DNA double-strand breaks (DSBs) may be repaired either by homologous recombination (HR) or nonhomologous end joining (NHEJ) pathways. A new high-resolution mapping study of DSBs in human cells shows that trimethylated histone H3 K36, a marker of active chromatin, targets RAD51 to DSBs within transcribed regions to promote preferential HR-mediated repair at transcriptionally active loci. Although both homologous recombination (HR) and nonhomologous end joining can repair DNA double-strand breaks (DSBs), the mechanisms by which one of these pathways is chosen over the other remain unclear. Here we show that transcriptionally active chromatin is preferentially repaired by HR. Using chromatin immunoprecipitation–sequencing (ChIP-seq) to analyze repair of multiple DSBs induced throughout the human genome, we identify an HR-prone subset of DSBs that recruit the HR protein RAD51, undergo resection and rely on RAD51 for efficient repair. These DSBs are located in actively transcribed genes and are targeted to HR repair via the transcription elongation–associated mark trimethylated histone H3 K36. Concordantly, depletion of SETD2, the main H3 K36 trimethyltransferase, severely impedes HR at such DSBs. Our study thereby demonstrates a primary role in DSB repair of the chromatin context in which a break occurs.

DNA double-strand break (DSB) repair occurs within chromatin and can be modulated by chromatin-modifying enzymes. Here we identify the related human histone deacetylases HDAC1 and HDAC2 as two participants in the DNA-damage response. We show that acetylation of histone H3 Lys56 (H3K56) was regulated by HDAC1 and HDAC2 and that HDAC1 and HDAC2 were rapidly recruited to DNA-damage sites to promote hypoacetylation of H3K56. Furthermore, HDAC1- and 2-depleted cells were hypersensitive to DNA-damaging agents and showed sustained DNA-damage signaling, phenotypes that reflect defective DSB repair, particularly by nonhomologous end-joining (NHEJ). Collectively, these results show that HDAC1 and HDAC2 function in the DNA-damage response by promoting DSB repair and thus provide important insights into the radio-sensitizing effects of HDAC inhibitors that are being developed as cancer therapies.

Chromatin acts as a key regulator of DNA-related processes such as DNA damage repair. Although ChIP-chip is a powerful technique to provide high-resolution maps of protein-genome interactions, its use to study DNA double strand break (DSB) repair has been hindered by the limitations of the available damage induction methods. We have developed a human cell line that permits induction of multiple DSBs randomly distributed and unambiguously positioned within the genome. Using this system, we have generated the first genome-wide mapping of gammaH2AX around DSBs. We found that all DSBs trigger large gammaH2AX domains, which spread out from the DSB in a bidirectional, discontinuous and not necessarily symmetrical manner. The distribution of gammaH2AX within domains is influenced by gene transcription, as parallel mappings of RNA Polymerase II and strand-specific expression showed that gammaH2AX does not propagate on active genes. In addition, we showed that transcription is accurately maintained within gammaH2AX domains, indicating that mechanisms may exist to protect gene transcription from gammaH2AX spreading and from the chromatin rearrangements induced by DSBs.

Summary

 Modulating chromatin through histone methylation orchestrates numerous cellular processes. SETD2-dependent trimethylation of histone H3K36 is associated with active transcription. Here, we define a role for H3K36 trimethylation in homologous recombination (HR) repair in human cells. We find that depleting SETD2 generates a mutation signature resembling RAD51 depletion at I-SceI-induced DNA double-strand break (DSB) sites, with significantly increased deletions arising through microhomology-mediated end-joining. We establish a presynaptic role for SETD2 methyltransferase in HR, where it facilitates the recruitment of C-terminal binding protein interacting protein (CtIP) and promotes DSB resection, allowing Replication Protein A (RPA) and RAD51 binding to DNA damage sites. Furthermore, reducing H3K36me3 levels by overexpressing KDM4A/JMJD2A, an oncogene and H3K36me3/2 demethylase, or an H3.3K36M transgene also reduces HR repair events. We propose that error-free HR repair within H3K36me3-decorated transcriptionally active genomic regions promotes cell homeostasis. Moreover, these findings provide insights as to why oncogenic mutations cluster within the H3K36me3 axis.

Ataxia with oculomotor apraxia 2 (AOA-2) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS4) are neurological disorders caused by mutations in the gene encoding for senataxin (SETX), a putative RNA:DNA helicase involved in transcription and in the maintenance of genome integrity. Here, using ChIP followed by high throughput sequencing (ChIP-seq), we report that senataxin is recruited at DNA double-strand breaks (DSBs) when they occur in transcriptionally active loci. Genome-wide mapping unveiled that RNA:DNA hybrids accumulate on DSB-flanking chromatin but display a narrow, DSB-induced, depletion near DNA ends coinciding with senataxin binding. Although neither required for resection nor for timely repair of DSBs, senataxin was found to promote Rad51 recruitment, to minimize illegitimate rejoining of distant DNA ends and to sustain cell viability following DSB production in active genes. Our data suggest that senataxin functions at DSBs in order to limit translocations and ensure cell viability, providing new insights on AOA2/ALS4 neuropathies.

Highlights•DSB-chromatin landscape and HR/NHEJ chromatin signatures uncovered by ChIP-seq•H2BK120 undergoes a switch from ubiquitination to acetylation at a local scale•H1 is removed and ubiquitin accumulates on entire γH2AX domains, mainly at HR DSB•53BP1 spreads over megabase-sized domains, mostly in G1 at HR-prone DSBsSummaryDouble-strand breaks (DSBs) are extremely detrimental DNA lesions that can lead to cancer-driving mutations and translocations. Non-homologous end joining (NHEJ) and homologous recombination (HR) represent the two main repair pathways operating in the context of chromatin to ensure genome stability. Despite extensive efforts, our knowledge of DSB-induced chromatin still remains fragmented. Here, we describe the distribution of 20 chromatin features at multiple DSBs spread throughout the human genome using ChIP-seq. We provide the most comprehensive picture of the chromatin landscape set up at DSBs and identify NHEJ- and HR-specific chromatin events. This study revealed the existence of a DSB-induced monoubiquitination-to-acetylation switch on histone H2B lysine 120, likely mediated by the SAGA complex, as well as higher-order signaling at HR-repaired DSBs whereby histone H1 is evicted while ubiquitin and 53BP1 accumulate over the entire γH2AX domains.Graphical abstract

Programmable nucleases have enabled rapid and accessible genome engineering in eukaryotic cells and living organisms. However, their delivery into target cells can be technically challenging when working with primary cells or in vivo. Here, we use engineered murine leukemia virus-like particles loaded with Cas9-sgRNA ribonucleoproteins (Nanoblades) to induce efficient genome-editing in cell lines and primary cells including human induced pluripotent stem cells, human hematopoietic stem cells and mouse bone-marrow cells. Transgene-free Nanoblades are also capable of in vivo genome-editing in mouse embryos and in the liver of injected mice. Nanoblades can be complexed with donor DNA for "all-in-one" homology-directed repair or programmed with modified Cas9 variants to mediate transcriptional up-regulation of target genes. Nanoblades preparation process is simple, relatively inexpensive and can be easily implemented in any laboratory equipped for cellular biology.