ABSTRACT Errors in mitosis can generate micronuclei that entrap mis-segregated chromosomes, which are susceptible to catastrophic fragmentation through a process termed chromothripsis. The reassembly of fragmented chromosomes by error-prone DNA double-strand break (DSB) repair generates a spectrum of simple and complex genomic rearrangements that are associated with human cancers and disorders. How specific DSB repair pathways recognize and process these lesions remains poorly understood. Here we used CRISPR/Cas9 to systematically inactivate distinct DSB processing or repair pathways and interrogated the rearrangement landscape of fragmented chromosomes from micronuclei. Deletion of canonical non-homologous end joining (NHEJ) components, including DNA-PKcs, LIG4, and XLF, substantially reduced the formation of complex rearrangements and shifted the rearrangement landscape toward simple alterations without the characteristic patterns of cancer-associated chromothripsis. Following reincorporation into the nucleus, fragmented chromosomes localize within micronuclei bodies (MN bodies) and undergo successful ligation by NHEJ within a single cell cycle. In the absence of NHEJ, chromosome fragments were rarely engaged by polymerase theta-mediated alternative end-joining or recombination-based mechanisms, resulting in delayed repair kinetics and persistent 53BP1-labeled MN bodies in the interphase nucleus. Prolonged DNA damage signaling from unrepaired fragments ultimately triggered cell cycle arrest. Thus, we provide evidence supporting NHEJ as the exclusive DSB repair pathway generating complex rearrangements following chromothripsis from mitotic errors.

Abstract Mitotic errors generate micronuclei entrapping mis-segregated chromosomes, which are susceptible to catastrophic fragmentation through chromothripsis. The reassembly of fragmented chromosomes by error-prone DNA double-strand break (DSB) repair generates diverse genomic rearrangements associated with human diseases. How specific repair pathways recognize and process these lesions remains poorly understood. Here we use CRISPR/Cas9 to systematically inactivate distinct DSB repair pathways and interrogate the rearrangement landscape of fragmented chromosomes. Deletion of canonical non-homologous end joining (NHEJ) components substantially reduces complex rearrangements and shifts the rearrangement landscape toward simple alterations without the characteristic patterns of chromothripsis. Following reincorporation into the nucleus, fragmented chromosomes localize within sub-nuclear micronuclei bodies (MN bodies) and undergo ligation by NHEJ within a single cell cycle. In the absence of NHEJ, chromosome fragments are rarely engaged by alternative end-joining or recombination-based mechanisms, resulting in delayed repair kinetics, persistent 53BP1-labeled MN bodies, and cell cycle arrest. Thus, we provide evidence supporting NHEJ as the exclusive DSB repair pathway generating complex rearrangements from mitotic errors.

Summary Factors governing the faithful replication of chromosomes are essential for cellular and genomic integrity. While a variety of mechanisms to manage breaks and promote repair of DNA are widely recognized, epigenetic landmarks that preserve telomere-to-telomere replication fidelity and prevent genome instability are not well-understood. SETD2 is the histone methyltransferase responsible for trimethylation on histone H3 lysine 36 and is newly recognized as a tumor suppressor that acts to maintain genome stability. Importantly, SETD2 is frequently lost in cancers that exhibit extensive intratumoral heterogeneity. Here, we demonstrate that loss of SETD2 and H3K36me3 promotes chromosome segregation errors and DNA bridging during mitosis, and that these bridges are driven by the formation of dicentric chromosomes. Cytogenetic analyses revealed that these chromosomes were comprised of mirror-imaged isochromosomes and isodicentric chromosomes that contain two active centromeres. These data demonstrate that the SETD2 histone methyltransferase is essential to prevent a palindromic replication intermediate, whose loss precipitates the formation of a mutable chromatin structure known to initiate a cascade of genomic instability in cancer.