DNA can be repaired by two fundamentally different mechanisms, depending on whether a homologous template is available or not. Given that DNA is duplicated in S phase, homologous recombination is restricted to S and G2 phases of the cell cycle. The activity of cyclin-dependent kinases (CDKs) is also cell-cycle regulated, and the yeast CDK Cdc28 controls DNA resection, an early step of homologous recombination. In this work, Huertas et al. show that the target of Cdc28 in regulating DNA resection is Sae2, a protein with endonuclease activity that was first identified as being required for meiotic recombination. These results support models in which the commitment to DSB resection is highly regulated to ensure that the cell engages the most appropriate DNA repair pathway at the right time, thereby optimizing genome stability. DNA can be repaired by two different mechanisms, depending on whether a homologous template is available. Thus, homologous recombination is restricted to S and G2 phases of the cell cycle. The activity of cyclin-dependent kinases (CDKs) is also cell cycle regulated, and the yeast CDK Cdc28 controls DNA resection, an early step of homologous recombination. This work shows that the target of Cdc28 in regulating DNA resection is Sae2. DNA double-strand breaks (DSBs) are repaired by two principal mechanisms: non-homologous end-joining (NHEJ) and homologous recombination (HR)1. HR is the most accurate DSB repair mechanism but is generally restricted to the S and G2 phases of the cell cycle, when DNA has been replicated and a sister chromatid is available as a repair template2,3,4,5. By contrast, NHEJ operates throughout the cell cycle but assumes most importance in G1 (refs 4, 6). The choice between repair pathways is governed by cyclin-dependent protein kinases (CDKs)2,3,5,7, with a major site of control being at the level of DSB resection, an event that is necessary for HR but not NHEJ, and which takes place most effectively in S and G2 (refs 2, 5). Here we establish that cell-cycle control of DSB resection in Saccharomyces cerevisiae results from the phosphorylation by CDK of an evolutionarily conserved motif in the Sae2 protein. We show that mutating Ser 267 of Sae2 to a non-phosphorylatable residue causes phenotypes comparable to those of a sae2Δ null mutant, including hypersensitivity to camptothecin, defective sporulation, reduced hairpin-induced recombination, severely impaired DNA-end processing and faulty assembly and disassembly of HR factors. Furthermore, a Sae2 mutation that mimics constitutive Ser 267 phosphorylation complements these phenotypes and overcomes the necessity of CDK activity for DSB resection. The Sae2 mutations also cause cell-cycle-stage specific hypersensitivity to DNA damage and affect the balance between HR and NHEJ. These findings therefore provide a mechanistic basis for cell-cycle control of DSB repair and highlight the importance of regulating DSB resection.

Summary

 The response to DNA damage is critical for cellular homeostasis, tumor suppression, immunity, and gametogenesis. In order to provide an unbiased and global view of the DNA damage response in human cells, we undertook 31 CRISPR-Cas9 screens against 27 genotoxic agents in the retinal pigment epithelium-1 (RPE1) cell line. These screens identified 890 genes whose loss causes either sensitivity or resistance to DNA-damaging agents. Mining this dataset, we discovered that ERCC6L2 (which is mutated in a bone-marrow failure syndrome) codes for a canonical non-homologous end-joining pathway factor, that the RNA polymerase II component ELOF1 modulates the response to transcription-blocking agents, and that the cytotoxicity of the G-quadruplex ligand pyridostatin involves trapping topoisomerase II on DNA. This map of the DNA damage response provides a rich resource to study this fundamental cellular system and has implications for the development and use of genotoxic agents in cancer therapy.

Abstract With its ligand estrogen, the estrogen receptor (ER) stimulates tumor cell growth by activating a global transcriptional program. This activation involves topoisomerase 2 (TOP2), which resolves topological problems by transiently creating and re-ligating DNA double-strand breaks (DSBs). Recent studies have uncovered the involvement of DNA repair proteins in the repair of TOP2-induced DSBs. These noncanonical repair pathways may serve as backup processes when TOP2 is halted and fails to re-ligate DSBs, but their impact on transcription remains elusive. In this study, we investigated the role of tyrosyl-DNA phosphodiesterase 2 (TDP2), an enzyme that acts for the removal of halted TOP2 from the 5’-end of the DNA, in the estrogen-induced transcriptome. Using TDP2-deficient ER-positive cells and mice, we showed that TDP2 regulates the expression of oncogene MYC . MYC induction by estrogen was a very early event (1 hour) and TOP2-dependent. In TDP2-deficient cells, the induction of MYC by estrogen became prolonged and volatile. Bulk and single-cell RNA-seq identified the oncogenes MYC and CCND1 as genes whose estrogen response was regulated by TDP2. These results suggest that TDP2 may play a role in the repair of TOP2-induced DSBs in specific genomic loci and tightly regulates the expression of oncogenes.

SUMMARY Human type-II topoisomerases, TOP2A and TOP2B, remove transcription associated DNA supercoiling, thereby affecting gene-expression programs, and have recently been associated with 3D genome architecture. Here, we study the regulatory roles of TOP2 paralogs in response to estrogen, which triggers an acute transcriptional induction that involves rewiring of genome organization. We find that, whereas TOP2A facilitates transcription, as expected for a topoisomerase, TOP2B limits the estrogen response. Consistent with this, TOP2B activity is locally downregulated upon estrogen treatment to favor the establishment and stabilization of regulatory chromatin contacts, likely through an accumulation of DNA supercoiling. We show that estrogen-mediated inhibition of TOP2B requires estrogen receptor α (ERα), a non-catalytic function of TOP2A, and the action of the atypical SUMO-ligase ZATT. This mechanism of topological transcriptional-control, which may be shared by additional gene-expression circuits, highlights the relevance of DNA topoisomerases as central actors of genome dynamics.

Abstract The analysis of DNA sequence outcomes provides molecular insights into double-strand break (DSB) repair mechanisms. By employing parallel in-pool profiling of Cas9-induced indels within a genome-wide knockout library, we present a comprehensive catalog detailing how virtually every human gene influences the DSB repair process. This REPAIRome resource is validated through the identification of novel mechanisms, pathways and factors involved in DSB repair, including unexpected opposing roles for XLF and PAXX in DNA end processing, a molecular explanation for Cas9-induced multi-nucleotide insertions, the identification of HLTF as a DSB-repair factor, the involvement of the SAGA complex in microhomology-mediated end joining, and importantly, an indel mutational signature linked to VHL loss, renal carcinoma and hypoxia. Collectively, these results exemplify the potential of REPAIRome to drive future discoveries in DSB repair, CRISPR-Cas gene editing and the etiology of cancer mutational signatures.

Multiple sclerosis (MS) is characterized by neuroinflammation and demyelination of the central nervous system (CNS), leading to disablility. Genetic variants that confer MS risk implicate genes involved in immune function, while variants related to severity of the disease are associated with genes preferentially expressed within the CNS. Current MS therapies decrease relapse rates by preventing immune-mediated damage of myelin, but they ultimately fail to slow long-term disease progression, which apparently depends on CNS intrinsic processes. The molecular events that trigger progressive MS are still unknown. Here we report that the C-terminal region of TAF1 (the scaffolding subunit of the general transcription factor TFIID) is underrepresented in postmortem brain tissue from individuals with MS. Furthermore, we demonstrate in vivo, in genetically modified mice, that C-terminal alteration of TAF1 suffices to induce an RNA polymerase II (RNAPII)-elongation deficit that particularly affects oligodendroglial myelination-related genes and results in an MS-like brain transcriptomic signature, including increased expression of proinflammatory genes. This transcriptional profile is accompanied by CNS-resident inflammation, robust demyelination and MS-like motor phenotypes. We also identify numerous interactors of C-terminal TAF1 that participate in RNAPII-promoter escape, of which two show evidence for genetic association to MS. Our study reveals that TAF1 dysfunction converges with genetic susceptibility to cause transcriptional dysregulation in CNS cell types, such as oligodendrocytes, to ultimately trigger MS.

Cellular DNA is under constant attack by a wide variety of agents, both endogenous and exogenous. To counteract DNA damage, human cells have a large collection of DNA repair factors. Among them, DNA polymerase lambda (Polλ) stands out for its versatility, as it participates in different DNA repair and damage tolerance pathways in which gap-filling DNA synthesis is required. In this work we show that human Polλ is conjugated with Small Ubiquitin-like MOdifier (SUMO) proteins both in vitro and in vivo, with Lys27 being the main target of this covalent modification. Polλ SUMOylation takes place in the nuclear pore complex and is mediated by the E3 ligase RanBP2. This post-translational modification promotes Polλ entry into the nucleus, which is required for its recruitment to DNA lesions and stimulated by DNA damage induction. Our work represents an advance in the knowledge of molecular pathways that regulate cellular localization of human Polλ, which are essential to be able to perform its functions during repair of nuclear DNA, and that might constitute an important point for the modulation of its activity in human cells.

DNA topoisomerase IIβ (TOP2B) is fundamental to remove topological problems linked to DNA metabolism and 3D chromatin architecture, but its cut-and-reseal catalytic mechanism can accidentally cause DNA double-strand breaks (DSBs) that can seriously compromise genome integrity. Understanding the factors that determine the genome-wide distribution of TOP2B is therefore not only essential for a complete knowledge of genome dynamics and organization, but also for the implications of TOP2-induced DSBs in the origin of oncogenic translocations and other types of chromosomal rearrangements. Here, we conduct a machine-learning approach for the prediction of TOP2B binding sites using publicly available sequencing data. We achieve highly accurate predictions,with accessible chromatin and architectural factors being the most informative features. Strikingly, TOP2B is sufficiently explained by only three features: DNase I hypersensitivity, CTCF and cohesin binding, for which genome-wide data are widely available. Based on this, we develop a predictive model for TOP2B genome-wide binding that can be used across cell lines and species, and generate virtual probability tracks that accurately mirror experimental ChIP-seq data. Our results deepen our knowledge on how the accessibility and 3Dorganization of chromatin determine TOP2B function, and constitute a proof of principle regarding the in silico prediction of sequence-independent chromatin-binding factors.

The response to DNA damage is critical for cellular homeostasis, tumor suppression, immunity and gametogenesis. In order to provide an unbiased and global view of the DNA damage response in human cells, we undertook 28 CRISPR/Cas9 screens against 25 genotoxic agents in the retinal pigment epithelium-1 (RPE1) cell line. These screens identified 840 genes whose loss causes either sensitivity or resistance to DNA damaging agents. Mining this dataset, we uncovered that ERCC6L2, which is mutated in a bone-marrow failure syndrome, codes for a canonical non-homologous end-joining pathway factor; that the RNA polymerase II component ELOF1 modulates the response to transcription-blocking agents and that the cytotoxicity of the G-quadruplex ligand pyridostatin involves trapping topoisomerase II on DNA. This map of the DNA damage response provides a rich resource to study this fundamental cellular system and has implications for the development and use of genotoxic agents in cancer therapy.