Summary DNA base damage is a major source of oncogenic mutations 1 . Such damage can produce strand-phased mutation patterns and multiallelic variation through the process of lesion segregation 2 . Here, we exploited these properties to reveal how strand-asymmetric processes, such as replication and transcription, shape DNA damage and repair. Despite distinct mechanisms of leading and lagging strand replication 3,4 , we observe identical fidelity and damage tolerance for both strands. For small DNA adducts, our results support a model in which the same translesion polymerase is recruited on-the-fly to both replication strands, starkly contrasting the strand asymmetric tolerance of bulky adducts 5 . We find that DNA damage tolerance is also common during transcription, where RNA-polymerases frequently bypass lesions without triggering repair. At multiple genomic scales, we show the pattern of DNA damage induced mutations is largely shaped by the influence of DNA accessibility on repair efficiency, rather than gradients of DNA damage. Finally, we reveal specific genomic conditions that can corrupt the fidelity of nucleotide excision repair and actively drive oncogenic mutagenesis. These results provide insight into how strand-asymmetric mechanisms underlie the formation, tolerance, and repair of DNA damage, thereby shaping cancer genome evolution.

SUMMARY DNA methylation is implicated in neuronal biology via the protein MeCP2, mutation of which causes Rett syndrome. MeCP2 recruits the NCOR1/2 corepressor complexes to methylated cytosine in the CG dinucleotide, but also to non-CG methylation, which is abundant specifically in neuronal genomes. To test the biological significance of its dual binding specificity, we replaced the MeCP2 DNA binding domain with an orthologous domain whose specificity is restricted to mCG motifs. Knock-in mice expressing the domain-swap protein displayed severe Rett syndrome-like phenotypes, demonstrating that interaction with sites of non-CG methylation, specifically the mCAC trinucleotide, is critical for normal brain function. The results support the notion that the delayed onset of Rett syndrome is due to the late accumulation of both mCAC and its reader MeCP2. Intriguingly, genes dysregulated in both Mecp2 -null and domain-swap mice are implicated in other neurological disorders, potentially highlighting targets of particular relevance to the Rett syndrome phenotype.

Abstract Targeting early-stage lung cancer is vital to improve overall survival. We previously identified Toll-like receptor 2 (TLR2) as a regulator of oncogene-induced senescence (OIS) and the senescence-associated secretory phenotype (SASP), both key for tumor suppression. Here, we demonstrate that TLR2 is widely expressed in human lung tumor epithelium where it correlates with improved survival and clinical regression. Using genetically engineered mouse models of lung cancer we have shown that Tlr2 is a tumor suppressor in lung cancer initiation via regulation of proliferation and the SASP. The SASP is integral in the regulation of immune surveillance of premalignant cells, and we observe impaired myeloid derived immune surveillance following Tlr2 loss. Lastly, we show that administration of a synthetic Tlr2 agonist significantly reduces preinvasive lung tumor growth. Our data highlight an unexpected tumor surveillance pathway in early-stage lung cancer with therapeutic potential. Statement of significance Lung cancer is a major cancer of unmet need. This study identifies a novel tumor suppressor mechanism in lung cancer. Not only does this highlight a potential therapeutic target for early-stage disease but also multiple secreted candidate biomarkers that could be exploited to augment lung cancer screening approaches.

Mutations in the gene encoding the methyl-CG binding protein MeCP2 cause neurological disorders including Rett syndrome. The di-nucleotide methyl-CG (mCG) is the canonical MeCP2 DNA recognition sequence, but additional targets including non-methylated sequences have been reported. Here we use brain-specific depletion of DNA methyltransferase to show that DNA methylation is the primary determinant of MeCP2 binding in mouse brain. In vitro and in vivo analyses reveal that MeCP2 binding to non-CG methylated sites in brain is largely confined to the tri-nucleotide sequence mCAC. Structural modeling suggests that mCG and mCAC may be interchangeable as minimal structural perturbation of MeCP2 accompanies binding. MeCP2 binding to chromosomal DNA in mouse brain is proportional to mCG + mCAC density and defines domains within which transcription is sensitive to MeCP2 occupancy. The results suggest that MeCP2 interprets patterns of mCAC and mCG in the brain to negatively modulate transcription of genes critical for neuronal function.

Abstract The DNA binding protein MeCP2 is reported to bind methylated cytosine in CG and CA motifs in genomic DNA, but it was recently proposed that arrays of tandemly repeated CA containing either methylated or hydroxymethylated cytosine are the primary targets for MeCP2 binding and function. Here we investigated the predictions of this hypothesis using a range of published datasets. We failed to detect enrichment of cytosine modification at genomic CA repeat arrays in mouse brain regions and found no evidence for preferential MeCP2 binding at CA repeats. Moreover, we did not observe a correlation between the CA repeat density near genes and their degree of transcriptional deregulation when MeCP2 was absent. Our results do not provide support for the hypothesis that CA repeats are key mediators of MeCP2 function. Instead, we found that CA repeats are subject to CAC methylation to a degree that is typical of the surrounding genome and contribute modestly to MeCP2-mediated modulation of gene expression in accordance with their content of this canonical target motif.