Repair of DNA double-strand breaks by the non-homologous end-joining pathway is initiated by the binding of Ku to DNA ends. Multiple Ku proteins load onto linear DNAs in vitro. However, in cells, Ku loading is limited to ∼1–2 molecules per DNA end. The mechanisms enforcing this limit are currently unclear. Here, we show that the catalytic subunit of the DNA-dependent protein kinase (DNA-PKcs), but not its protein kinase activity, is required to prevent excessive Ku entry into chromatin. Ku accumulation is further restricted by two mechanisms: a neddylation/FBXL12-dependent process that actively removes loaded Ku molecules throughout the cell cycle and a CtIP/ATM-dependent mechanism that operates in S phase. Finally, we demonstrate that the misregulation of Ku loading leads to impaired transcription in the vicinity of DNA ends. Together, our data shed light on the multiple mechanisms operating to prevent Ku from invading chromatin and interfering with other DNA transactions.

ABSTRACT Chronic DNA replication stress and genome instability are two hallmarks of cancer that fuel oncogenesis and tumor diversity. Therapeutic approaches aimed to leverage tumor-specific replication stress to intolerable levels or to expose vulnerabilities for synthetic lethality purposes have recently gained momentum, especially for pancreatic cancer, a disease with no cure. However, the current knowledge regarding the molecular mechanisms involved in the replication stress response in pancreatic tumors is limited. Cytidine deaminase (CDA) is involved in the pyrimidine salvage pathway for DNA and RNA synthesis. Loss of CDA induces genomic instability in Bloom Syndrome, and CDA protects tumor cells from chemotherapy with pyrimidine analogs. Here, we show that CDA is overexpressed in genetically unstable pancreatic tumors, associates with a DNA replication signature, and is instrumental for experimental tumor growth. In cancer cells, CDA promotes DNA replication, increases replication fork speed, and controls replication stress and genomic stability levels. CDA expression is predictive of DNA-damaging drug efficacy and targeting CDA relieves resistance to chemotherapy in patients models, both in vitro and in vivo . Our findings shed new light on the mechanisms by which pancreatic cancer cells control replication stress, and highlight targeting of CDA as a potential therapeutic strategy to defeat tumor resistance to treatment.

Summary Repair of DNA double strand breaks by the non-homologous end-joining pathway is initiated by the binding of Ku to DNA ends. Given its high affinity for ends, multiple Ku proteins load onto linear DNAs in vitro. However, in cells, Ku loading is limited to ∼1-2 molecules per DNA end. The mechanisms enforcing this limit are currently unknown. Here we show that the catalytic subunit of the DNA-dependent protein kinase (DNA-PKcs), but not its protein kinase activity, is required to prevent excessive Ku entry into chromatin. Ku accumulation is further restricted by two mechanisms: a neddylation/FBXL12-dependent process which actively removes loaded Ku molecules throughout the cell cycle and a CtIP/ATM-dependent mechanism which operates in S-phase. Finally, we demonstrate that the misregulation of Ku loading leads to impaired transcription in the vicinity of DNA ends. Together our data shed light on the multiple layers of coordinated mechanisms operating to prevent Ku from invading chromatin and interfering with other DNA transactions. Highlights DNA-PKcs structurally blocks Ku sliding into chromatin in human & Xenopus A neddylation/FBXL12-dependent mechanism limits Ku accumulation on chromatin In S-phase, ATM/CtIP overcomes Ku accumulation In absence of DNA-PKcs, transcription at the DNA end vicinity is inhibited eTOC blurb The DNA end binding protein Ku can slide onto naked DNA but this is limited in cells. Using human cells and Xenopus egg extracts, DNA-PKcs is identified as the main structural barrier to Ku entry into chromatin, along with two active mechanisms which limit Ku accumulation in absence of DNA-PKcs. Graphical abstract

KDM5A and KDM5B histone-demethylases are overexpressed in many cancers and have been involved in drug tolerance. Here, we describe that KDM5A, together with KDM5B, contribute to replication stress (RS) response and tolerance. First, they positively regulate RRM2, the regulatory subunit of Ribonucleotide Reductase. Second, they are required for optimal activation of Chk1, a major player of the intra-S phase checkpoint that protects cells from RS. This role in Chk1 activation is probably direct since KDM5A is enriched at ongoing replication forks and associates with both PCNA and Chk1. Because RRM2 is a major determinant of replication stress tolerance, we developed cells resistant to HU, and show that KDM5A/B proteins are required for both RRM2 overexpression and tolerance to HU, in a manner that is independent of their demethylase activity. Altogether, our results indicate that KDM5A/B are major players of RS management. They also show that drugs targeting the enzymatic activity of KDM5 proteins may not affect all cancer-related consequences of KDM5A/B overexpression.