,3,4,5,6. Here we molecularly characterize this therapy-resistant high-mesenchymal cell state in human cancer cell lines and organoids and show that it depends on a druggable lipid-peroxidase pathway that protects against ferroptosis, a non-apoptotic form of cell death induced by the build-up of toxic lipid peroxides7,8. We show that this cell state is characterized by activity of enzymes that promote the synthesis of polyunsaturated lipids. These lipids are the substrates for lipid peroxidation by lipoxygenase enzymes8,9. This lipid metabolism creates a dependency on pathways converging on the phospholipid glutathione peroxidase (GPX4), a selenocysteine-containing enzyme that dissipates lipid peroxides and thereby prevents the iron-mediated reactions of peroxides that induce ferroptotic cell death8. Dependency on GPX4 was found to exist across diverse therapy-resistant states characterized by high expression of ZEB1, including epithelial–mesenchymal transition in epithelial-derived carcinomas, TGFβ-mediated therapy-resistance in melanoma, treatment-induced neuroendocrine transdifferentiation in prostate cancer, and sarcomas, which are fixed in a mesenchymal state owing to their cells of origin. We identify vulnerability to ferroptic cell death induced by inhibition of a lipid peroxidase pathway as a feature of therapy-resistant cancer cells across diverse mesenchymal cell-state contexts.

With the discovery of RNA interference (RNAi) and related phenomena, new regulatory roles attributed to RNA continue to emerge. Here we show, in mammalian tissue culture, that a short interfering RNA (siRNA) can repress expression of a target mRNA with partially complementary binding sites in its 3′ UTR, much like the demonstrated function of endogenously encoded microRNAs (miRNAs). The mechanism for this repression is cooperative, distinct from the catalytic mechanism of mRNA cleavage by siRNAs. The use of siRNAs to study translational repression holds promise for dissecting the sequence and structural determinants and general mechanism of gene repression by miRNAs.

Immunotherapy with PD-1 checkpoint blockade is effective in only a minority of patients with cancer, suggesting that additional treatment strategies are needed. Here we use a pooled in vivo genetic screening approach using CRISPR–Cas9 genome editing in transplantable tumours in mice treated with immunotherapy to discover previously undescribed immunotherapy targets. We tested 2,368 genes expressed by melanoma cells to identify those that synergize with or cause resistance to checkpoint blockade. We recovered the known immune evasion molecules PD-L1 and CD47, and confirmed that defects in interferon-γ signalling caused resistance to immunotherapy. Tumours were sensitized to immunotherapy by deletion of genes involved in several diverse pathways, including NF-κB signalling, antigen presentation and the unfolded protein response. In addition, deletion of the protein tyrosine phosphatase PTPN2 in tumour cells increased the efficacy of immunotherapy by enhancing interferon-γ-mediated effects on antigen presentation and growth suppression. In vivo genetic screens in tumour models can identify new immunotherapy targets in unanticipated pathways. In vivo CRISPR screening reveals that loss of Ptpn2 increases the response of tumour cells to immunotherapy and increases IFNγ signalling, suggesting that PTPN2 inhibition may potentiate the effect of immunotherapies that invoke an IFNγ response. Cancer immunotherapy treatments, such as PD-1 checkpoint blockade, are only effective in a minority of patients, suggesting the need to investigate new treatment strategies. Nicholas Haining and colleagues describe a functional genomics approach using the CRISPR–Cas9 system to identify genes that affect the response to immune checkpoint blockade in the B16 mouse transplantable tumour model. They show that loss of function of the phosphatase PTPN2 in tumour cells enhances interferon-γ-mediated effects on antigen presentation and growth suppression. This finding suggests that PTPN2 is a potential target for cancer immunotherapy and that in vivo genetic screenings of tumour models could help identify other possible targets.

SNF'ing out antitumor immunity Immune checkpoint inhibitors induce durable tumor regressions in some, but not all, cancer patients. Understanding the mechanisms that determine tumor sensitivity to these drugs could potentially expand the number of patients who benefit (see the Perspective by Ghorani and Quezada). Pan et al. discovered that tumor cells in which a specific SWI/SNF chromatin remodeling complex had been experimentally inactivated were more sensitive to T cell–mediated killing. The cells were more responsive to interferon-γ, leading to increased secretion of cytokines that promote antitumor immunity. Miao et al. examined the genomic features of tumors from patients with metastatic renal cell carcinoma who had been treated with immune checkpoint inhibitors. Tumors harboring inactivating mutations in PBRM1 , which encodes a subunit of the same SWI/SNF complex, were more likely to respond to the drugs. Science , this issue p. 770 , p. 801 ; see also p. 745

Summary

 Diffuse large B cell lymphoma (DLBCL) is a biologically heterogeneous and clinically aggressive disease. Here, we explore the role of bromodomain and extra-terminal domain (BET) proteins in DLBCL, using integrative chemical genetics and functional epigenomics. We observe highly asymmetric loading of bromodomain 4 (BRD4) at enhancers, with approximately 33% of all BRD4 localizing to enhancers at 1.6% of occupied genes. These super-enhancers prove particularly sensitive to bromodomain inhibition, explaining the selective effect of BET inhibitors on oncogenic and lineage-specific transcriptional circuits. Functional study of genes marked by super-enhancers identifies DLBCLs dependent on OCA-B and suggests a strategy for discovering unrecognized cancer dependencies. Translational studies performed on a comprehensive panel of DLBCLs establish a therapeutic rationale for evaluating BET inhibitors in this disease.