Summary

 The exosome complex of 3′–5′ exonucleases participates in RNA maturation and quality control and can rapidly degrade RNA-protein complexes in vivo. However, the purified exosome showed weak in vitro activity, indicating that rapid RNA degradation requires activating cofactors. This work identifies a nuclear polyadenylation complex containing a known exosome cofactor, the RNA helicase Mtr4p; a poly(A) polymerase, Trf4p; and a zinc knuckle protein, Air2p. In vitro, the Trf4p/Air2p/Mtr4p polyadenylation complex (TRAMP) showed distributive RNA polyadenylation activity. The presence of the exosome suppressed poly(A) tail addition, while TRAMP stimulated exosome degradation through structured RNA substrates. In vivo analyses showed that TRAMP is required for polyadenylation and degradation of rRNA and snoRNA precursors that are characterized exosome substrates. Poly(A) tails stimulate RNA degradation in bacteria, suggesting that this is their ancestral function. We speculate that this function was maintained in eukaryotic nuclei, while cytoplasmic mRNA poly(A) tails acquired different roles in translation.

The extensively studied yeast GAL1–10 gene cluster is tightly regulated by environmental sugar availability. Unexpectedly, under repressive conditions the 3′ region of the GAL10 coding sequence is trimethylated by Set1 on histone H3 K4, normally characteristic of 5′ regions of actively transcribed genes. This reflects transcription of a long noncoding RNA (GAL10-ncRNA) that is reciprocal to GAL1 and GAL10 mRNAs and driven by the DNA-binding protein Reb1. Point mutations in predicted Reb1-binding sites abolished Reb1 binding and ncRNA synthesis. The GAL10-ncRNA is transcribed approximately once every 50 min and targeted for degradation by the TRAMP and exosome complexes, resulting in low steady-state levels (approximately one molecule per 14 cells). GAL10-ncRNA transcription recruits the methyltransferase Set2 and histone deacetylation activities in cis, leading to stable changes in chromatin structure. These chromatin modifications act principally through the Rpd3S complex to aid glucose repression of GAL1–10 at physiologically relevant sugar concentrations.

SUMMARY Tof1/Timeless protects eukaryotic cells from DNA replication stress as part of the Fork Protection Complex (FPC). Tof1 supports rapid DNA replication, fork pausing, and resolution of DNA topological stress. Here, we show that disruption of FPC function through loss of either Tof1 or Mrc1 results in DNA damage in long replicons. Despite increasing DNA damage in long replicons, loss of either Tof1 or Mrc1 concurrently reduces DNA damage in regions prone to damage caused by DNA topological stress, indicating that the rapid replication promoted by the FPC fosters completing DNA replication at the cost of increased vulnerability to DNA topological stress. Supporting this we find that a tof1 mutation that selectively inhibits DNA topological stress resolution increases DNA damage in contexts prone to DNA topological stress. Our data indicates that the FPC balances rapid replication with recruitment of topoisomerase I to resolve the topological stress generated by increased DNA unwinding.

Abstract Understanding the distribution of sites at which replication forks stall, and the ensuing fork processing events, requires genome-wide methods sensitive to both changes in replication fork structure and the formation of recombinogenic DNA ends. Here we describe T ransferase- A ctivated E nd L igation seq uencing (TrAEL-seq), a method that captures single stranded DNA 3’ ends genome-wide and with base pair resolution. TrAEL-seq labels DNA breaks, and profiles both stalled and processive replication forks in yeast and mammalian cells. Replication forks stalling at defined barriers and expressed genes are detected by TrAEL-seq with exceptional signal-to-noise, most likely through labelling of DNA 3’ ends exposed during fork reversal. TrAEL-seq also labels unperturbed processive replication forks to yield maps of replication fork direction similar to those obtained by Okazaki fragment sequencing, however TrAEL-seq is performed on asynchronous populations of wild-type cells without incorporation of labels, cell sorting, or biochemical purification of replication intermediates, rendering TrAEL-seq simpler and more widely applicable than existing replication fork direction profiling methods. The specificity of TrAEL-seq for DNA 3’ ends also allows accurate detection of double strand break sites after the initiation of DNA end resection, which we demonstrate by genome-wide mapping of meiotic double strand break hotspots in a dmc1 Δ mutant. Overall, TrAEL-seq provides a flexible and robust methodology with high sensitivity and resolution for studying DNA replication and repair, which will be of significant use in determining mechanisms of genome instability.

Abstract Caloric restriction increases lifespan and improves ageing health, but it is unknown whether these outcomes can be separated or achieved through less severe interventions. Here we show that an unrestricted galactose diet in early life minimises change during replicative ageing in budding yeast, irrespective of diet later in life. Lifespan and average mother cell division rate are comparable between glucose and galactose diets, but markers of senescence and the progressive dysregulation of gene expression observed on glucose are minimal on galactose, showing these to be associated rather than intrinsic aspects of the replicative ageing process. Respiration on galactose is critical for minimising hallmarks of ageing, and forced respiration during ageing on glucose by over-expression of the mitochondrial biogenesis factor Hap4 also has the same effect though only in a fraction of cells. This fraction maintains Hap4 activity to advanced age with low senescence and a youthful gene expression profile, whereas other cells in the same population lose Hap4 activity, undergo dramatic dysregulation of gene expression and accumulate fragments of chromosome XII (ChrXIIr), which are tightly associated with senescence. Our findings support the existence of two separable ageing trajectories in yeast. We propose that a complete shift to the healthy ageing mode can be achieved in wild-type cells through dietary change in early life without restriction.

Abstract Adaptive mutations can cause drug resistance in cancers and pathogens, and increase the tolerance of agricultural pests and diseases to chemical treatment. When and how adaptive mutations form is often hard to discern, but we have shown that adaptive copy number amplification of the copper resistance gene CUP1 occurs in response to environmental copper due to CUP1 transcriptional activation. Here we dissect the mechanism by which CUP1 transcription in budding yeast stimulates copy number variation (CNV). We show that transcriptionally stimulated CNV requires TREX-2 and Mediator, such that cells lacking TREX-2 or Mediator respond normally to copper but cannot acquire increased resistance. Mediator and TREX-2 cause replication stress by tethering transcribed loci to nuclear pores, a process known as gene gating, and transcription at the CUP1 locus causes a TREX-2-dependent accumulation of replication forks indicative of replication fork stalling. TREX-2-dependent CUP1 gene amplification occurs by a Rad52 and Rad51-mediated homologous recombination mechanism that is enhanced by histone H3K56 acetylation and repressed by Pol32, factors known to alter the frequency of template switching during break induced replication (BIR). CUP1 amplification is also critically dependent on late firing replication origins present in the CUP1 repeats, and mutations that remove or inactivate these origins strongly suppress the acquisition of copper resistance. We propose that replicative stress imposed by nuclear pore association causes replication bubbles from these origins to collapse soon after firing, leaving an epigenetic scar of H3K56 acetylation that promotes template switching during later break induced replication events. The capacity for inefficient replication origins to promote copy number variation renders certain genomic regions more fragile than others, and therefore more likely to undergo adaptive evolution through de novo gene amplification.

Abstract Mutations and gene amplifications that confer drug resistance emerge frequently during chemotherapy, but their mechanism and timing is poorly understood. Here, we investigate BRAF V600E amplification events that underlie resistance to the MEK inhibitor selumetinib (AZD6244/ARRY-142886) in COLO205 cells, a well-characterised model for reproducible emergence of drug resistance, and show that de novo amplification of BRAF is the primary path to resistance irrespective of pre-existing amplifications. Selumetinib causes long-term G1 arrest accompanied by reduced expression of DNA replication and repair genes, but cells stochastically re-enter the cell cycle during treatment despite continued repression of pERK1/2. Most DNA replication and repair genes are re-expressed as cells enter S and G2, however, mRNAs encoding a subset of factors important for error-free replication and chromosome segregation including TIPIN, PLK2 and PLK3 remain at low abundance. This suggests that DNA replication in drug is more error prone and provides an explanation for the DNA damage observed under long-term RAF-MEK-ERK1/2 pathway inhibition. To test the hypothesis that DNA replication in drug promotes de novo BRAF amplification, we exploited the combination of palbociclib and selumetinib. Combined treatment with selumetinib and a dose of palbociclib sufficient to reinforce G1 arrest in selumetinib-sensitive cells, but not to impair proliferation of resistant cells, delays the emergence of resistant colonies, meaning that escape from G1 arrest is critical in the formation of resistant clones. Our findings demonstrate that acquisition of MEK inhibitor resistance often occurs through de novo gene amplification and can be suppressed by impeding cell cycle entry in drug.

Abstract Microsatellite-unstable (MSI) cancers require WRN helicase to resolve replication stress due to expanded DNA (TA)n-dinucleotide repeats. WRN is a promising synthetic lethal target for MSI tumours, and WRN inhibitors are in development. Here, we used CRISPR-Cas9 base editing to map WRN residues critical for MSI cells, validating the helicase domain as the primary drug target. Fragment-based screening led to the development of potent and highly selective WRN helicase covalent inhibitors. These compounds selectively suppressed MSI model growth In vitro and In vivo by mimicking WRN loss, inducing DNA double-strand breaks at expanded TA-repeats and DNA damage. Assessment of biomarkers in preclinical models linked TA-repeat expansions and mismatch repair (MMR) alterations to compound activity. Efficacy was confirmed in immunotherapy-resistant organoids and patient-derived xenograft (PDX) models. The discovery of potent, selective covalent WRN inhibitors provides proof of concept for synthetic-lethal targeting of WRN in MSI cancer and tools to dissect WRN biology. Citation Format: Gabriele Picco, Yanhua Rao, Angham Al Saedi, Yang Lee, Shriram Bhosle, Carmen Herranz-Ors, Samantha Walker, Kieron May, Matthew Coelho, Jon Houseley, Benjamin Schwartz, Mathew J. Garnett. Novel WRN helicase inhibitors selectively target microsatellite unstable cancer cells [abstract]. In: Proceedings of the AACR Special Conference in Cancer Research: Expanding and Translating Cancer Synthetic Vulnerabilities; 2024 Jun 10-13; Montreal, Quebec, Canada. Philadelphia (PA): AACR; Mol Cancer Ther 2024;23(6 Suppl):Abstract nr B020.

Abstract The massive accumulation of extrachromosomal ribosomal DNA circles (ERCs) in yeast mother cells has been long cited as the primary driver of replicative ageing. ERCs arise through ribosomal DNA (rDNA) recombination and a wealth of genetic data connects rDNA instability events giving rise to ERCs with shortened lifespan and other ageing pathologies. However, we understand little about the molecular effects of ERC accumulation. Here we studied ageing in the presence and absence of ERCs, and unexpectedly found no evidence of gene expression differences that might indicate stress responses or metabolic feedback caused by ERCs. Neither did we observe any global change in the widespread disruption of gene expression that accompanies yeast ageing, altogether suggesting that ERCs are largely inert. Much of the differential gene expression that accompanies ageing in yeast was actually associated with markers of the Senescence Entry Point (SEP), showing that senescence rather than age underlies these changes. Cells passed the SEP irrespective of ERCs, but we found the SEP to be associated with copy number amplification of a region of chromosome XII between the rDNA and the telomere (ChrXIIr), which arises in aged cells due to rDNA instability but through a different mechanism to ERCs. Therefore, although rDNA copy number increases dramatically with age due to ERC accumulation, our findings implicate ChrXIIr, rather than ERCs, as the primary driver of senescence during budding yeast ageing.

Collision of a replication fork with a DNA nick is thought to generate a one-ended break, fostering genomic instability. Collision of the opposing converging fork with the nick could, in principle, form a second DNA end, enabling conservative repair by homologous recombination (HR). To study mechanisms of nickase-induced HR, we developed the Flp recombinase "step arrest" nickase in mammalian cells. Flp-nickase-induced HR entails two-ended, BRCA2/RAD51-dependent short tract gene conversion (STGC), BRCA2/RAD51-independent long tract gene conversion, and discoordinated two-ended invasions. HR induced by a replication-independent break and by the Flp-nickase differ in their dependence on BRCA1 . To determine the origin of the second DNA end during Flp-nickase-induced STGC, we blocked the opposing fork using a site-specific Tus/ Ter replication fork barrier. Flp-nickase-induced STGC remained robust and two-ended. Thus, collision of a single replication fork with a Flp-nick can trigger two-ended HR, possibly reflecting replicative bypass of lagging strand nicks. This response may limit genomic instability during replication of a nicked DNA template.