53BP1 is a chromatin-binding protein that regulates the repair of DNA double-strand breaks by suppressing the nucleolytic resection of DNA termini

BRCA1/2 -mutated cancer cells must adapt to the genome instability caused by their deficiency in homologous recombination. Identifying and targeting these adaptive mechanisms may provide new therapeutic strategies. Here we present the results of genome-scale CRISPR/Cas9-based synthetic lethality screens in isogenic pairs of BRCA1- and BRCA2-deficient cells that identified the gene encoding CIP2A as essential in a wide range of BRCA1 - and BRCA2 -mutated cells. Unlike PARP inhibition, CIP2A-deficiency does not cause accumulation of replication-associated DNA lesions that require homologous recombination for their repair. CIP2A is cytoplasmic in interphase but, in mitosis, accumulates at DNA lesions as part of a complex with TOPBP1, a multifunctional genome stability factor. In BRCA-deficient cells, the CIP2A-TOPBP1 complex prevents lethal mis-segregation of acentric chromosomes that arises from impaired DNA synthesis. Finally, physical disruption of the CIP2A-TOPBP1 complex is highly deleterious in BRCA-deficient cells and tumors, indicating that targeting this mitotic chromosome stability process represents an attractive synthetic-lethal therapeutic strategy for BRCA1 - and BRCA2 -mutated cancers.

Abstract 53BP1 is a chromatin-binding DNA repair protein that promotes DNA double-strand break repair through recruitment of downstream effectors including RIF1, shieldin, and CST. The structural basis of the protein-protein interactions within the 53BP1-RIF1-shieldin-CST pathway that are essential for its DNA repair activity are largely unknown. Here we used AlphaFold2-Multimer (AF2) to predict all possible pairwise combinations of proteins within this pathway and provide structural models of seven previously characterized interactions. This analysis also predicted an entirely novel binding interface between the HEAT-repeat domain of RIF1 and the eIF4E-like domain of SHLD3. Extensive interrogation of this interface through both in vitro pulldown analysis and cellular assays supports the AF2-predicted model and demonstrates that RIF1-SHLD3 binding is essential for shieldin recruitment to sites of DNA damage, and for its role in antibody class switch recombination. Direct physical interaction between RIF1 and SHLD3 is therefore essential for 53BP1-RIF1-shieldin-CST pathway activity.

Summary The chromatin-binding protein 53BP1 promotes DNA repair by orchestrating the recruitment of downstream effectors including PTIP, RIF1 and shieldin to DNA double-strand break sites. While how PTIP recognizes 53BP1 is known, the molecular details of RIF1 recruitment to DNA damage sites remains undefined. Here, we report that RIF1 is a phosphopeptide-binding protein that directly interacts with three phosphorylated 53BP1 epitopes. The RIF1-binding sites on 53BP1 share an essential LxL motif followed by two closely apposed phosphorylated residues. Simultaneous mutation of these sites on 53BP1 abrogates RIF1 accumulation into ionizing radiation-induced foci, but surprisingly only fully compromises 53BP1-dependent DNA repair when an alternative mode of shieldin recruitment to DNA damage sites is also disabled. Intriguingly, this alternative mode of recruitment still depends on RIF1 but does not require its interaction with 53BP1. RIF1 therefore employs phosphopeptide recognition to promote DNA repair but also modifies shieldin action independently of 53BP1 binding.

Abstract The post-translational modification of proteins by ubiquitin and ubiquitin-like polypeptides controls multiple cellular processes including the abundance of a large fraction of the proteome. We applied genome-scale CRISPR/Cas9 screens to elucidate the genetic architecture of the response to inhibition of ubiquitin, NEDD8 and SUMO conjugation pathways as well as inhibition of the p97/VCP segregase. This effort identified 395 genes whose disruption alters the fitness of human cells when faced with perturbations in these pathways. We validated that the TMED2 and TMED10 proteins, which are localized to the secretory pathway, promote resistance to p97/VCP inhibition and also characterized NFATC2IP, an evolutionarily conserved protein harboring SUMO-like domains as a major player in promoting genomic integrity when SUMOylation is inhibited. We propose that NFATC2IP acts in interphase cells to promote the SUMO-dependent E3 ligase activity of the SMC5/SMC6 complex, which is critical for SUMO-dependent genome integrity.

Abstract To maintain genome integrity, cells must avoid DNA damage by ensuring the accurate duplication of the genome and by having efficient repair and signaling systems that counteract the genome-destabilizing potential of DNA lesions. To uncover genes and pathways that suppress DNA damage in human cells, we undertook genome-scale CRISPR/Cas9 screens that monitored the levels of DNA damage in the absence or presence of DNA replication stress. We identified 160 genes in RKO cells whose mutation caused high levels of DNA damage in the absence of exogenous genotoxic treatment. This list was highly enriched in essential genes, highlighting the importance of genomic integrity for cellular fitness. Furthermore, the majority of these 160 genes are involved in a limited set of biological processes related to DNA replication and repair, nucleotide biosynthesis, RNA metabolism and iron sulfur cluster biogenesis, suggesting that genome integrity may be insulated from a wide range of cellular processes. Among the many genes identified and validated in this study, we discovered that GNB1L , a schizophrenia/autism-susceptibility gene implicated in 22q11.2 syndrome, protects cells from replication catastrophe promoted by mild DNA replication stress. We show that GNB1L is involved in the biogenesis of ATR and related phosphatidylinositol 3-kinase-related kinases (PIKKs) through its interaction with the TTT co-chaperone complex. These results implicate PIKK biogenesis as a potential root cause for the neuropsychiatric phenotypes associated with 22q11.2 syndrome. The phenotypic mapping of genes that suppress DNA damage in human cells therefore provides a powerful approach to probe genome maintenance mechanisms.