A genome-wide crispr screen in Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes



Yüklə 8 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə3/3
tarix14.01.2017
ölçüsü8 Mb.
#5382
1   2   3

in several branches of the Apicomplexa suggest that this organ-

elle might serve as a focal point for functions conserved across

the phylum, in addition to the currently appreciated genus-spe-

cific modifications (

Seeber et al., 2008

). Two other ICAPs local-

ized to apical secretory vesicles called micronemes, which are

more typically associated with specific apicomplexan adapta-

tions. During the preparation of this paper, the first, ICAP1

(APH), was shown to be required for microneme secretion

(

Bullen et al., 2016



). The second one, ICAP12, was critically

important for invasion, as demonstrated by our secondary

screens and subsequent analysis. These data argue for an in-

depth examination of other ICAPs, which will likely reveal essen-

tial processes conserved among apicomplexans.

We renamed ICAP12 CLAMP to reflect its subcellular localiza-

tion and structural similarity to mammalian claudins. Conditional

silencing demonstrated that CLAMP is specifically required dur-

ing invasion of host cells and did not affect microneme secretion

or dependent processes. CLAMP is thereby distinct from factors

that participate in both gliding motility and invasion (

Bargieri


et al., 2014

). Instead, CLAMP resembles factors involved in the

formation of the tight junction—or moving junction—through

which parasites enter host cells. Knockdown of the micronemal

protein MIC8 resembles CLAMP disruption by blocking secre-

tion of the rhoptry neck proteins that anchor the micronemal ad-

hesin AMA1 to the host cell membrane (

Kessler et al., 2008

).

Video microscopy showed CLAMP-deficient parasites repeat-



edly pushing against the host-cell membrane while failing to

initiate invasion, much like P. falciparum parasites unable to

form a moving-junction (

Treeck et al., 2009

). Apposition of the

parasite and host-cell membrane is a hallmark of apicomplexan

parasitism, mediating discharge of rhoptry contents into host

cells and complete or partial invasion (

Bargieri et al., 2014

).

Despite the similarities, previously identified invasion factors



are not completely conserved throughout the phylum; MIC8 is

restricted to the coccidia, and AMA1 and RON2, which are cen-

tral components of the moving junction, are absent from early

branching apicomplexans (EupathDB). In contrast, CLAMP ho-

mologs are found in all sequenced apicomplexan genomes,

including early branching members like cryptosporidians and

gregarines. Consistent with its conservation, the ortholog of

CLAMP in P. falciparum could be readily identified, and its

knockdown leads to a complete inhibition of the asexual cycle,

although further work will be necessary to define its precise func-

tion. These results argue for a pivotal role of CLAMP in all mem-

bers of the phylum. Its structural resemblance to mammalian

claudins suggests the physical involvement of CLAMP in tight-

junction formation during invasion. Claudins are known to

engage in homotypic and heterotypic interactions, as well as

the formation of paracellular channels that restrict the flow of

ions across the tight junction (

Krause et al., 2008

). Whether

CLAMP participates in similar processes remains speculative,

but its study might shed light into one of the most conserved fea-

tures of apicomplexan parasitism.

By screening for genes that confer parasite fitness during

growth in human fibroblasts, we provide a baseline for gene

10 Cell 167, 1–13, September 22, 2016

CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019


function under arguably permissive conditions. Future screens

will need to define the genes required during other life stages,

in different hosts, under varying nutrient conditions, and in

response to immune pressures. The potential to obscure or

exacerbate deleterious mutations in pooled screens due to

competition with wild-type parasites should be mentioned

here. However, this screening format has the advantage of

simultaneously determining the fate of hundreds of indepen-

dently generated mutants for a given gene. As such, they are

less influenced by rare compensatory mutations that can

confound interpretation of outcomes when using clonal strains

(

Lamarque et al., 2014; Ma et al., 2008



). Studies in yeast have re-

vealed that adaptations can overcome the need for

$9% of

genes previously considered essential (



Liu et al., 2015

). These is-

sues argue for a nuanced view of gene essentiality. Although our

experiments demonstrate the strong predictive value of this

method, careful follow-up experiments are necessary to fully

explore the role of individual genes.

Genome-wide functional analyses have transformed the study

of many organisms. We demonstrate the power of this approach

to identify genes that contribute to T. gondii fitness during infec-

tion of human fibroblasts. Although important adaptations distin-

guish different parasite genera, this method provides a unique

tool to model conserved apicomplexan processes in T. gondii,

and its success is demonstrated by the identification of a previ-

ously uncharacterized protein essential for the malaria parasite



P. falciparum. Coupled with the diverse tools available for ge-

netic and chemical manipulation of T. gondii, the genome-wide

screens will provide a framework for the systematic examination

of genetic interactions. The unconstrained study of apicom-

plexan genomes will help us understand their unique biology

and broaden the scope of interventions to control these wide-

spread parasitic infections.

STAR+METHODS

Detailed methods are provided in the online version of this paper

and include the following:

d

KEY RESOURCES TABLE



d

CONTACT FOR REAGENT AND RESOURCE SHARING

d

EXPERIMENTAL MODEL AND SUBJECT DETAILS



d

METHOD DETAILS

B

Plasmid Design and Construction



B

Library Design and Construction

B

T. gondii Strain Generation

B

Pooled CRISPR Screens



B

RT-PCR


B

Functional Analysis of ICAPs and Controls

B

ICAP Tagging



B

CLAMP Phylogeny and Topology Predictions

B

CLAMP Conditional Knockdown



B

Immunofluorescence Microscopy and Immunoblotting

B

Surveyor Assays



B

Plaque Formation

B

Microneme Secretion



B

Egress Assays

B

Invasion Assays



B

Video Microscopy

B

P. falciparum Strain Generation and Analysis

d

QUANTIFICATION AND STATISTICAL ANALYSIS



B

Bioinformatic Analysis of the Screening Results

B

Statistical Testing



d

DATA AND SOFTWARE AVAILABILITY

B

Software


B

Data Resources

SUPPLEMENTAL INFORMATION

Supplemental Information includes five figures, three tables, and four movies

and can be found with this article online at

http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.

2016.08.019

AUTHOR CONTRIBUTIONS

S.M.S., D.H., and S.L. conceived this study and performed most of the exper-

iments. S.M.G., A.S.N., and J.C.N. designed and performed the malaria work.

M.-H.H. and V.B.C. provided essential reagents and insight. T.W. provided the

scripts to design the library, which P.T. adapted and executed. J.P.J.S.

advised the experimental design and drafting of the manuscript. S.M.S.,

D.H., and S.L. wrote the manuscript, which was read and approved by all

authors.

ACKNOWLEDGMENTS

We thank Emily Shortt for technical support; George Bell for bioinformatics

advice; L. David Sibley, Dominique Soldati-Favre, and Lilach Sheiner for the

SAG1, MIC8, MYOA, and MYS antibodies; Ke Hu for the NeonGreen plasmid;

David S. Roos and Maria Alejandra Diaz-Miranda for the RNA-sequencing

data; Markus Meissner for the DiCre strain; and Gail Eskes for naming CLAMP.

This work would not have been possible without EupathDB, and we thank all

members of the community who have worked to generate this resource.

This work was supported by NIGMS Center for Integrative Synthetic Biology

Grant P50GM098792, NIH National Research Service Award F31 CA189437

to T.W., NIH Research Project Grant R01AI46675 to V.B.C., and the NIH

Director’s New Innovator Award 1DP2OD007124 to J.C.N. and Early Indepen-

dence Award 1DP5OD017892 to S.L.

Received: May 19, 2016

Revised: July 25, 2016

Accepted: August 5, 2016

Published: September 1, 2016

REFERENCES

Achbarou, A., Mercereau-Puijalon, O., Autheman, J.M., Fortier, B., Camus, D.,

and Dubremetz, J.F. (1991). Characterization of microneme proteins of

Toxoplasma gondii. Mol. Biochem. Parasitol. 47, 223–233.

Bargieri, D., Lagal, V., Andenmatten, N., Tardieux, I., Meissner, M., and Me´-

nard, R. (2014). Host cell invasion by apicomplexan parasites: the junction

conundrum. PLoS Pathog. 10, e1004273.

Bastin, P., Bagherzadeh, Z., Matthews, K.R., and Gull, K. (1996). A novel

epitope tag system to study protein targeting and organelle biogenesis in

Trypanosoma brucei. Mol. Biochem. Parasitol. 77, 235–239.

Bullen, H.E., Jia, Y., Yamaryo-Botte´, Y., Bisio, H., Zhang, O., Jemelin, N.K.,

Marq, J.-B., Carruthers, V., Botte´, C.Y., and Soldati-Favre, D. (2016).

Phosphatidic Acid-Mediated Signaling Regulates Microneme Secretion in

Toxoplasma. Cell Host Microbe 19, 349–360.

Burg, J.L., Perelman, D., Kasper, L.H., Ware, P.L., and Boothroyd, J.C. (1988).

Molecular analysis of the gene encoding the major surface antigen of

Toxoplasma gondii. J. Immunol. 141, 3584–3591.

Cell 167, 1–13, September 22, 2016 11

CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019



Carruthers, V.B., and Sibley, L.D. (1999). Mobilization of intracellular calcium

stimulates microneme discharge in Toxoplasma gondii. Mol. Microbiol. 31,

421–428.

Carruthers, V.B., Moreno, S.N., and Sibley, L.D. (1999). Ethanol and acetalde-

hyde elevate intracellular [Ca2+] and stimulate microneme discharge in Toxo-

plasma gondii. Biochem. J. 342, 379–386.

Checkley, W., White, A.C., Jr., Jaganath, D., Arrowood, M.J., Chalmers, R.M.,

Chen, X.-M., Fayer, R., Griffiths, J.K., Guerrant, R.L., Hedstrom, L., et al.

(2015). A review of the global burden, novel diagnostics, therapeutics, and

vaccine targets for cryptosporidium. Lancet Infect. Dis. 15, 85–94.

Chen, F., Mackey, A.J., Stoeckert, C.J., Jr., and Roos, D.S. (2006). OrthoMCL-

DB: querying a comprehensive multi-species collection of ortholog groups.

Nucleic Acids Res. 34, D363–D368.

Crabb, B.S., de Koning-Ward, T.F., and Gilson, P.R. (2011). Toward forward

genetic screens in malaria-causing parasites using the piggyBac transposon.

BMC Biol. 9, 21.

Croken, M.M., Qiu, W., White, M.W., and Kim, K. (2014). Gene Set Enrichment

Analysis (GSEA) of Toxoplasma gondii expression datasets links cell cycle pro-

gression and the bradyzoite developmental program. BMC Genomics 15, 515.

Dobrowolski, J.M., Carruthers, V.B., and Sibley, L.D. (1997). Participation of

myosin in gliding motility and host cell invasion by Toxoplasma gondii. Mol.

Microbiol. 26, 163–173.

Dobson, L., Reme´nyi, I., and Tusna´dy, G.E. (2015). CCTOP: a Consensus Con-

strained TOPology prediction web server. Nucleic Acids Res. 43 (W1), W408–

W412.

Donald, R.G., and Roos, D.S. (1993). Stable molecular transformation of Toxo-



plasma gondii: a selectable dihydrofolate reductase-thymidylate synthase

marker based on drug-resistance mutations in malaria. Proc. Natl. Acad.

Sci. USA 90, 11703–11707.

Donald, R.G., and Roos, D.S. (1995). Insertional mutagenesis and marker

rescue in a protozoan parasite: cloning of the uracil phosphoribosyltransferase

locus from Toxoplasma gondii. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 5749–5753.

Farrell, A., Coleman, B.I., Benenati, B., Brown, K.M., Blader, I.J., Marth, G.T.,

and Gubbels, M.-J. (2014). Whole genome profiling of spontaneous and chem-

ically induced mutations in Toxoplasma gondii. BMC Genomics 15, 354.

Flannery, E.L., Fidock, D.A., and Winzeler, E.A. (2013). Using genetic methods

to define the targets of compounds with antimalarial activity. J. Med. Chem.

56, 7761–7771.

Fre´nal, K., Marq, J.-B., Jacot, D., Polonais, V., and Soldati-Favre, D. (2014).

Plasticity between MyoC- and MyoA-glideosomes: an example of functional

compensation in Toxoplasma gondii invasion. PLoS Pathog. 10, e1004504.

Ganesan, S.M., Falla, A., Goldfless, S.J., Nasamu, A.S., and Niles, J.C. (2016).

Synthetic RNA-protein modules integrated with native translation mechanisms

to control gene expression in malaria parasites. Nat. Commun. 7, 10727.

Garcia-Re´guet, N., Lebrun, M., Fourmaux, M.N., Mercereau-Puijalon, O.,

Mann, T., Beckers, C.J., Samyn, B., Van Beeumen, J., Bout, D., and Dubre-

metz, J.F. (2000). The microneme protein MIC3 of Toxoplasma gondii is a

secretory adhesin that binds to both the surface of the host cells and the sur-

face of the parasite. Cell. Microbiol. 2, 353–364.

Goldman, N., and Yang, Z. (1994). A codon-based model of nucleotide substi-

tution for protein-coding DNA sequences. Mol. Biol. Evol. 11, 725–736.

Gomes, A.R., Bushell, E., Schwach, F., Girling, G., Anar, B., Quail, M.A., Herd, C.,

Pfander, C., Modrzynska, K., Rayner, J.C., and Billker, O. (2015). A genome-

scale vector resource enables high-throughput reverse genetic screening in a

malaria parasite. Cell Host Microbe 17, 404–413.

Hu, K., Roos, D.S., Angel, S.O., and Murray, J.M. (2004). Variability and herita-

bility of cell division pathways in Toxoplasma gondii. J. Cell Sci. 117, 5697–

5705.

Huynh, M.-H., and Carruthers, V.B. (2009). Tagging of endogenous genes in a



Toxoplasma gondii strain lacking Ku80. Eukaryot. Cell 8, 530–539.

Ingram, J.R., Knockenhauer, K.E., Markus, B.M., Mandelbaum, J., Ramek, A.,

Shan, Y., Shaw, D.E., Schwartz, T.U., Ploegh, H.L., and Lourido, S. (2015).

Allosteric activation of apicomplexan calcium-dependent protein kinases.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, E4975–E4984.

Jiang, W., Brueggeman, A.J., Horken, K.M., Plucinak, T.M., and Weeks, D.P.

(2014). Successful transient expression of Cas9 and single guide RNA genes

in Chlamydomonas reinhardtii. Eukaryot. Cell 13, 1465–1469.

Jordan, I.K., Rogozin, I.B., Wolf, Y.I., and Koonin, E.V. (2002). Essential genes

are more evolutionarily conserved than are nonessential genes in bacteria.

Genome Res. 12, 962–968.

Kafsack, B.F.C., Pena, J.D.O., Coppens, I., Ravindran, S., Boothroyd, J.C.,

and Carruthers, V.B. (2009). Rapid membrane disruption by a perforin-like pro-

tein facilitates parasite exit from host cells. Science 323, 530–533.

Kelley, L.A., Mezulis, S., Yates, C.M., Wass, M.N., and Sternberg, M.J.E.

(2015). The Phyre2 web portal for protein modeling, prediction and analysis.

Nat. Protoc. 10, 845–858.

Kessler, H., Herm-Go¨tz, A., Hegge, S., Rauch, M., Soldati-Favre, D., Frisch-

knecht, F., and Meissner, M. (2008). Microneme protein 8–a new essential in-

vasion factor in Toxoplasma gondii. J. Cell Sci. 121, 947–956.

Kim, K., and Boothroyd, J.C. (1995). Toxoplasma gondii: stable complementa-

tion of sag1 (p30) mutants using SAG1 transfection and fluorescence-acti-

vated cell sorting. Exp. Parasitol. 80, 46–53.

Koike-Yusa, H., Li, Y., Tan, E.-P., Velasco-Herrera, Mdel.C., and Yusa, K.

(2014). Genome-wide recessive genetic screening in mammalian cells with a

lentiviral CRISPR-guide RNA library. Nat. Biotechnol. 32, 267–273.

Krause, G., Winkler, L., Mueller, S.L., Haseloff, R.F., Piontek, J., and Blasig, I.E.

(2008). Structure and function of claudins. Biochimica Et Biophysica Acta

(BBA) -. Biomembranes 1778, 631–645.

Kremer, K., Kamin, D., Rittweger, E., Wilkes, J., Flammer, H., Mahler, S., Heng,

J., Tonkin, C.J., Langsley, G., Hell, S.W., et al. (2013). An overexpression

screen of Toxoplasma gondii Rab-GTPases reveals distinct transport routes

to the micronemes. PLoS Pathog. 9, e1003213–e1003216.

Lamarque, M.H., Roques, M., Kong-Hap, M., Tonkin, M.L., Rugarabamu, G.,

Marq, J.-B., Penarete-Vargas, D.M., Boulanger, M.J., Soldati-Favre, D., and

Lebrun, M. (2014). Plasticity and redundancy among AMA-RON pairs ensure

host cell entry of Toxoplasma parasites. Nat. Commun. 5, 4098.

Larkin, M.A., Blackshields, G., Brown, N.P., Chenna, R., McGettigan, P.A.,

McWilliam, H., Valentin, F., Wallace, I.M., Wilm, A., Lopez, R., et al. (2007).

Clustal W and Clustal X version 2.0. Bioinformatics 23, 2947–2948.

Levine, N.D. (1988). The Protozoan Phylum Apicomplexa, Volume I (CRC

Press, Inc.).

Liu, G., Yong, M.Y.J., Yurieva, M., Srinivasan, K.G., Liu, J., Lim, J.S.Y., Poi-

dinger, M., Wright, G.D., Zolezzi, F., Choi, H., et al. (2015). Gene essentiality

is a quantitative property linked to cellular evolvability. Cell 163, 1388–1399.

Lorenzi, H., Khan, A., Behnke, M.S., Namasivayam, S., Swapna, L.S., Hadji-

thomas, M., Karamycheva, S., Pinney, D., Brunk, B.P., Ajioka, J.W., et al.

(2016). Local admixture of amplified and diversified secreted pathogenesis de-

terminants shapes mosaic Toxoplasma gondii genomes. Nat. Commun. 7,

10147.


Lourido, S., Shuman, J., Zhang, C., Shokat, K.M., Hui, R., and Sibley, L.D.

(2010). Calcium-dependent protein kinase 1 is an essential regulator of exocy-

tosis in Toxoplasma. Nature 465, 359–362.

Lourido, S., Tang, K., and Sibley, L.D. (2012). Distinct signalling pathways con-

trol Toxoplasma egress and host-cell invasion. EMBO J. 31, 4524–4534.

Ma, C., Tran, J., Li, C., Ganesan, L., Wood, D., and Morrissette, N. (2008). Sec-

ondary mutations correct fitness defects in Toxoplasma gondii with dinitroani-

line resistance mutations. Genetics 180, 845–856.

MacRae, J.I., Sheiner, L., Nahid, A., Tonkin, C., Striepen, B., and McConville,

M.J. (2012). Mitochondrial metabolism of glucose and glutamine is required for

intracellular growth of Toxoplasma gondii. Cell Host Microbe 12, 682–692.

Maier, A.G., Rug, M., O’Neill, M.T., Brown, M., Chakravorty, S., Szestak, T.,

Chesson, J., Wu, Y., Hughes, K., Coppel, R.L., et al. (2008). Exported proteins

required for virulence and rigidity of Plasmodium falciparum-infected human

erythrocytes. Cell 134, 48–61.

12 Cell 167, 1–13, September 22, 2016

CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019



Meier, A., and So¨ding, J. (2015). Automatic prediction of protein 3D structures

by probabilistic multi-template homology modeling. PLoS Comput. Biol. 11,

e1004343.

Meissner, M., Schlu¨ter, D., and Soldati, D. (2002). Role of Toxoplasma gondii

myosin A in powering parasite gliding and host cell invasion. Science 298,

837–840.


Pappas, G., Roussos, N., and Falagas, M.E. (2009). Toxoplasmosis snap-

shots: global status of Toxoplasma gondii seroprevalence and implications

for pregnancy and congenital toxoplasmosis. Int. J. Parasitol. 39, 1385–1394.

Peng, D., Kurup, S.P., Yao, P.Y., Minning, T.A., and Tarleton, R.L. (2014).

CRISPR-Cas9-mediated single-gene and gene family disruption in Trypano-

soma cruzi. MBio 6, e02097-14.

Pieperhoff, M.S., Pall, G.S., Jime´nez-Ruiz, E., Das, S., Melatti, C., Gow, M.,

Wong, E.H., Heng, J., Mu¨ller, S., Blackman, M.J., and Meissner, M. (2015).

Conditional U1 gene silencing in Toxoplasma gondii. PLoS ONE 10, e0130356.

Saeij, J.P.J., Boyle, J.P., Coller, S., Taylor, S., Sibley, L.D., Brooke-Powell,

E.T., Ajioka, J.W., and Boothroyd, J.C. (2006). Polymorphic secreted kinases

are key virulence factors in toxoplasmosis. Science 314, 1780–1783.

Sander, J.D., and Joung, J.K. (2014). CRISPR-Cas systems for editing, regu-

lating and targeting genomes. Nat. Biotechnol. 32, 347–355.

Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch,

T., Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S., Schmid, B., et al. (2012). Fiji: an

open-source platform for biological-image analysis. Nat. Methods 9, 676–682.

Seeber, F., and Soldati-Favre, D. (2010). Metabolic Pathways in the Apicoplast

of Apicomplexa (Elsevier), pp. 161–228.

Seeber, F., Limenitakis, J., and Soldati-Favre, D. (2008). Apicomplexan mito-

chondrial metabolism: a story of gains, losses and retentions. Trends Parasitol.

24, 468–478.

Shalem, O., Sanjana, N.E., Hartenian, E., Shi, X., Scott, D.A., Mikkelsen, T.S.,

Heckl, D., Ebert, B.L., Root, D.E., Doench, J.G., and Zhang, F. (2014).

Genome-scale CRISPR-Cas9 knockout screening in human cells. Science



343, 84–87.

Sheiner, L., Demerly, J.L., Poulsen, N., Beatty, W.L., Lucas, O., Behnke, M.S.,

White, M.W., and Striepen, B. (2011). A systematic screen to discover and

analyze apicoplast proteins identifies a conserved and essential protein import

factor. PLoS Pathog. 7, e1002392.

Shen, B., Brown, K.M., Lee, T.D., and Sibley, L.D. (2014). Efficient gene disrup-

tion in diverse strains of Toxoplasma gondii using CRISPR/CAS9. MBio 5,

e01114-14.

Sidik, S.M., Hackett, C.G., Tran, F., Westwood, N.J., and Lourido, S. (2014).

Efficient genome engineering of Toxoplasma gondii using CRISPR/Cas9.

PLoS ONE 9, e100450.

Simske, J.S. (2013). Claudins reign: the claudin/EMP/PMP22/g channel pro-

tein family in C. elegans. Tissue Barriers 1, e25502.

Soldati, D., and Boothroyd, J.C. (1993). Transient transfection and expression

in the obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii. Science 260, 349–352.

Subramanian, A., Tamayo, P., Mootha, V.K., Mukherjee, S., Ebert, B.L., Gil-

lette, M.A., Paulovich, A., Pomeroy, S.L., Golub, T.R., Lander, E.S., and Me-

sirov, J.P. (2005). Gene set enrichment analysis: a knowledge-based approach

for interpreting genome-wide expression profiles. Proc. Natl. Acad. Sci. USA

102, 15545–15550.

Taylor, S., Barragan, A., Su, C., Fux, B., Fentress, S.J., Tang, K., Beatty, W.L.,

Hajj, H.E., Jerome, M., Behnke, M.S., et al. (2006). A secreted serine-threonine

kinase determines virulence in the eukaryotic pathogen Toxoplasma gondii.

Science 314, 1776–1780.

Treeck, M., Zacherl, S., Herrmann, S., Cabrera, A., Kono, M., Struck, N.S., En-

gelberg, K., Haase, S., Frischknecht, F., Miura, K., et al. (2009). Functional

analysis of the leading malaria vaccine candidate AMA-1 reveals an essential

role for the cytoplasmic domain in the invasion process. PLoS Pathog. 5,

e1000322.

Wang, T., Wei, J.J., Sabatini, D.M., and Lander, E.S. (2014). Genetic screens in

human cells using the CRISPR-Cas9 system. Science 343, 80–84.

Wang, T., Birsoy, K., Hughes, N.W., Krupczak, K.M., Post, Y., Wei, J.J.,

Lander, E.S., and Sabatini, D.M. (2015). Identification and characterization of

essential genes in the human genome. Science 350, 1096–1101.

Wellems, T.E., Walker-Jonah, A., and Panton, L.J. (1991). Genetic mapping of

the chloroquine-resistance locus on Plasmodium falciparum chromosome 7.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88, 3382–3386.

Winzeler, E.A., Shoemaker, D.D., Astromoff, A., Liang, H., Anderson, K., An-

dre, B., Bangham, R., Benito, R., Boeke, J.D., Bussey, H., et al. (1999). Func-

tional characterization of the S. cerevisiae genome by gene deletion and par-

allel analysis. Science 285, 901–906.

World Health Organization (2014). World Malaria Report.

http://www.who.int/

malaria/publications/world_malaria_report_2014/en/

.

Cell 167, 1–13, September 22, 2016 13



CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019



STAR+METHODS

KEY RESOURCES TABLE

REAGENT or RESOURCE

SOURCE


IDENTIFIER

Antibodies

Mouse monoclonal anti-SAG1 (clone DG52)

(

Burg et al., 1988



)

N/A


Mouse monoclonal anti-TUB1 (clone 12G10)

Developmental Studies Hybridoma Bank at the

University of Iowa

RRID: AB_1157911

Mouse monoclonal anti-MIC2 (clone 6D10)

(

Achbarou et al., 1991



)

N/A


Mouse monoclonal anti-Ty1 (clone BB2)

(

Bastin et al., 1996



)

N/A


Mouse monoclonal anti-FLAG (clone M2)

Sigma-Aldrich

Cat#F3165

Mouse monoclonal anti-HA (clone 16B12)

BioLegend

Cat#901501

Alpaca nanobody anti-CDPK1(clone 1B7)

(

Ingram et al., 2015



)

N/A


Rabbit polyclonal anti-MyoA

(

Fre´nal et al., 2014



)

N/A


Rabbit polyclonal anti-PLP1

(

Kafsack et al., 2009



)

N/A


Rabbit polyclonal anti-ACT1

(

Dobrowolski et al., 1997



)

N/A


Goat anti-Mouse IgG (H+L) Secondary

Antibody, DyLight 488 conjugate

Thermo Fisher

Cat#35502

Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary

Antibody, DyLight 594 conjugate

Thermo Fisher

Cat#35560

Pacific Blue Antibody Labeling Kit

Thermo Fisher

Cat#P30013

Alexa Fluor 594 Antibody Labeling Kit

Thermo Fisher

Cat#A20185

Chemicals, Peptides, and Recombinant Proteins

Pyrimethamine

Sigma-Aldrich

Cat#46706

Mycophenolic Acid

Sigma-Aldrich

Cat#M3536

Xanthine


Sigma-Aldrich

Cat#X4002

Gentamicin

Thermo Fisher

Cat#15710072

5-Fluoro-2

0

-deoxyuridine (FUDR)



Sigma-Aldrich

Cat#F0503

Rapamycin

EMD Millipore

Cat#553210

A23187


EMD Millipore

Cat#100105

Zaprinast

EMD Millipore

Cat#684500

Blasticidin S

Sigma-Aldrich

Cat#15205

WR99210

Sigma Aldrich



Cat#W1770

Anhydrotetracycline

Takara-Clontech

Cat#631310

SYBR Green I

Thermo Fisher

Cat#S7563

Ampicillin

Sigma-Aldrich

Cat#A0166

Critical Commercial Assays

QuikChange Multi-Site Directed

Mutagenesis Kit

Agilent Technologies

Cat#200514

Gibson Assembly Cloning Kit

New England Biolabs

Cat#E5510S

NucleoBond Xtra Midi

Macherey Nagel

Cat#740412.50

DNeasy Blood & Tissue Kit

QIAGEN

Cat#69506



RNeasy Plus Kit

QIAGEN


Cat#73404

ProtoScript First Strand cDNA Synthesis Kit

New England Biolabs

Cat#E6300S

Surveyor Mutation Detection Kit

Integrated DNA Technologies

Cat#706020

Deposited Data



T. gondii strain GT1 genome, release 28

ToxoDB


http://toxodb.org/toxo/

Ortholog Groups of Protein Sequences,

version 5

OrthoMCL DB

http://orthomcl.org/orthomcl/

(Continued on next page)

e1 Cell 167, 1–13.e1–e7, September 22, 2016

CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019


CONTACT FOR REAGENT AND RESOURCE SHARING

Further information and requests for reagents may be directed to, and will be fulfilled by the corresponding author Sebastian Lourido

(

lourido@wi.mit.edu



).

EXPERIMENTAL MODEL AND SUBJECT DETAILS



T. gondii tachyzoites from the strain RH and derived strains were maintained at 37



C with 5% CO



2

growing in human foreskin fibro-

blasts (HFFs) cultured in DMEM supplemented with 10% heat-inactivated fetal bovine serum and 10 mg/ml gentamicin. When appro-

priate, chloramphenicol was used at 40 mM and pyrimethamine at 3 mM (1.5 mM for plaque assays).

Continued

REAGENT or RESOURCE

SOURCE

IDENTIFIER



Experimental Models: Cell Lines

Human Foreskin Fibroblasts (HFFs)

ATCC

SCRC-1041



Human Erythrocytes

Research Blood Components, LLC

N/A

Experimental Models: Organisms/Strains



T. gondii: strain RH

ATCC


50838

T. gondii: strain RH/Cas9

This paper

N/A

T. gondii: strain RH/DKU80/DHXGPRT

ATCC


PRA-319

T. gondii: strain RH/DKU80/DRAB4

This paper

N/A

T. gondii: strain TATi/DKU80

(

Sheiner et al., 2011



)

N/A


T. gondii: strain RH/Cas9/H2B-YFP

This paper

N/A

T. gondii: strain DiCre/DKU80/KillerRed

flox


-YFP

(

Pieperhoff et al., 2015



)

N/A


T. gondii: strain DiCre/CLAMP cKD

This paper

N/A

P. falciparum: strain NF54

attB


Laboratory of David A. Fidock

N/A


P. falciparum: strain PfCLAMP cKD

This paper

N/A

Recombinant DNA



pU6-Universal

Addgene


Cat#52694

pCas9/decoy

This paper

N/A


pH2B-YFP/decoy

This paper

N/A

pU6-DHFR


This paper; Addgene

Cat#80329

pLIC-HA-FLAG-(3

0

UTR



SAG1

-pDHFR-HXGPRT-

5

0

UTR



DHFR

)

flox



-4xU1

(

Pieperhoff et al., 2015



)

N/A


pPfCLAMP-cKD/TetR-DOZI

(

Ganesan et al., 2016



)

N/A


pU6[sgSAG1]-DHFR

This paper; Addgene

Cat#80322

pU6-Decoy

This paper; Addgene

Cat#80324

pCas9/CAT

This paper; Addgene

Cat#80323

Genome-wide sgRNA library

Addgene

Cat#80636



Sequence-Based Reagents

All primers and oligonucleotides are listed

in

Table S2


This paper

N/A


Software and Algorithms

ClustalW


(

Larkin et al., 2007

)

http://www.clustal.org/clustal2/



Bioperl, version 1.5.2

BioPerl


http://bioperl.org/

R, version 3.2.3

R Foundation for Statistical Computing

https://www.R-project.org/

Prism, version 6.0

GraphPad


http://www.graphpad.com

FIJI running ImageJ, version 2.0

(

Schindelin et al., 2012



)

http://imagej.net/Welcome

sgRNA library design scripts

(

Wang et al., 2014



)

N/A


Screen analysis scripts

This paper

N/A

Other


Genome-wide screening data

This paper

Table S3

Cell 167, 1–13.e1–e7, September 22, 2016 e2

CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019



P. falciparum parasites of the strain NF54

attB


(kindly provided by David Fidock) and the derived strain were grown in human eryth-

rocytes (Research Blood Components) at 5% hematocrit under 5% O

2

and 5% CO



2

in RPMI 1640 media supplemented with 5 mg/ml

Albumax II (Life Technologies), 2 mg/ml NaHCO

3

, 25 mM HEPES (pH 7.4), 1 mM hypoxanthine and 50 mg/ml gentamicin.



METHOD DETAILS

Plasmid Design and Construction

To construct pCas9/CAT, the chloramphenicol acetyltransferase (CAT) gene, under the TUB1 promoter and SAG1 3

0

UTR (



Soldati

and Boothroyd, 1993

), was amplified using primers P1 and P2 (see

Table S2


for a complete list of primers and oligonucleotides),

and ligated into the PciI and XbaI sites of pU6-Universal (Addgene, #52694). To generate pCas9/decoy, oligonucleotides P3 and

P4 were hybridized and cloned into the BsaI sites of pU6-Universal. H2B-YFP (

Hu et al., 2004

) was excised with NsiI and NotI,

and used to replace Cas9 in pCas9/decoy by ligating the fragment into the same restriction sites to generate pH2B-YFP/decoy.

The plasmid for sgRNA expression was constructed by amplifying the pyrimethamine-resistance cassette (

Donald and Roos,

1993

) with primers P5 and P6, and cloning it into the NsiI and SbfI sites of pU6-Universal. Three BsaI sites in DHFR were eliminated



using the QuikChange multi-site directed mutagenesis kit (Agilent Technologies) with primers P7, P8, and P9 resulting in the plasmid

pU6-DHFR. The SAG1 protospacer, encoded by primers P10 and P11, was cloned into pU6-DHFR as described above for the decoy

protospacer. Guides for gene disruption (P14–P63) and ICAP tagging (P80–P113) were synthesized for Gibson Assembly (New En-

gland Biolabs) into pU6-DHFR or pU6-Universal, respectively. Such guides and their reverse complements were hybridized, and

Gibson cloned into their respective vectors linearized with BsaI. Guides to knock out RAB4 were similarly generated by cloning

sgRNAs against the 5

0

(P160 and P161) and 3



0

(P162 and P163) ends of the coding sequence into pU6-Universal.

For C-terminal HA-FLAG epitope tagging and U1 mediated knockdown, a 3

0

flank of the CLAMP gene, upstream of the stop codon,



was amplified by PCR with primers P148 and P149 and inserted into pLIC-HA-FLAG-(3

0

UTR



SAG1

-pDHFR-HXGPRT-5

0

UTR


DHFR

)

flox



-

4xU1 (


Pieperhoff et al., 2015

) by ligation-independent cloning (

Huynh and Carruthers, 2009

) to generate pCLAMP-U1.

The plasmid for conditional knockdown of CLAMP in P. falciparum was generated by amplifying the 5

0

and 3



0

homology regions

from the CLAMP locus using primers P152–P155. P155 included an sgRNA targeting the 3

0

end of the CLAMP locus, placed under



the regulation of the T7 promoter in the final construct. The fragments were cloned by Gibson assembly into the plasmid containing

the aptamers, and the Renilla luciferase-blasticidin deaminase fusion separated from the TetR-DOZI fusion by a T2A self-cleaving

peptide, to generate pPfCLAMP-cKD/TetR-DOZI (

Ganesan et al., 2016

).

Library Design and Construction



Ten guides were designed against each gene in the 14 annotated chromosomes of the T. gondii GT1 genome (release 28,

ToxoDB.


org

), according to published guidelines (

Wang et al., 2014

). Briefly, selection of sgRNAs was weighted based on targeting of exons,

number of potential off-target sequences, and overlap between sgRNAs for a given gene. A ‘G’ was prepended to any sgRNAs that

did not start with one to ensure proper RNA polymerase III initiation. Guides against DHFR and HXGPRT were removed from the li-

brary to preclude interference with drug-resistance markers. The guide library was synthesized by CustomArray, and includes guides

flanked by sequences for Gibson Assembly into pU6-DHFR. The sgRNA library was amplified using primers P12 and P13, and Gibson

cloned into pU6-DHFR linearized with BsaI. Assembled constructs were transformed into Mega-X DH10B electrocompetent Escher-

ichia coli (Life Technologies), allowed to recover for 1 hr, and grown overnight with 100 mg/ml ampicillin, prior to large-scale plasmid

isolation (Macherey Nagel) or frozen storage. Cloning and electroporation efficiencies were monitored to ensure proper library

coverage.

T. gondii Strain Generation

All transfections were performed as described previously with a square-wave electroporator (

Sidik et al., 2014

). RH/Cas9 and RH/

Cas9/H2B-YFP were generated by co-transfecting RH with 50 mg each of pCas9/CAT and pCas9/decoy, or pH2B-YFP/decoy

and pCas9/CAT, respectively. Stable transgenic strains were selected with 40 mM chloramphenicol. Single clones were isolated

by limiting dilution and screened for the presence of Cas9 using immunofluorescence and immunoblotting against the triple-

FLAG tag. The decoy protospacer was amplified by PCR from RH/Cas9 genomic DNA using primers P64 and P65, and confirmed

by sequencing.

To generate the RAB4 knockout, the pyrimethamine-resistance cassette was amplified from pU6-DHFR with primers P164 and

P165 to contain homology regions to replace the entire open reading frame. The amplicon was cotransfected along with two

pU6-Universal plasmids carrying guides against the 5

0

and 3



0

end of the coding sequence into RH/DKU80 parasites (

Huynh and Car-

ruthers, 2009

). Stable transformants were selected for with pyrimethamine and clones were isolated by limiting dilution. Correct inte-

gration of the pyrimethamine-resistance cassette into the RAB4 locus was confirmed using P166 and P169 to amplify the 5

0

junction,



and P167 and P168 to amplify 3

0

junction. Deletion of the RAB4 locus was assessed using P170 and P171 to amplify a portion of the



open reading frame. Fitness of the RAB4 knockout was determined by plaque assay, as described below.

To generate the CLAMP conditional knockdown (DiCre/CLAMP), 25 mg of pCLAMP-U1 were linearized with MfeI for efficient ho-

mologous recombination and transfected into DiCre/Dku80/KillerRed

flox

-YFP (DiCre) (

Pieperhoff et al., 2015

). Following selection

with 25 mg/ml mycophenolic acid and 50 mg/ml xanthine, individual clones were obtained by limiting dilution.

e3 Cell 167, 1–13.e1–e7, September 22, 2016

CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019


Pooled CRISPR Screens

For each biological replicate, 400 mg of the sgRNA library were linearized with AseI, dialyzed against water, and transfected into

approximately 4

3 10


8

RH or RH/Cas9 parasites divided between 8 separate cuvettes. Transfections were used to infect 8 T-175

flasks with confluent HFF monolayers, and pyrimethamine was added 24 hr later. The parasites were allowed to egress naturally

from host cells two days after infection, isolated by filtration, and 1.5

3 10

8

parasites were passaged onto 8 T-175 flasks with



fresh monolayers. The remaining parasites (

$10


7

) were pelleted and stored at

À80



C for analysis. This process was repeated



again 5 days and 7 days post-transfection. For the drug-resistance screens, 5 mM 5-fluorodeoxyuridine (FUDR; Sigma) was

added to 1.2

3 10

7

parasites collected on day 7 post transfection, and parasites were cultured until their first lysis. Untreated



mutant pools were maintained in parallel for the duration of FUDR selection. Parasite DNA was extracted using the DNeasy

Blood and Tissue kit (QIAGEN) and integrated sgRNA constructs were amplified using a nested PCR with primers P74 and

P75 followed by P76 and P77. The resulting libraries were sequenced on a HiSeq 2500 (Illumina) with single-end reads using

primers P150 and P151.

RT-PCR

RAB4 expression was assessed in both the parental and DRAB4 strains by RT-PCR. Total RNA was prepared from isolated parasites

using the RNeasy Plus Kit (QIAGEN). The ProtoScript First Strand cDNA Synthesis Kit (New England Biolabs) was used to prepare

cDNA, and reverse transcriptase (RT) was excluded from the control reactions. PCR was performed on the cDNA samples with

primers specific for RAB4 (P174 and P175) or the ACT1 control (P172 and P173).

Functional Analysis of ICAPs and Controls

1.25


3 10

7

RH/Cas9 or RH/Cas9/H2B-YFP parasites were transfected with 50–100 mg of pU6-DHFR containing guides against



different ICAPs or controls. If aiming for integration, plasmids were linearized with AseI and dialyzed against water prior to transfec-

tion. Transfected parasites were seeded on HFFs at a MOI of 10, and pyrimethamine was added 24 hr after transfection. Parasites

transected with sgSAG1 were allowed to egress from host cells two days after transfection, and used to infect host cells seeded on

coverslips. SAG1 loss was quantified by immunofluorescence 24 hr after infecting coverslips, which was equivalent to three days

after transfection.

To screen for ICAPs that participate in invasion, parasites were released from host cells 24 hr after transfection by passage through

a 27.5-gauge needle, and used to infect fresh monolayers, thus extending the time allowed for protein depletion. To test invasion,

freshly lysed parasites were suspended in invasion media (DMEM supplemented with 1% FBS, 20 mM HEPES [pH 7.4]). 2

3 10

5

parasites per well were added to confluent HFF monolayers grown in 96-well plates and centrifuged at 290



for 5 min. Invasion

was allowed to proceed for 10 min at 37



C, before the monolayers were fixed in 4% formaldehyde for 20 min on ice. Extracellular



parasites were stained using mouse-anti-SAG1 (

Burg et al., 1988

) conjugated to Alexa-Fluor-594 (Life Technologies), and host

cell nuclei were stained using Hoechst (Santa Cruz). Images were acquired using a Cytation 3 imager (BioTek), and analyzed using

custom FIJI (

Schindelin et al., 2012

) macros to count the number of parasites and host-cell nuclei.

ICAP Tagging

CRISPR-mediated C-terminal Ty tagging was performed as previously described (

Sidik et al., 2014

). 30 mg of a repair oligonucleotide

containing an in-frame Ty epitope (

Bastin et al., 1996

) flanked by homology regions to the C terminus of each gene (P114–P147) were

co-transfected with 100 mg of pU6-Universal carrying the appropriate sgRNA into TATi/DKU80 parasites (

Sheiner et al., 2011

). Trans-

fected parasites were cultured until their first lysis and used to infect confluent HFF monolayers grown on coverslips. Localization of

the Ty-tagged ICAPs was determined 24 post infection by immunofluorescence microscopy.

C-terminal tagging of CLAMP with mNeonGreen, was accomplished by amplifying the fluorescent protein coding sequence with

primers P78 and P79 from a template plasmid (kindly provided by Ke Hu). 30 mg of the resulting product were co-transfected into

TATi/DKU80 parasites along with 100 mg of pU6-Universal carrying an sgRNA against the C-terminal sequence of the endogenous

CLAMP locus. Fluorescent parasites were isolated by FACS two days post transfection, and cloned by limiting dilution. Correct inte-

gration of mNeonGreen into the CLAMP locus was confirmed by sequencing.

CLAMP Phylogeny and Topology Predictions

CLAMP homologs were readily identified by BLAST searches against all sequenced apicomplexan genomes (

EupathDB.org

).

Sequences were curated for Babesia and Theileria spp. to correct errors in the gene models. Alignment was performed using



ClustalW (

Larkin et al., 2007

) and the phylogenetic tree was generated by neighbor-joining excluding positions with gaps. Boot-

strap values were calculated for 10,000 trials. A hidden Markov model-based search was performed for the alignment using

HHpred (

Meier and So¨ding, 2015

). Significant structural similarity was found between CLAMP and Claudin-19 (p = 4.1

3

10



À9

), Claudin-15 (p = 7.3

3 10

À9

), and the voltage-gated calcium channel g subunit 15 (p = 10



À10

), which all belong to the

same tetraspan family (

Simske, 2013

). Structural similarity between CLAMP and Claudin-19 (95% confidence) was also found

using Phyre2 (

Kelley et al., 2015

). Topology prediction was performed against several representative orthologs with CCTOP

(

Dobson et al., 2015



) and in all cases arrived at the same prediction of four transmembrane domains with cytoplasmic N and

C termini (

Figure S4

).

Cell 167, 1–13.e1–e7, September 22, 2016 e4



CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019



CLAMP Conditional Knockdown

DiCre/CLAMP parasites were treated with 50 nM rapamycin or vehicle control for 2 hr, then cultured for 48 hr before phenotypic anal-

ysis by immunoblot, plaque formation, MIC2 secretion, or invasion assay.

Immunofluorescence Microscopy and Immunoblotting

Mouse monoclonal antibodies were used to detect SAG1 (clone DG52;

Burg et al., 1988

), TUB1 (clone 12G10, Developmental

Studies Hybridoma Bank at the University of Iowa), MIC2 (clone 6D10;

Achbarou et al., 1991

), Ty-tagged proteins (clone BB2;

Bastin

et al., 1996



), FLAG-tagged proteins (clone M2; Sigma-Aldrich), and HA-tagged proteins (clone 16B12; BioLegend). CDPK1 was de-

tected using the alpaca-derived nanobody 1B7 (

Ingram et al., 2015

). Rabbit polyclonal sera were used to detect MyoA (

Fre´nal et al.,

2014


), PLP1 (

Kafsack et al., 2009

) and ACT1 (

Dobrowolski et al., 1997

).

Prior to immunoblotting, DiCre and DiCre/CLAMP parasites were suspended in lysis buffer (137 mM NaCl, 10 mM MgCl



2

, 1% Triton

X-100, Halt protease inhibitors [Thermo Fisher], 20 mM HEPES [pH 7.5]). An equal volume of 2X Laemmli buffer (4% SDS, 20% glyc-

erol, 5% b-mercaptoethanol, 0.02% bromophenol blue, 120 mM Tris-HCl [pH 6.8]) was added, and the samples were heated to 37



C

for 10 min prior to separation of proteins by SDS-PAGE. After transferring separated proteins to nitrocellulose, the membrane was



incubated in stripping buffer (100 mM b-mercaptoethanol, 2% SDS, 62.5 mM Tris-HCl [pH 6.8]) for 15 min at 50



C, then washed twice



in TBS-T (20 mM Tris-HCl, 138 mM NaCl, 0.1% Tween-20 [pH 7.5]). Samples for all other blots were prepared similarly, but boiled

10 min prior to separation by SDS-PAGE, and membranes were not incubated in stripping buffer. b-mercaptoethanol was not

included when probing for SAG1.

Intracellular parasites were fixed with either methanol at 4



C for 2 min, or 4% formaldehyde for 10 min. Staining was performed with



the antibodies described above and detected with Alexa-Fluor-labeled secondary antibodies. Formaldehyde-fixed samples were

permeablized with 0.25% Triton X-100 in PBS for 8 min. Nuclei were stained with Hoechst (Santa Cruz) or DAPI (Life Technologies)

and coverslips were mounted in Prolong Diamond (Thermo Fisher). Images were acquired using an Eclipse Ti epifluorescence mi-

croscope (Nikon) using the NIS elements imaging software. FIJI was used for image analysis, and Adobe Photoshop for image

processing.

Surveyor Assays

Pools of mutant parasites were suspended in PBS containing 200 mg/ml Proteinase K (Sigma-Aldrich) and 1X Taq PCR Buffer (Sigma-

Aldrich) and heated to 37



C for 1 hr, 50





C for 2 hr, and 95



C for 15 min. Mutated regions were then amplified using primers for the



SAG1 locus (P66 and P67), the MyoA locus (P68 and P69), the PLP1 locus (P70 and P71) or the CDPK1 locus (P72 and P73). Surveyor

reactions were performed using a kit according to the manufacturer’s instructions (Integrated DNA Technologies).

Plaque Formation

4

3 10



6

RH/Cas9/H2B-YFP parasites were transfected with 50 mg of pU6-DHFR encoding guides against ICAPs or controls. 2,000

transfected parasites were added to HFF monolayers in 6-well plates. 1.5 mM pyrimethamine was added one day post-transfection.

Ten days post transfection, the monolayers were rinsed with PBS, fixed in 95% ethanol for 10 min and stained with crystal violet (2%

crystal violet, 0.8% ammonium oxalate, 20% ethanol) for 5 min. 500 parasites per well were used to analyze the effect of CLAMP or

RAB4 on plaque formation over the course of 8 days.

Microneme Secretion

Microneme secretion assays were performed as previously described (

Lourido et al., 2012

). 2


3 10

7

DiCre or DiCre/CLAMP parasites



were suspended in DMEM, then treated with 3% FBS with or without 1% ethanol for 10 min at 37



C, 5% CO



2

. Supernatants were

collected by centrifugation 10 min at 400 g, 4



C. Proteins were separated by SDS-PAGE, and secreted MIC2 was quantified and



normalized to MIC2 levels in total lysates measured by immunoblotting.

Egress Assays

4

3 10


6

DiCre or DiCre/CLAMP parasites were treated with 50 nM rapamycin or vehicle upon infection of HFF monolayers in 96-well

plates. Rapamycin was removed after two hours, and parasites were allowed to grow for 24–30 hr. Egress was induced with 1 mM

A23187 (EMD Millipore) for 10 min. Knockdown parasites in the rapamycin-treated samples were identified by expression of the YFP

reporter. The number of intact vacuoles before or after the induction of egress was quantified. Only YFP-expressing vacuoles were

counted for the rapamycin-treated samples.

Invasion Assays

DiCre and DiCre/CLAMP parasites were suspended in invasion media and 5

3 10

6

parasites were added per well of a 24-well plate



containing HFF monolayers seeded on coverslips. Invasion was allowed to proceed at 37



C with 5% CO



2

for 20 min. HFF cells and

parasites were fixed with 4% formaldehyde for 20 min on ice. Extracellular parasites were stained with Pacific Blue-conjugated anti-

SAG1 prior to permeabilization, and all parasites were stained with Alexa-Fluor-594-conjugated anti-SAG1 after permeabilization

with 0.25% Triton. The average number of host cells per field of view was obtained from coverslips prepared and processed in par-

allel and stained with Hoechst. The number of invaded parasites per fields were manually counted and normalized to the number of

e5 Cell 167, 1–13.e1–e7, September 22, 2016

CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019


host cells in the same area. CLAMP-mNeonGreen parasites were prepared similarly and allowed to invade for 30 min before being

fixed with 4% formaldehyde for 20 min on ice. Extracellular parasites were stained with Alexa-Fluor-594-conjugated anti-SAG1.

Video Microscopy

To capture egress, DiCre or DiCre/CLAMP parasites were prepared as described for the egress assays in glass-bottom 35 mm

dishes (MatTek). Parasites were stimulated to egress with 1 mM A23187 or 500 mM zaprinast, and recorded at 2–5 frames per second

for ten minutes, using an Eclipse Ti microscope (Nikon) with an enclosure heated to 37



C. The same setup was used to capture in-



vasion, with the exception that freshly lysed parasites were added directly to monolayers under observation.

P. falciparum Strain Generation and Analysis

The P. falciparum NF54

attB


strain (kindly provided by David Fidock) was modified to generate a strain NF54

Cas9+T7 Polymerase

, which

contained Cas9 and T7 RNA polymerase expression cassettes integrated into the attB site. Linearized pPfCLAMP-cKD/TetR-DOZI



was transfected into NF54

Cas9+T7 Polymerase

. 50 mg of plasmid were used per 200 ml packed red blood cells (RBCs), adjusted to 50%

hematocrit, and electroporated as previously described (

Ganesan et al., 2016

). Transfected parasites were selected with a combi-

nation of 2.5 mg/ml Blasticidin S and 2.5 nM WR99210 beginning 4 days after transfection. The PfCLAMP cKD strain was maintained

in 0.5 mM anhydrotetracycline (aTc). Correct integration of the construct was confirmed by PCR and sequencing using primer pairs

P156/P157 and P158/P159.

To analyze P. falciparum growth upon CLAMP downregulation, parasites were synchronized to rings using 0.5 M alanine in 10 mM

HEPES (pH 7.4), adjusted to 1% parasitemia, and seeded in triplicate wells of a 12-well plate at 2% hematocrit in 5 ml of media with or

without aTc. The parental and PfCLAMP cKD strains were treated in parallel. Expansion was measured over six lytic cycles. Samples

were collected after each cycle to measure parasitemia by incubating the cells with a 1:5000 dilution of SYBR Green I (Thermo Fisher)

for 15 min at 37



C, prior to flow-cytometry on an Accuri C6 instrument (BD Biosciences). Following the analysis, all cultures were



subcultured using the same dilution factor, as required to maintain the pre-invasion parasitemia of the parental lines at 1%, and avoid

over-expansion of the cultures. After subculturing, the pre-invasion parasitemia was directly measured as indicated above. Parasite

growth was expressed as percent parasitemia at the start and end of each lytic cycle.

QUANTIFICATION AND STATISTICAL ANALYSIS

Bioinformatic Analysis of the Screening Results

Sequencing reads were aligned to the sgRNA library. The abundance of each sgRNA was calculated and normalized to the total num-

ber of aligned reads. Guides that were not found were assigned a pseudo-count corresponding to 90% of the lowest value in that

sample. Only guides whose abundance was above the 5

th

percentile in the original plasmid preparation of the sgRNA library were



taken into account for subsequent analyses. For FUDR selection experiments, the log

2

fold change between treated and untreated



samples was calculated for each sgRNA, whereas negative selection experiments used the plasmid preparation for comparison. The

‘‘phenotype’’ score for each gene was calculated as the mean log

2

fold change for the top five scoring guides, which minimized the



effect of stochastic losses and decreased the error between biological replicates. The mean phenotype score for each gene in four

replicates of the screen is reported. Fitness-conferring genes were identified by comparison to 40 control genes known to be

dispensable for parasite growth in fibroblast (see

Table S1


). For a given gene, the four biological replicates were compared to the

mean phenotype of the controls using a one-sided t test, and the log

2

fold changes for the sgRNAs against that gene were compared



to the sgRNAs against the controls using a one-sided Mann-Whitney test. The values for each test were corrected using the Ben-

jamini-Hochberg method. Genes were considered fitness-conferring if they met a significance threshold of 0.05 for both tests. 10-fold

cross-validation was performed using the set of previously described essential and dispensable genes (

Table S1


). In each trial, the

test sample was compared using the statistical tests described to the control genes in the training set. The cross-validation was per-

formed 100 times to estimate the error rate.

Gene-set enrichment analysis was performed as previously described (

Subramanian et al., 2005

), using gene sets specifically

curated for T. gondii (

Croken et al., 2014

). Gene expression data (kindly provided by David S. Roos and Maria Alejandra Diaz-Miranda,

available through ToxoDB) consisted of RNA samples collected at several time points following infection with T. gondii strain GT1 ta-

chyzoites, and analyzed by RNaseq. The maximum log

2

(RPKM + 1) was used for the analysis and compared to the mean phenotype



score for each gene. To compare the phenotype scores with the rate of evolution, syntenic orthologs that did not display copy-number

variation were obtained from ToxoDB release 26 for T. gondii GT1, Neospora caninum Liverpool, and Hammondia hammondi HH34.

d

N

/d



S

ratios were determined as previously described (

Lorenzi et al., 2016

). Briefly, average d

N

/d

S



values were calculated according to

Goldman & Yang (

Goldman and Yang, 1994

), following alignment of cDNA sequences based on their protein sequence by ClustalW

(

Larkin et al., 2007



). The distribution of phenotype scores in the top and bottom third of the d

N

/d



S

distribution were compared by a

Kolmogorov-Smirnov test. Depth of conservation of T. gondii genes was estimated using ortholog groupings of 79 eukaryotic ge-

nomes available through OrthoMCL DB release 5 (

Chen et al., 2006

). Assignment to the different levels of conservation was performed

by asking whether an ortholog was present in at least one of the genomes from a neighboring branch. For simplicity, genes that did not

conform to a simple assignment were excluded from this analysis (Other) and specific losses in either hematozoa (piroplasmida and



Plasmodium spp.) or cryptosporidia were allowed when assigning a gene to the apicomplexan category.

Cell 167, 1–13.e1–e7, September 22, 2016 e6

CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019



Statistical Testing

The ratio of plaquing efficiency following mutation of each ICAP relative to SAG1 mutation was compared to a mean of 1 using one-

tailed t tests, and the resulting values were corrected using the Benjamini-Hochberg method. Based on the small sample size, mu-

tants with a corrected value lower than 0.1 were considered significant. ICAP mutant invasion efficiency was analyzed similarly us-

ing PLP1 as the control. The effects of inducing CLAMP knockdown on invasion, egress, and MIC2 secretion were analyzed in Prism

(GraphPad) using two-tailed t tests with a value of 0.05 or lower indicating significance. Where appropriate, statistical parameters

including the exact value of n, the definition of center, dispersion, and precision measures and statistical significance are reported in

the figures and corresponding legends.

DATA AND SOFTWARE AVAILABILITY

Software


Guide selection and screen analysis were performed using custom software that will be provided upon request. Statistical analyses

were performed in R (

http://www.R-project.org

) using built-in packages unless otherwise indicated.

Data Resources

All data from the CRISPR screens is available in

Table S3

, and will be integrated into an upcoming release of ToxoDB (

http://ToxoDB.

org


).

e7 Cell 167, 1–13.e1–e7, September 22, 2016

CELL 9138

Please cite this article in press as: Sidik et al., A Genome-wide CRISPR Screen in

Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes, Cell

(2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.019



Supplemental Figures

Figure S1. RAB4 Is Not Essential for T. gondii Growth in Human Fibroblasts, Related to

Figure 3

(A) Diagram of the RAB4 locus illustrating the knockout strategy and position of the primers used for validation. Specific primers were used to amplify the 5

0

(PCR1) and 3



0

(PCR2) junctions, and a segment of the coding sequence (PCR3).

(B) PCR assay for integration of the pyrimethamine-resistance cassette into the RAB4 locus and deletion of the RAB4 coding sequence.

(C) RT-PCR probing for expression of RAB4 or the control ACT1 on cDNA samples prepared with or without reverse transcriptase (RT).

(D) Plaque assay demonstrating normal growth of the RAB4 knockout in human fibroblasts.


Figure S2. Correlation of Phenotype Scores to Selective Pressure, Related to

Figure 3


(A) Distribution of published d

N

/d



S

values for 16 reference T. gondii genomes (

Lorenzi et al., 2016

). The lowest and highest third of the dataset is highlighted in

orange and blue, respectively.

(B) Genes binned according to d

N

/d

S



show higher phenotype scores for genes under positive selection (blue), compared to those under negative selection

(orange). Bars indicate the group median. The distributions were compared using a Kolmogorov-Smirnov test.



Figure S3. Construction and Validation of the Cas9 Strain Expressing H2B-YFP, Related to

Figure 5


(A) Diagram of the constructs used to generate the T. gondii strain expressing H2B-YFP and Cas9. The sequence of the decoy sgRNA is highlighted in the top

construct, followed by the Cas9-binding sequence (orange).

(B) Expression of H2B-YFP in the nucleus of the clonal parasites detected by live fluorescence video microscopy.

(C) Representative micrographs showing intracellular parasites three days post transfection. Parasites were stained for SAG1 (red), and TgACT1 (ACT; green).

Host-cell and parasite nuclei were stained with DAPI (blue). Scale bar, 10 mm. SAG1 retention in wild-type (wt) and Cas9-expressing parasites was measured

following the different treatments.



Figure S4. Alignment of CLAMP Orthologs, Related to

Figure 6


CLAMP orthologs representing the entire breadth of the apicomplexan radiation were aligned using Clustal X. Bars indicate the topology of four representative

sequences determined by CCTOP (

Dobson et al., 2015

). The predicted transmembrane domains (TMs), extracellular loops (ECLs) and proline-rich domain (PRD)

are indicated.


Figure S5. Extended Analysis of CLAMP in T. gondii and P. falciparum, Related to

Figure 6


(A) Localization of CLAMP After Invasion. CLAMP-mNeonGreen parasites were fixed following invasion. Extracellular parasites were stained for the surface

antigen SAG1 (red) prior to permeabilization. Arrowheads indicate puncta of mNeonGreen at the posterior of various parasites. Several sections have been

magnified to highlight the mNeonGreen localization in invaded (i. and ii.) and non-invaded (iii. and iv.) parasites.

(B and C) Generation and Testing of the PfCLAMP cKD. Diagram of the CLAMP locus for wild-type (wt) and conditional knockdown (cKD) parasites (B). Specific

primer pairs (P156/P157 and P158/P159) were used to test for the integration sites (C) and fully sequence them.

(D) Growth curves of the P. falciparum parental strain (left) or the cKD (right) ± aTc. Means ± SD for n = 3 technical replicates. This is an independent replicate of

the experiment shown in

Figure 6


N.

Document Outline

  • CELL9138_annotate.pdf
    • A Genome-wide CRISPR Screen in Toxoplasma Identifies Essential Apicomplexan Genes
      • Introduction
      • Results
        • Constitutive Cas9 Expression Maximizes Gene Disruption in T. gondii
        • A Genome-scale Genetic Screen Identifies Genes Involved in Drug Sensitivity
        • A Genome-scale Genetic Screen Identifies Fitness-Conferring Genes in T. gondii
        • Functional Characterization of Fitness-Conferring Genes Conserved in Apicomplexans
        • ICAP12 Is an Invasion Factor Conserved Throughout the Apicomplexa
        • CLAMP Is Essential during the Asexual Cycle of Malaria
      • Discussion
      • Supplemental Information
      • Author Contributions
      • Acknowledgments
      • References
      • STAR★Methods
        • Key Resources Table
        • Contact for Reagent and Resource Sharing
        • Experimental Model and Subject Details
        • Method Details
          • Plasmid Design and Construction
          • Library Design and Construction
          • T. gondii Strain Generation
          • Pooled CRISPR Screens
          • RT-PCR
          • Functional Analysis of ICAPs and Controls
          • ICAP Tagging
          • CLAMP Phylogeny and Topology Predictions
          • CLAMP Conditional Knockdown
          • Immunofluorescence Microscopy and Immunoblotting
          • Surveyor Assays
          • Plaque Formation
          • Microneme Secretion
          • Egress Assays
          • Invasion Assays
          • Video Microscopy
          • P. falciparum Strain Generation and Analysis
        • Quantification and Statistical Analysis
          • Bioinformatic Analysis of the Screening Results
          • Statistical Testing
        • Data and Software Availability
          • Software
          • Data Resources

Yüklə 8 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin