PARP-catalysed ADP-ribosylation (ADPr) is important in regulating various cellular pathways. Until recently, PARP-dependent mono-ADP-ribosylation has been poorly understood due to the lack of sensitive detection methods. Here, we utilised an improved antibody to detect mono-ADP-ribosylation. We visualised endogenous interferon (IFN)-induced ADP-ribosylation and show that PARP14 is a major enzyme responsible for this modification. Fittingly, this signalling is reversed by the macrodomain from SARS-CoV-2 (Mac1), providing a possible mechanism by which Mac1 counteracts the activity of antiviral PARPs. Our data also elucidate a major role of PARP9 and its binding partner, the E3 ubiquitin ligase DTX3L, in regulating PARP14 activity through protein-protein interactions and by the hydrolytic activity of PARP9 macrodomain 1. Finally, we also present the first visualisation of ADPr-dependent ubiquitylation in the IFN response. These approaches should further advance our understanding of IFN-induced ADPr and ubiquitin signalling processes and could shed light on how different pathogens avoid such defence pathways.

ABSTRACT PARP1 activity is regulated by its cofactor HPF1. The binding of HPF1 on PARP1 controls the grafting of ADP-ribose moieties on serine residues of proteins nearby the DNA lesions, mainly PARP1 and histones. However, the impact of HPF1 on DNA repair regulated by PARP1 remains unclear. Here, we show that HPF1 controls both the number and the length of the ADP-ribose chains generated by PARP1 at DNA lesions. We demonstrate that HPF1-dependent histone ADP-ribosylation, rather than auto-modification of PARP1, triggers the rapid unfolding of the chromatin structure at the DNA damage sites and promotes the recruitment of the repair factors CHD4 and CHD7. Together with the observation that HPF1 contributes to efficient repair both by homologous recombination and non-homologous end joining, our findings highlight the key roles played by this PARP1 cofactor at early stages of the DNA damage response.

Abstract The clinical success of PARP1/2 inhibitors (PARPi) prompts the expansion of their applicability beyond homologous recombination deficiency. Here, we demonstrate that the loss of the accessory subunits of DNA polymerase epsilon, POLE3 and POLE4, sensitizes cells to PARPi. We show that the sensitivity of POLE4 knockouts is not due to compromised response to DNA damage or homologous recombination deficiency. Instead, POLE4 loss affects replication speed leading to the accumulation of single-stranded DNA gaps behind replication forks upon PARPi treatment, due to impaired post-replicative repair. POLE4 knockouts elicit elevated replication stress signaling involving ATR and DNA-PK. We find POLE4 to act parallel to BRCA1 in inducing sensitivity to PARPi and counteracts acquired resistance associated with restoration of homologous recombination. Altogether, our findings establish POLE4 as a promising target to improve PARPi driven therapies and hamper acquired PARPi resistance.

Epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) allows cancer cells to metastasize while acquiring resistance to apoptosis and chemotherapeutic agents with significant implications for patients’ prognosis and survival. Despite its clinical relevance, the mechanisms initiating EMT during cancer progression remain poorly understood. We demonstrate that DNA damage triggers EMT and that activation of PARP and the PARP-dependent chromatin remodeler ALC1 (CHD1L) was required for this response. Our results suggest that this activation directly facilitates access to the chromatin of EMT transcriptional factors (TFs) which then initiate cell reprogramming. We also show that EMT-TFs bind to the RAD51 promoter to stimulate its expression and to promote DNA repair by homologous recombination (HR). Importantly, a clinically relevant PARP inhibitor reversed or prevented EMT in response to DNA damage while resensitizing tumor cells to other genotoxic agents. Overall, our observations shed light on the intricate relationship between EMT, DNA damage response, and PARP inhibitors, providing potential insights for in cancer therapeutics.

Poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) has emerged as a central target for cancer therapies due to the ability of PARP inhibitors to specifically kill tumors deficient for DNA repair by homologous recombination. Upon DNA damage, PARP1 quickly binds to DNA breaks and triggers ADP-ribosylation signaling. ADP-ribosylation is important for the recruitment of various factors to sites of damage, as well as for the timely dissociation of PARP1 from DNA breaks. Indeed, PARP1 becomes trapped at DNA breaks in the presence of PARP inhibitors, a mechanism underlying the cytotoxitiy of these inhibitors. Therefore, any cellular process influencing trapping is thought to impact PARP inhibitor efficiency, potentially leading to acquired resistance in patients treated with these drugs. There are numerous ADP-ribosylation targets after DNA damage, including PARP1 itself as well as histones. While recent findings reported that the automodification of PARP1 promotes its release from the DNA lesions, the potential impact of other ADP-ribosylated proteins on this process remains unknown. Here, we demonstrate that histone ADP-ribosylation is also crucial for the timely dissipation of PARP1 from the lesions, thus contributing to cellular resistance to PARP inhibitors. Considering the crosstalk between ADP-ribosylation and other histone marks, our findings open interesting perspectives for the development of more efficient PARP inhibitor-driven cancer therapies.

Abstract Epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) allows cancer cells to metastasize while acquiring resistance to apoptosis and to chemotherapeutic agents with significant implications in patients’ prognosis and survival. Despite its clinical relevance, the mechanisms initiating EMT during cancer progression remain poorly understood. We demonstrate that DNA damage triggers EMT by activating PARP and the PARP-dependent chromatin remodeler ALC1 (CHD1L). We show that this activation directly facilitates the access to chromatin of EMT transcriptional factors (TFs) which then initiate cell reprogramming. We also show that EMT-TFs bind to the RAD51 promoter to stimulate its expression and to promote DNA repair by recombination. Importantly, a clinically relevant PARP inhibitor totally reversed or prevented EMT in response to DNA damage while resensitizing tumor cells to other genotoxic agents. Overall, our observations shed light on the intricate relationship between EMT, DNA damage response and PARP inhibitors, providing valuable insights for future therapeutic strategies in cancer treatment.

ABSTRACT The DNA-glycosylase OGG1 oversees the detection and clearance of the 7,8-dihydro-8-oxoguanine (8-oxoG), which is the most frequent form of oxidized base in the genome. This lesion is deeply buried within the double-helix and its detection requires careful inspection of the bases by OGG1 via a mechanism that remains only partially understood. By analyzing OGG1 dynamics in the nucleus of living human cells, we demonstrate that the glycosylase constantly scans the DNA by rapidly alternating between diffusion within the nucleoplasm and short transits on the DNA. This scanning process, that we find to be tightly regulated by the conserved residue G245, is crucial for the rapid recruitment of OGG1 at oxidative lesions induced by laser micro-irradiation. Furthermore, we show that residues Y203, N149 and N150, while being all involved in early stages of 8-oxoG probing by OGG1 based on previous structural data, differentially regulate the scanning of the DNA and recruitment to oxidative lesions.

Abstract PARP14 is a mono-ADP-ribosyl transferase involved in the control of immunity, transcription and DNA replication stress management. However, little is known about the ADP-ribosylation activity of PARP14, including its substrate specificity or how PARP14-dependent ADP-ribosylation is reversed. Here we show that PARP14 is dual function enzyme with both ADP-ribosyl transferase and hydrolase activity acting on both protein and nucleic acid substrates. In particular, we show that the PARP14 macrodomain 1 is an active ADP-ribosyl hydrolase. We also demonstrate hydrolytic activity for the first macrodomain of PARP9. We reveal that expression of a PARP14 mutant with the inactivated macrodomain 1 results in a dramatic increase in mono(ADP-ribosyl)ation of proteins in human cells, including PARP14 itself and antiviral PARP13. Moreover, we demonstrate that the closely related hydrolytically active macrodomain of SARS2 Nsp3, Mac1, efficiently reverses PARP14 ADP-ribosylation in vitro and in cells, supporting the evolution of viral macrodomains to counteract PARP14-mediated antiviral response. Teaser PARP14 is an antiviral PARP that combines ADP-ribosylation writer, reader and eraser functions in one polypeptide.

The clinical success of PARP1/2 inhibitors prompts the expansion of their applicability beyond homologous recombination deficiency. Here, we demonstrate that the loss of the accessory subunits of DNA polymerase epsilon, POLE3 and POLE4, sensitizes cells to PARP inhibitors. We show that the sensitivity of POLE4 knockouts is not due to a compromised response to DNA damage or homologous recombination deficiency. Instead, POLE4 deletion generates replication stress with the accumulation of single-stranded DNA gaps upon PARP inhibitor treatment. In POLE4 knockouts, replication stress leads to elevated DNA-PK signaling revealing a role of POLE4 in regulating DNA-PK activation. Moreover, POLE4 knockouts show synergistic sensitivity to the co-inhibition of ATR and PARP. Finally, POLE4 loss enhances the sensitivity of BRCA1-deficient cells to PARP inhibitors and counteracts acquired resistance consecutive to restoration of homologous recombination. Altogether, our findings establish POLE4 as a promising target to improve PARP inhibitor driven therapies and hamper acquired PARP inhibitor resistance.