ABSTRACT The MUS81 complex is crucial for preserving genome stability through resolution of branched DNA intermediates in mitosis and also for the processing of deprotected replication forks in BRCA2-deficient cells. Because of the existence of two different MUS81 complexes in mammalian cells that act in M or S-phase, whether and how the PARPi sensitivity of BRCA2-deficient cells is affected by loss of MUS81 function is unclear. Here, using a mutant of MUS81 that impairs its function in M-phase, we show that viability of BRCA2-deficient cells but not their PARPi sensitivity requires a fully-functional MUS81 complex in mitosis. In contrast, expression of a constitutively-active MUS81 is sufficient to confer PARPi resistance. From a mechanistic point of view, our data indicates that deregulated action of the mitotic active form of MUS81 in S-phase leads to the cleavage of stalled replication forks before their reversal, bypassing fork deprotection, and engaging a Polθ-dependent DSBs repair. Collectively, our findings describe a novel mechanism leading to PARPi resistance that involves unscheduled MUS81-dependent cleavage of intact, unreversed replication forks. Since this cleavage occurs mimicking the phosphorylated status of S87 of MUS81, our data suggest that hyperphosphorylation of this residue in S-phase might represent a novel biomarker to identify resistance to PARPi.

Replication gaps can arise as a consequence of perturbed DNA replication and their accumulation might undermine the stability of the genome. Loss of RAD52, a protein involved in the regulation of fork reversal, promotes accumulation of parental ssDNA gaps during replication perturbation. Here, we demonstrate that this is due to the engagement of Polα downstream of the extensive degradation of perturbed replication forks after their reversal, and is not dependent on PrimPol. Polα is hyper-recruited at parental ssDNA in the absence of RAD52, and this recruitment is dependent on fork reversal enzymes and RAD51. Of note, we report that the interaction between Polα and RAD51 is stimulated by RAD52 inhibition, and Polα-dependent gap accumulation requires nucleation of RAD51 suggesting that it occurs downstream strand invasion. Altogether, our data indicate that RAD51-Polα-dependent repriming is essential to promote fork restart and limit DNA damage accumulation when RAD52 function is disabled.

ABSTRACT R-loops are non-canonical DNA structures that form during transcription and play diverse roles in various physiological processes. Disruption of R-loop homeostasis can lead to genomic instability and replication impairment, contributing to several human diseases, including cancer. Although the molecular mechanisms that protect cells against such events are not fully understood, recent research has identified the fork protection factors and the DNA damage response proteins as regulators of R-loop dynamics. Here, we identify the Werner helicase-interacting protein 1 (WRNIP1) as a novel factor that counteracts transcription-associated DNA damage upon replication perturbation. Loss of WRNIP1 leads to R-loop accumulation, resulting in collisions between the replisome and transcription machinery. We observe co-localization of WRNIP1 with transcription/replication complexes and R-loops after replication perturbation, suggesting its involvement in resolving transcription-replication conflicts. Moreover, WRNIP1-deficient cells show impaired replication restart from transcription-induced fork stalling. Notably, transcription inhibition and RNase H1 overexpression rescue all the defects caused by loss of WRNIP1. Importantly, our findings highlight the critical role of WRNIP1 ubiquitin-binding zinc finger (UBZ) domain in preventing pathological persistence of R-loops and limiting DNA damage, thereby safeguarding genome integrity.

ABSTRACT The WRN protein mutated in the hereditary premature aging disorder Werner syndrome plays a vital role in handling, processing, and restoring perturbed replication forks. One of its most abundant partners, Replication Protein A (RPA), has been shown to robustly enhance WRN helicase activity in specific cases when tested in vitro . However, the significance of RPA-binding to WRN at replication forks in vivo has remained largely unexplored. In this study, we have identified several conserved phosphorylation sites in the acidic domain of WRN that are targeted by Casein Kinase 2 (CK2). Surprisingly, these phosphorylation sites are essential for the interaction between WRN and RPA, both in vitro and in human cells. By characterizing a CK2-unphosphorylatable WRN mutant that lacks the ability to bind RPA, we have determined that the WRN-RPA complex plays a critical role in fork recovery after replication stress whereas the WRN-RPA interaction is not necessary for the processing of replication forks or preventing DNA damage when forks stall or collapse. When WRN fails to bind RPA, fork recovery is impaired, leading to the accumulation of single-stranded DNA gaps in the parental strands, which are further enlarged by the structure-specific nuclease MRE11. Notably, RPA-binding by WRN and its helicase activity are crucial for countering the persistence of G4 structures after fork stalling. Therefore, our findings reveal for the first time a novel role for the WRN-RPA interaction to facilitate fork restart, thereby minimizing G4 accumulation at single-stranded DNA gaps and suppressing accumulation of unreplicated regions that may lead to MUS81-dependent double-strand breaks requiring efficient repair by RAD51 to prevent excessive DNA damage.

The Schimke immuno-osseous dysplasia is an autosomal recessive genetic osteochondrodysplasia characterized by dysmorphism, spondyloepiphyseal dysplasia, nephrotic syndrome and frequently T cell immunodeficiency. Several hypotheses have been proposed to explain pathophysiology of the disease, however, the mechanism by which SMARCAL1 mutations cause the syndrome is elusive. Indeed, animal models of the disease are absent or useless to provide insight into the disease mechanism, since they do not recapitulate the phenotype. We generated a conditional knockdown model of SMARCAL1 in iPSCs to mimic conditions of cells with severe form the disease. Here, we characterize this model for the presence of phenotype linked to the replication caretaker role of SMARCAL1 using multiple cellular endpoints. Our data show that conditional knockdown of SMARCAL1 in human iPSCs induces replication-dependent and chronic accumulation of DNA damage triggering the DNA damage response. Furthermore, they indicate that accumulation of DNA damage and activation of the DNA damage response correlates with increased levels of R-loops and replication-transcription interference. Finally, we provide data showing that, in SMARCAL1-deficient iPSCs, DNA damage response can be maintained active also after differentiation, possibly contributing to the observed altered expression of a subset of germ layer-specific master genes. In conclusion, our conditional SMARCAL1 iPSCs may represent a powerful model where studying pathogenetic mechanisms of severe Schimke immuno-osseous dysplasia, thus overcoming the reported inability of different model systems to recapitulate the disease.

The MUS81 complex is crucial for preserving genome stability through the resolution of branched DNA intermediates in mitosis. However, untimely activation of the MUS81 complex in S-phase is dangerous. Little is known about the regulation of the human MUS81 complex and how deregulated activation affects chromosome integrity. Here, we show that the CK2 kinase phosphorylates MUS81 at Serine 87 in late-G2/mitosis, and upon mild replication stress. Phosphorylated MUS81 interacts with SLX4, and this association promotes the function of the MUS81 complex. In line with a role in mitosis, phosphorylation at Serine 87 is suppressed in S-phase and is mainly detected in the MUS81 molecules associated with EME1. Loss of CK2-dependent MUS81 phosphorylation contributes modestly to chromosome integrity, however, expression of the phosphomimic form induces DSBs accumulation in S-phase, because of unscheduled targeting of HJ-like DNA intermediates, and generates a wide chromosome instability phenotype. Collectively, our findings describe a novel regulatory mechanism controlling the MUS81 complex function in human cells. Furthermore, they indicate that, genome stability depends mainly on the ability of cells to counteract targeting of branched intermediates by the MUS81/EME1 complex in S-phase, rather than on a correct MUS81 function in mitosis.

Stabilisation of the stalled replication fork is crucial to prevent excessive fork reversal or degradation, which can undermine genome integrity. The WRN protein is a human RecQ helicase that participates in the processing and recovery of perturbed replication forks. WRN is unique among the other human RecQ family members to possess exonuclease activity. However, the biological role of the WRN exonuclease is poorly defined, and little is known about an involvement in the response to perturbed replication. Recently, the WRN exonuclease has been linked to protection of stalled forks from MRE11-dependent degradation in response to clinically-relevant nanomolar doses of the Topoisomerase I inhibitor camptothecin. Alternative processing of perturbed forks has been associated to chemoresistance of BRCA-deficient cancer cells, thus, we used WRN exonuclease-deficiency as a model to investigate the fate of perturbed replication forks undergoing degradation, but in a BRCA wild-type condition. We find that, upon nanomolar doses of camptothecin, loss of WRN exonuclease stimulates fork inactivation and accumulation of parental gaps, which engages RAD51. Such alternative mechanism affects reinforcement of CHK1 phosphorylation and causes persistence of RAD51 during recovery from treatment. Notably, in WRN exonuclease-deficient cells, persistence of RAD51 correlates with elevated mitotic phosphorylation of MUS81 at Serine 87, which is essential to avoid accumulation of mitotic abnormalities. Altogether, these findings indicate that aberrant fork degradation, in the presence of a wild-type RAD51 axis, stimulates RAD51-mediated post-replicative repair and engagement of the MUS81 complex to limit genome instability and cell death.

Conflicts between replication and transcription are common source of genome instability and many factors participate in prevention or removal of harmful R-loops. Here, we demonstrate that a WRNIP1-mediated response plays an important role in counteracting accumulation of aberrant R-loops. Using human cellular models with compromised ATR-dependent checkpoint activation, we show that WRNIP1 is stabilised in chromatin and is needed for maintaining genome integrity by mediating the ATM-dependent phosphorylation of CHK1. Furthermore, we show that loss of WRN or ATR signalling leads to accumulation of R-loop-dependent parental ssDNA, which is covered by RAD51. We demonstrate that WRNIP1 chromatin retention is also required to stabilise the association of RAD51 with ssDNA in proximity of R-loops. Therefore, in these pathological contexts, ATM inhibition or WRNIP1 abrogation is accompanied by increased levels of genomic instability. Overall our findings reveal a novel function of WRNIP1 in preventing R-loop-driven genome instability, providing new clues to understand the way replication-transcription conflicts are resolved.

Abstract Double-strand breaks (DSBs) can cause chromosome rearrangements, leading to cancer and some genetic diseases. WRN and SAMHD1 are proteins implicated in DSB processing and form a complex. Our study shows that SAMHD1 influences the nuclear recruitment of WRN in response to CPT-induced DSBs. Silencing SAMHD1 restores single-stranded DNA formation in WRN-deficient cells. However, DSB accumulation from CPT treatment is not recovered in WRN S1133A or WS cells when SAMHD1 is silenced. This suggests SAMHD1 cooperates with WRN in DNA damage repair and may have additional protective roles when WRN function in DSBs processing is impaired.

ABSTRACT MUS81 is a structure-specific endonuclease that processes DNA intermediates in mitosis and in S-phase following replication stress. MUS81 is crucial to cleave deprotected reversed forks in BRCA2-deficient cells. However, how MUS81 is regulated during replication stress in human cells remains unknown. Our study reveals that CHK2 binds the MUS81-EME2 complex and positively regulates formation of DSBs upon replication stress or in the absence of BRCA2. The association with MUS81 occurs through the FHA domain of CHK2 and is disabled by the Li-Fraumeni-associated mutation I157T. The CHK2-MUS81-EME2 complex forms downstream fork reversal and degradation, and phosphorylation of MUS81 at CHK2-targeted sites is crucial to introduce DSBs at deprotected replication forks ensuring the replication fork recovery in BRCA2-deficient cells. Collectively, our work sheds light into the regulation of the MUS81-EME2 complex and identifies a novel function of the ATM-CHK2 axis in the response to deprotected replication forks in the absence of BRCA2.