Abstract BRCA2 plays a prominent role in meiotic homologous recombination (HR). Loss of BRCA2 or several of its meiotic partners causes fertility defects. One of these partners, HSF2BP, was recently discovered as expressed physiologically in germline and ectopically produced in cancer cells. It has an N-terminal coiled coil motif involved in direct binding to the protein BRME1, and both HSF2BP and BRME1 are essential for meiotic HR during spermatogenesis. It also interacts through its C-terminal Armadillo (ARM) domain with a conserved region of BRCA2 of unknown function. We analyzed the structural properties and functional consequences of the BRCA2-HSF2BP interaction and tested the emerging model of its involvement in meiosis. We solved the crystal structure of the complex between the BRCA2 fragment that is disordered in solution and the HSF2BP dimeric ARM domain. This revealed two previously unrecognized BRCA2 repeats that each interact with one ARM monomer from two different dimers. BRCA2 binding triggers ARM tetramerization, resulting in a complex containing two BRCA2 fragments connecting two ARM dimers. The 3D structures of the BRCA2 repeats are superimposable, revealing conserved contacts between the BRCA2 residues defining the repeats and the HSF2BP residues lining the groove of the ARM. This large interface is responsible for the nanomolar affinity of the interaction, significantly stronger than any other measured interaction involving BRCA2. Deleting exon 12 from Brca2 , encoding the first repeat, disrupted BRCA2 binding to HSF2BP in vitro and in cells. However, Brca2 Δ12/Δ12 mice with the same deletion were fertile and did not show any meiotic defects, contrary to the prediction from the model positing that HSF2BP acts as a meiotic localizer of BRCA2. We conclude that the high-affinity interaction between BRCA2 and HSF2BP and the resulting HSF2BP oligomerization are not required for RAD51 and DMC1 recombinase localization to meiotic double strand breaks and for productive meiotic HR.

Abstract In vertebrates, the BRCA2 protein is essential for meiotic and somatic homologous recombination (HR) due to its interaction with RAD51 and DMC1 strand exchange proteins (recombinases). The interaction is mediated by FxxA and FxPP motifs, whose defining feature is the invariant phenylalanine. The FxxA motifs, present in the eight BRC repeats in the central region of BRCA2, compete with the FxxA motif of the linker region of RAD51 that is responsible for recombinase self-oligomerization. In vitro, BRCs disrupt RAD51 nucleoprotein filaments, but they are essential for RAD51 function in the context of the full-length BRCA2 protein. The role of the FxPP motifs is poorly studied but they also contribute to BRCA2 function in cells. In particular, the C-terminal TR2/CTRB domain of BRCA2, which contains an FxPP motif, is required for stabilization of RAD51 filament and replication fork protection. We recently found that deletion of the BRCA2 PhePP domain, which contains another FxPP motif, disrupts DMC1 but not RAD51 function in meiosis. Here we provide a mechanistic explanation for this phenotype by solving the crystal structure of the complex between DMC1 and the PhePP domain of BRCA2. Our structure reveals that, despite sequence similarity, the A-motifs (FxxA) and P-motifs (FxPP) bind to distinct and contiguous sites on the recombinases. The PhePP P-motif binding site is mostly located at the ATPase domain surface of a DMC1 monomer, but also extends to the linker region of the adjacent monomer, thus engaging two adjacent protomers in the DMC1 oligomer. Our structural analysis provides a mechanism explaining how PhePP favors the formation of the DMC1 nucleoprotein filament and stabilizes it. It corroborates and explains the stabilizing effect of the P-motif from BRCA2 TR2/CTRB on RAD51.

ABSTRACT In meiotic homologous recombination (HR), BRCA2 facilitates loading of the recombinases RAD51 and DMC1 at the sites of double-strand breaks. The HSF2BP-BRME1 complex interacts with BRCA2 to support its function in meiotic HR. In somatic cancer cells ectopically producing HSF2BP, DNA damage can trigger HSF2BP-dependent degradation of BRCA2, which prevents HR. Here we show that, upon binding to BRCA2, HSF2BP assembles into a large ring-shaped 24-mer consisting of three interlocked octameric rings. Addition of BRME1 leads to dissociation of this ring structure, and cancels the disruptive effect of HSF2BP on cancer cell resistance to DNA damage. It also prevents BRCA2 degradation during inter-strand DNA crosslink repair in Xenopus egg extracts. We propose that the control of HSF2BP-BRCA2 oligomerization by BRME1 ensures timely assembly of the ring complex that concentrates BRCA2 and controls its turnover, thus promoting meiotic HR.

Abstract In vertebrates, the BRCA2 protein is essential for meiotic and somatic homologous recombination due to its interaction with the RAD51 and DMC1 recombinases through FxxA and FxPP motifs (here named A- and P-motifs, respectively). The A-motifs present in the eight BRC repeats of BRCA2 compete with the A-motif of RAD51, which is responsible for its self-oligomerization. BRCs thus disrupt RAD51 nucleoprotein filaments in vitro. The role of the P-motifs is less studied. We recently found that deletion of Brca2 exons 12–14 encoding one of them (the prototypical ‘PhePP’ motif), disrupts DMC1 but not RAD51 function in mouse meiosis. Here we provide a mechanistic explanation for this phenotype by solving the crystal structure of the complex between a BRCA2 fragment containing the PhePP motif and DMC1. Our structure reveals that, despite sharing a conserved phenylalanine, the A- and P-motifs bind to distinct sites on the ATPase domain of the recombinases. The P-motif interacts with a site that is accessible in DMC1 octamers and nucleoprotein filaments. Moreover, we show that this interaction also involves the adjacent protomer and thus increases the stability of the DMC1 nucleoprotein filaments. We extend our analysis to other P-motifs from RAD51AP1 and FIGNL1.

The tumor suppressor BRCA2 is essential for homologous recombination, replication fork stability and DNA interstrand crosslink (ICL) repair in vertebrates. We show that a functionally uncharacterized protein, HSF2BP, is involved in a novel, direct and highly evolutionarily conserved interaction with BRCA2. Although HSF2BP was previously described as testis-specific, we find it is expressed in mouse ES cells, in human cancer cell lines, and in tumor samples. Elevated levels of HSF2BP sensitize human cells to ICL-inducing agents (mitomycin C and cisplatin) and PARP inhibitors, resulting in a phenotype characteristic of cells from Fanconi anemia (FA) patients. We biochemically recapitulate the suppression of ICL repair and establish that excess HSF2BP specifically compromises homologous recombination by preventing BRCA2 and RAD51 loading at the ICL. As increased ectopic expression of HSF2BP occurs naturally, we suggest that it can be considered as a causative agent in FA and a source of cancer-promoting genomic instability.

ABSTRACT BRCA2 has multiple functional domains that interact with different partners, and is essential for both somatic and meiotic homologous recombination (HR). We created a Brca2 Δ12-14 mouse model with an internal deletion of the region which we named “the meiotic domain of BRCA2”, as its loss results in complete failure of meiotic HR, while somatic HR is intact. The deletion in the protein includes the HSF2BP-binding motifs (exons 12-13) and the DMC1-binding PhePP domain (exon 14). Brca2 Δ12-14 mice showed complete infertility in both males and females, with sexually dimorphic features. Recombinase foci (both RAD51 and DMC1) were completely undetectable in mutant spermatocytes, but while DMC1 foci were also absent in mutant oocytes, RAD51 foci numbers were only partially reduced (up to 60% fewer, 20% less intense). The relevance of the PhePP domain for meiotic HR has been controversial, but both the phenotype of Brca2 Δ12-14 , and our biochemical data indicate that, along with the BRC repeats of BRCA2, PhePP is both essential and specific for DMC1 loading in meiotic HR, analogous to the C-terminal RAD51-specific TR2/CTRB. Further investigation of DSB end processing in Brca2 Δ12-14 meiocytes and controls, using super-resolution imaging of RPA and SYCP3 led to discovery of two novel features. First, in Brca2 Δ12-14 oocytes, but not in the spermatocytes nor wild types, we observed RPA foci as doublets ∼200 nm apart, which could represent DSB end separation. Second, we describe RPA structures that are completely HR-dependent and are indicative of long, double-stranded DNA connections between homologs prior to synapsis. The observations led us to a model for chromosome alignment via multiple, tensed DNA tethers that connect the homologous DNA regions. We propose that in combination with dynamic adjustment of chromatin loops by meiotic cohesins, this is a plausible molecular mechanism to bring the homologs closer and initiate synapsis.