ABSTRACT The large majority of oxidative DNA lesions occurring in the G1 phase of the cell cycle are repaired by base excision repair (BER) rather than mismatch repair (MMR) to avoid long resections that can lead to genomic instability and cell death. However, the molecular mechanisms dictating pathway choice between MMR and BER have remained unknown. Here, we show that, during G1, D-type cyclins are recruited to sites of oxidative DNA damage in a PCNA- and p21-dependent manner. D-type cyclins shield p21 from its two ubiquitin ligases CRL1 SKP2 and CRL4 CDT2 in a CDK4/6-independent manner. In turn, p21 competes through its PCNA-interacting protein degron with MMR components for their binding to PCNA. This inhibits MMR while not affecting BER. At the G1/S transition, the CRL4 AMBRA1 -dependent degradation of D-type cyclins renders p21 susceptible to proteolysis. These timely degradation events allow the proper binding of MMR proteins to PCNA, enabling the repair of DNA replication errors. Persistent expression of cyclin D1 during S-phase increases the mutational burden and promotes microsatellite instability. Thus, the expression of D-type cyclins inhibits MMR in G1, whereas their degradation is necessary for proper MMR function in S. One-Sentence Summary To maintain genome stability, D-type cyclins limit mismatch repair (MMR) in G1, whereas their degradation is necessary for proper MMR function in S phase.

Determining the balance between DNA double strand break repair (DSBR) pathways is essential for understanding treatment response in cancer. We report a method for simultaneously measuring non-homologous end joining (NHEJ), homologous recombination (HR), and microhomology-mediated end joining (MMEJ). Using this method, we show that patient-derived glioblastoma (GBM) samples with acquired temozolomide (TMZ) resistance display elevated HR and MMEJ activity, suggesting that these pathways contribute to treatment resistance. We screen clinically relevant small molecules for DSBR inhibition with the aim of identifying improved GBM combination therapy regimens. We identify the ATM kinase inhibitor, AZD1390, as a potent dual HR/MMEJ inhibitor that suppresses radiation-induced phosphorylation of DSBR proteins, blocks DSB end resection, and enhances the cytotoxic effects of TMZ in treatment-naïve and treatment-resistant GBMs with TP53 mutation. We further show that a combination of G2/M checkpoint deficiency and reliance upon ATM-dependent DSBR renders TP53 mutant GBMs hypersensitive to TMZ/AZD1390 and radiation/AZD1390 combinations. This report identifies ATM-dependent HR and MMEJ as targetable resistance mechanisms in TP53-mutant GBM and establishes an approach for simultaneously measuring multiple DSBR pathways in treatment selection and oncology research.

Poly−ADP-ribose polymerase (PARP) inhibitors are active against cells and tumors with defects in homology−directed repair as a result of synthetic lethality. PARP inhibitors have been suggested to act by either catalytic inhibition or by PARP localization in chromatin. In this study, we treat human HCC1937 BRCA1 mutant and isogenic BRCA1 −complemented cells for three weeks with veliparib, a PARP inhibitor. We show that long−term treatment with veliparib results in chromatin−bound PARP1 in the BRCA1 mutant cells, and that this correlates with significant upregulation of inflammatory genes and activation of the cyclic GMP−AMP synthase (cGAS)/ signalling effector stimulator of interferon genes (STING) pathway. In contrast, long−term treatment of isogenic BRCA1 −complemented cells with veliparib does not result in chromatin-associated PARP or significant upregulation of the inflammatory response. Our results suggest that long−term veliparib treatment may prime BRCA1 mutant tumors for positive responses to immune checkpoint blockade.

ABSTRACT Ataxia-telangiectasia mutated (ATM) drives the DNA damage response via modulation of multiple signal transduction and DNA repair pathways. Previously, ATM activity was implicated in promoting the non-homologous end joining (NHEJ) pathway to repair a subset of DNA double strand breaks (DSBs), but how ATM performs this function is still unclear. In this study, we identified that ATM phosphorylates the DNA-dependent protein kinase catalytic subunit (DNA-PK cs ), a core NHEJ factor, at its extreme C-terminus at threonine 4102 (T4102) in response to DSBs. Phosphorylation at T4102 stabilizes the interaction between DNA-PK cs and the Ku-DNA complex and promotes assembly and stabilization of the NHEJ machinery at DSBs. Ablating phosphorylation at this site results in decreased NHEJ, radiosensitivity, and increased radiation-induced genomic instability. Collectively, these findings establish a key role for ATM in NHEJ-dependent repair of DSBs through positive regulation of DNA-PK cs .