Higher order chromatin structure presents a barrier to the recognition and repair of DNA damage. Double-strand breaks (DSBs) induce histone H2AX phosphorylation, which is associated with the recruitment of repair factors to damaged DNA. To help clarify the physiological role of H2AX, we targeted H2AX in mice. Although H2AX is not essential for irradiation-induced cell-cycle checkpoints, H2AX-/- mice were radiation sensitive, growth retarded, and immune deficient, and mutant males were infertile. These pleiotropic phenotypes were associated with chromosomal instability, repair defects, and impaired recruitment of Nbs1, 53bp1, and Brca1, but not Rad51, to irradiation-induced foci. Thus, H2AX is critical for facilitating the assembly of specific DNA-repair complexes on damaged DNA.

Marión et al. show that p53 is critically involved in preventing the reprogramming of cells carrying various types of DNA damage, including short telomeres, DNA repair deficiencies, or with exogenously inflicted DNA damage. Eliminating p53 expression allows efficient reprogramming in the face of DNA damage and the generation of iPS cells carrying persistent DNA damage and chromosomal aberrations. They conclude that p53 is critical in preventing the generation of pluripotent cells from suboptimal parental cells. It is shown that p53 is critically involved in preventing the reprogramming of cells carrying various types of DNA damage, including short telomeres, DNA repair deficiencies, or exogenously inflicted DNA damage. Eliminating p53 expression allows efficient reprogramming in the face of DNA damage and the generation of induced pluripotent stem cells carrying persistent DNA damage and chromosomal aberrations. The reprogramming of differentiated cells to pluripotent cells (induced pluripotent stem (iPS) cells) is known to be an inefficient process. We recently reported that cells with short telomeres cannot be reprogrammed to iPS cells despite their normal proliferation rates1,2, probably reflecting the existence of ‘reprogramming barriers’ that abort the reprogramming of cells with uncapped telomeres. Here we show that p53 (also known as Trp53 in mice and TP53 in humans) is critically involved in preventing the reprogramming of cells carrying various types of DNA damage, including short telomeres, DNA repair deficiencies, or exogenously inflicted DNA damage. Reprogramming in the presence of pre-existing, but tolerated, DNA damage is aborted by the activation of a DNA damage response and p53-dependent apoptosis. Abrogation of p53 allows efficient reprogramming in the face of DNA damage and the generation of iPS cells carrying persistent DNA damage and chromosomal aberrations. These observations indicate that during reprogramming cells increase their intolerance to different types of DNA damage and that p53 is critical in preventing the generation of human and mouse pluripotent cells from suboptimal parental cells.

Cells deficient in the Brca1 and Brca2 genes have reduced capacity to repair DNA double-strand breaks by homologous recombination and consequently are hypersensitive to DNA-damaging agents, including cisplatin and poly(ADP-ribose) polymerase (PARP) inhibitors. Here we show that loss of the MLL3/4 complex protein, PTIP, protects Brca1/2-deficient cells from DNA damage and rescues the lethality of Brca2-deficient embryonic stem cells. However, PTIP deficiency does not restore homologous recombination activity at double-strand breaks. Instead, its absence inhibits the recruitment of the MRE11 nuclease to stalled replication forks, which in turn protects nascent DNA strands from extensive degradation. More generally, acquisition of PARP inhibitors and cisplatin resistance is associated with replication fork protection in Brca2-deficient tumour cells that do not develop Brca2 reversion mutations. Disruption of multiple proteins, including PARP1 and CHD4, leads to the same end point of replication fork protection, highlighting the complexities by which tumour cells evade chemotherapeutic interventions and acquire drug resistance. Protection of nascent DNA from degradation provides a mechanism that can promote synthetic viability and drug resistance in Brca-deficient cells without restoring homologous recombination at double-strand breaks. The breast cancer susceptibility genes BRCA1 and BRCA2 function to protect the genome from DNA damage. For this reason, DNA-damaging agents are used clinically to treat BRCA-deficient cancers. However, these treatments may have a short window of effectiveness; many cancers develop resistance. André Nussenzweig and colleagues show that cells become drug resistant due to loss of the PTIP protein. In its absence, forks that stall during DNA replication are protected from degradation, and this allows the cells to survive. This work highlights a previously unknown mechanism by which resistance to cancer therapy can arise.

Genetic overexpression of protein deacetylase Sir2 increases longevity in a variety of lower organisms, and this has prompted interest in the effects of its closest mammalian homologue, Sirt1, on ageing and cancer. We have generated transgenic mice moderately overexpressing Sirt1 under its own regulatory elements (Sirt1-tg). Old Sirt1-tg mice present lower levels of DNA damage, decreased expression of the ageing-associated gene p16Ink4a, a better general health and fewer spontaneous carcinomas and sarcomas. These effects, however, were not sufficiently potent to affect longevity. To further extend these observations, we developed a metabolic syndrome-associated liver cancer model in which wild-type mice develop multiple carcinomas. Sirt1-tg mice show a reduced susceptibility to liver cancer and exhibit improved hepatic protection from both DNA damage and metabolic damage. Together, these results provide direct proof of the anti-ageing activity of Sirt1 in mammals and of its tumour suppression activity in ageing- and metabolic syndrome-associated cancer. Ageing associated diseases are the subject of intense study. In this article Serrano and colleagues demonstrate that Sirt1 over-expression in mice prevents both ageing associated diseases and liver cancer.

During meiotic prophase in male mammals, the X and Y chromosomes condense to form a macrochromatin body, termed the sex, or XY, body, within which X- and Y-linked genes are transcriptionally repressed. The molecular basis and biological function of both sex body formation and meiotic sex chromosome inactivation (MSCI) are unknown. A phosphorylated form of H2AX, a histone H2A variant implicated in DNA repair, accumulates in the sex body in a manner independent of meiotic recombination-associated double-strand breaks. Here we show that the X and Y chromosomes of histone H2AX-deficient spermatocytes fail to condense to form a sex body, do not initiate MSCI, and exhibit severe defects in meiotic pairing. Moreover, other sex body proteins, including macroH2A1.2 and XMR, do not preferentially localize with the sex chromosomes in the absence of H2AX. Thus, H2AX is required for the chromatin remodeling and associated silencing in male meiosis.

Abstract

 Histone H2AX becomes phosphorylated in chromatin domains flanking sites of DNA double-strand breakage associated with γ-irradiation, meiotic recombination, DNA replication, and antigen receptor rearrangements. Here, we show that loss of a single H2AX allele compromises genomic integrity and enhances the susceptibility to cancer in the absence of p53. In comparison with heterozygotes, tumors arise earlier in the H2AX homozygous null background, and H2AX^−/− p53^−/− lymphomas harbor an increased frequency of clonal nonreciprocal translocations and amplifications. These include complex rearrangements that juxtapose the c-myc oncogene to antigen receptor loci. Restoration of the H2AX null allele with wild-type H2AX restores genomic stability and radiation resistance, but this effect is abolished by substitution of the conserved serine phosphorylation sites in H2AX with alanine or glutamic acid residues. Our results establish H2AX as genomic caretaker that requires the function of both gene alleles for optimal protection against tumorigenesis.

The repair of DNA double-strand breaks (DSBs) is facilitated by the phosphorylation of H2AX, which organizes DNA damage signaling and chromatin remodeling complexes in the vicinity of the lesion (Pilch, D.R., O.A. Sedelnikova, C. Redon, A. Celeste, A. Nussenzweig, and W.M. Bonner. 2003. Biochem. Cell Biol. 81:123–129; Morrison, A.J., and X. Shen. 2005. Cell Cycle. 4:568–571; van Attikum, H., and S.M. Gasser. 2005. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 6:757–765). The disruption of DNA integrity induces an alteration of chromatin architecture that has been proposed to activate the DNA damage transducing kinase ataxia telangiectasia mutated (ATM; Bakkenist, C.J., and M.B. Kastan. 2003. Nature. 421:499–506). However, little is known about the physical properties of damaged chromatin. In this study, we use a photoactivatable version of GFP-tagged histone H2B to examine the mobility and structure of chromatin containing DSBs in living cells. We find that chromatin containing DSBs exhibits limited mobility but undergoes an energy-dependent local expansion immediately after DNA damage. The localized expansion observed in real time corresponds to a 30–40% reduction in the density of chromatin fibers in the vicinity of DSBs, as measured by energy-filtering transmission electron microscopy. The observed opening of chromatin occurs independently of H2AX and ATM. We propose that localized adenosine triphosphate–dependent decondensation of chromatin at DSBs establishes an accessible subnuclear environment that facilitates DNA damage signaling and repair.