Abstract DNA repair pathways are critical processes that need both spatial and temporal fine regulation. Liquid-liquid phase separation (LLPS) is a way to concentrate biochemical reactions, while excluding non-interacting components. Protein’s disordered domains, as well as RNA, favor condensation to modulate this process. Recent insights about phase-separation mechanisms pointed to new fascinating models that could explain how cells could cope with DNA damage responses. In this context, it is emerging that RNA-processing pathways and PARylation events, through the addition of an ADP-ribose moiety to both proteins and DNA, participate in different aspects of the DNA Damage Response (DDR). Remarkably, defects in these regulatory connections are associated with genomic instability and human pathologies. In addition, it has been recently noticed that several DNA repair enzymes, such as 53BP1 and APE1, are endowed with RNA binding abilities. APE1 is a multifunctional protein belonging to the Base Excision Repair (BER) pathway of non-distorting DNA lesions, bearing additional ‘non-canonical’ DNA-repair functions associated with processes coping with RNA metabolism. In this work, after reviewing the recent literature supporting a role of LLPS in DDR, we analyze, as a proof of principle, the interactome of APE1 using a bioinformatics approach to look for clues of LLPS in BER. Some of the APE1 interactors are associated with cellular processes in which LLPS has been either proved or proposed and are involved in several tumorigenic and amyloidogenic events. This work represents a paradigmatical pipeline for evaluating the relevance of LLPS in DDR. Statement of significance In this work, we aimed to test the hypothesis of an involvement of phase-separation in regulating the molecular mechanisms of the multifunctional enzyme APE1 starting from the analysis of its recently-characterized protein-protein interactome (PPI). We compared APE1-PPI to phase-separation databases and we performed functional enrichment analysis, uncovering links between APE1 and already known demixing factors, establishing an association with liquidliquid phase separation. This analysis could represent a starting point for implementing downstream experimental validations, using in vitro and in vivo approaches, to assess actual demixing.

Abstract In the last decade, several novel functions of the mammalian Apurinic/Apyrimidinic Endodeoxyribonuclease 1 (APE1) have been discovered, going far beyond its canonical function as a DNA repair enzyme, unveiling its potential roles in cancer development. Indeed, it was shown to be involved in DNA G-quadruplex biology and RNA metabolism, most importantly in the miRNA maturation pathway and the decay of oxidized- or abasic-miRNAs during oxidative stress conditions. Furthermore, in recent years several non-canonical pathways of miRNA biogenesis have been described, with a specific focus on guanosine-rich precursors that can form RNA G-quadruplex (rG4) structures. In this study, we show that several miRNA precursors, dysregulated upon APE1-depletion, contain an rG4 motif and that their corresponding target genes are upregulated after APE1-depletion. We also show, both by in vitro assays and by using a HeLa cell model, that APE1 can bind and regulate the folding of an rG4 structure contained in pre-miR92b, with a mechanism strictly dependent on critical lysine residues present in the N-terminal disordered region. Furthermore, APE1 depletion in HeLa cells alters the maturation process of miR-92b, mainly affecting the shuttling between the nucleus and cytosol. Lastly, bioinformatic analysis of APE1-regulated rG4-containing miRNAs supports the relevance of our findings for cancer biology. Specifically, these miRNAs exhibit high prognostic significance in lung, cervical, and liver cancer, as suggested by their involvement in several cancer-related pathways. Significance Statement We highlight an undescribed non-canonical role of the mammalian Apurinic/Apyrimidinic Endodeoxyribonuclease 1 (APE1) in the context of RNA G-quadruplexes (rG4), specifically in the alternative pathway of miRNA maturation of guanosine-rich miRNA precursors. Specifically, APE1 binds these structures and modulates their folding, mainly through its N-terminal region and some residues in its catalytic domain. Moreover, we showed an interesting new role of APE1 in regulating the shuttling and accumulation of miR-92b between the nuclear and cytosolic compartments, opening new perspectives on how APE1 may exercise its role in the miRNA maturation pathway and function. Moreover, APE1-depleted dysregulated miRNAs with rG4 motifs in their precursors have significant prognostic value in lung, cervical, and liver tumors, suggesting potential targets for cancer therapy.

ABSTRACT The base excision repair (BER) Apurinic/apyrimidinic endonuclease 1 (APE1) enzyme is endowed with several non-repair activities including miRNAs processing. APE1 is overexpressed in many cancers but its causal role in the tumorigenic processes is largely unknown. We recently described that APE1 can be actively secreted by mammalian cells through exosomes. However, APE1 role in EVs or exosomes is still unknown, especially regarding a putative regulatory function on small non-coding RNAs vesicular secretion. Through dedicated transcriptomic analysis on cellular and vesicular small RNAs of different APE1-depleted cancer cell lines, we found that miRNAs loading into EVs is a regulated process, dependent on APE1, distinctly conveying RNA subsets into vesicles. We identified APE1-dependent secreted miRNAs characterized by enriched sequence motifs and possible binding sites for APE1. In 33 out of 34 APE1-dependent-miRNA precursors, we surprisingly found EXO-motifs and proved that APE1 cooperates with hnRNPA2B1 for the EV-sorting of a subset of miRNAs, including miR-1246, through direct binding to GGAG stretches. Using TCGA-datasets, we showed that these miRNAs identify a signature with high prognostic significance in cancer. In summary, we provided evidence that APE1 is part of the protein cargo of secreted EVs, suggesting a novel post-transcriptional role for this ubiquitous DNA-repair enzyme that could explain its role in cancer progression.