The tumour suppressor complex BRCA1–BARD1 functions in the repair of DNA double-stranded breaks by homologous recombination. During this process, BRCA1–BARD1 facilitates the nucleolytic resection of DNA ends to generate a single-stranded template for the recruitment of another tumour suppressor complex, BRCA2–PALB2, and the recombinase RAD51. Here, by examining purified wild-type and mutant BRCA1–BARD1, we show that both BRCA1 and BARD1 bind DNA and interact with RAD51, and that BRCA1–BARD1 enhances the recombinase activity of RAD51. Mechanistically, BRCA1–BARD1 promotes the assembly of the synaptic complex, an essential intermediate in RAD51-mediated DNA joint formation. We provide evidence that BRCA1 and BARD1 are indispensable for RAD51 stimulation. Notably, BRCA1–BARD1 mutants with weakened RAD51 interactions show compromised DNA joint formation and impaired mediation of homologous recombination and DNA repair in cells. Our results identify a late role of BRCA1–BARD1 in homologous recombination, an attribute of the tumour suppressor complex that could be targeted in cancer therapy. The tumour suppressor complex BRCA1–BARD1, which facilitates the generation of a single-stranded DNA template during homologous recombination, also binds to the recombinase RAD51 and enhances its function. Two of the hereditary breast cancer susceptibility genes (BRCAs) act during the initial stages of recombinational DNA repair. BRCA1, together with BARD1, helps to form the single-stranded DNA that is then bound by another complex, BRCA2–PALB2, which facilitates loading of the central DNA strand exchange factor, RAD51. Patrick Sung and colleagues now show that BRCA1–BARD1 can also directly interact with RAD51 and stimulate the formation of the synaptic complex—a crucial intermediate that aligns the damaged and repair template DNA molecules. Because cancer cells depend on functioning DNA repair to thrive, targeting these factors may provide therapeutic value.

Abstract RAD51 Associated Protein 1 (RAD51AP1) is a key protein in the homologous recombination DNA repair pathway (HR). Loss of RAD51AP1 leads to defective HR, genome instability and telomere erosion. RAD51AP1 physically interacts with the RAD51 recombinase and promotes RAD51-mediated capture of the donor DNA, synaptic complex assembly and displacement-loop formation when tested with synthetic, nucleosome-free DNA substrates in vitro . In cells, however, DNA is packaged into chromatin, posing an additional barrier to the complexities of the HR reaction. How RAD51AP1 functions as an HR activator in the context of chromatin has remained unclear. In this study, we show that RAD51AP1 binds to Nucleosome Core Particles (NCPs). We identified a C-terminal region in RAD51AP1 and its previously mapped DNA binding domain as critical for mediating the association between RAD51AP1 and both the NCP and the histone octamer. We show that RAD51AP1 is capable of promoting duplex DNA capture and initiating joint-molecule formation with the NCP and chromatinized template DNA, respectively. Together, our results suggest that RAD51AP1 directly assists the RAD51-mediated search of donor DNA in chromatin. We present a model, in which RAD51AP1 anchors the DNA template through affinity for its nucleosomes to the RAD51-ssDNA nucleoprotein filament.

Abstract Environmental agents like ionizing radiation (IR) and chemotherapeutic drugs can cause severe damage to the DNA, often in the form of double-strand breaks (DSBs). Remaining unrepaired, DSBs can lead to chromosomal rearrangements, and cell death. One major error-free pathway to repair DSBs is homologous recombination repair (HRR). Tousled-like kinase 1 (TLK1), a Ser/Thr kinase that regulates the DNA damage checkpoint, has been found to interact with RAD54, a central DNA translocase in HRR. To determine how TLK1 regulates RAD54, we inhibited or depleted TLK1 and tested how this impacts HRR in human cells using a I Sce -I-GR-DsRed fused reporter endonuclease. Our results show that TLK1 phosphorylates RAD54 at three threonines (T41, T59, and T700), two of which are located within its N-terminal domain (NTD) and one is located within its C-terminal domain (CTD). Phosphorylation at both T41 and T59 supports HRR and protects cells from DNA DSB damage. In contrast, phosphorylation of T700 leads to impaired HRR and engenders no protection to cells from cytotoxicity and rather results in repair delay. Further, our work enlightens the effect of RAD54-T700 (RAD54-CTD) phosphorylation by TLK1 in mammalian system and reveals a new site of interaction with RAD51.

RAD54L is a DNA motor protein with critical roles in homologous recombination DNA repair (HR). In vitro, RAD54L was also shown to catalyze the reversal and restoration of model replication forks. Little, however, is known about the role of RAD54L in regulating the dynamics of DNA replication in cells. Here, we show that RAD54L functions as a fork remodeler and restrains the progression of replication forks in human cells. Analogous to HLTF and FBH1, and consistent with a role in fork reversal, RAD54L catalyzes the slowing of fork progression in response to replication stress. In BRCA1/2-deficient cells, RAD54L activity leads to nascent strand DNA degradation, and loss of RAD54L reduces DNA double-strand break formation. Using a separation-of-function mutation, we show that RAD54L-mediated fork restraint depends on its ability to catalyze branch migration. Our results reveal a new role for RAD54L in regulating the dynamics of replication forks in cells and highlight the impact of RAD54L function on the treatment of patients with BRCA1/2-deficient tumors.

Abstract Homologous recombination (HR) is a complex DNA damage repair pathway and an attractive target of inhibition in anti-cancer therapy. To help guide the development of efficient HR inhibitors, it is critical to identify compensatory sub-pathways. In this study, we describe a novel synthetic interaction between RAD51AP1 and RAD54, two structurally unrelated proteins that function downstream of the RAD51 recombinase in HR. We show that deletion of both RAD51AP1 and RAD54 synergistically sensitizes human cancer cell lines to treatment with a Poly(adenosine 5’ s-diphosphate-ribose) polymerase inhibitor, to the DNA inter-strand crosslinking agent mitomycin C, and to hydroxyurea, which stalls the progression of DNA replication forks. We infer that HR-directed anti-cancer treatment modalities shall consider this intra-pathway functional overlap, and we hypothesize that in cancerous cells the simultaneous inactivation of both RAD54 and RAD51AP1 will accentuate tumor kill.