BRCA2 is a tumor suppressor that functions in homologous recombination, a key genomic integrity pathway. BRCA2 interacts with RAD51, the central protein of recombination, which forms filaments on single-stranded DNA (ssDNA) to perform homology search and DNA strand invasion. We report the purification of full-length human BRCA2 and show that it binds to ~6 RAD51 molecules and promotes RAD51 binding to ssDNA coated by replication protein A (RPA), in a manner that is stimulated by DSS1.

ABSTRACT Displacement loops (D-loops) are intermediates formed during homologous recombination that play a pivotal role in the fidelity of repair. Rdh54 (a.k.a. Tid1), a Rad54 paralog in Saccharomyces cerevisiae , is well-known for its role with Dmc1 recombinase during meiotic recombination. Yet contrary to Dmc1, Rdh54 is also present in somatic cells where its function is less understood. While Rdh54 enhances the Rad51 DNA strand invasion activity in vitro , it is unclear how it interplays with Rad54-mediated invasions. Here, we show that Rdh54 inhibits D-loop formation by Rad51 and Rad54 in an ATPase-independent manner. Using a novel D-loop Mapping Assay, we further demonstrate that Rdh54 uniquely restricts the lengths of Rad54-mediated D-loops. The alterations in D-loop properties appear to be important for cell survival and mating-type switch in haploid yeast, whereas Rdh54 expression is suppressed in diploids. We propose that Rdh54 and Rad54 compete for potential binding sites within the Rad51 filament, where Rdh54 acts as a physical roadblock to Rad54’s translocation activity, limiting D-loop formation and D-loop length.

ABSTRACT Displacement loops (D-loops) are signature intermediates formed during homologous recombination. Numerous factors regulate D-loop formation and disruption, thereby influencing crucial aspects of DNA repair, including donor choice and the possibility of a crossover outcome. While D-loop detection methods exist, it is currently unfeasible to assess the relationship between D-loop editors and D-loop characteristics such as length and position. Here, we developed a novel in vitro assay to characterize the length and position of individual D-loop with base-pair resolution and deep coverage, while also revealing their distribution in a population. Non-denaturing bisulfite treatment modifies the cytosines on the displaced strand of the D-loop to uracil, leaving a permanent signature for the displaced strand. Subsequent single-molecule real-time sequencing uncovers the cytosine conversion patch as a D-loop footprint, revealing D-loop characteristics at unprecedented resolution. The D-loop Mapping Assay is widely applicable with different substrates and donor types and can be used to study factors that influence D-loop properties.

The Mec1/ATR kinase is crucial for genome stability, yet the mechanism by which it prevents gross chromosomal rearrangements (GCRs) remains unknown. Here we find that in cells with deficient Mec1 signaling, GCRs accumulate due to the deregulation of multiple steps in homologous recombination (HR). Mec1 primarily suppresses GCRs through its role in activating the canonical checkpoint kinase Rad53, which ensures the proper control of DNA end resection. Upon loss of Rad53 signaling and resection control, Mec1 becomes hyperactivated and triggers a salvage pathway in which the Sgs1 helicase is recruited to sites of DNA lesions via the 911-Dpb11 scaffolds and phosphorylated by Mec1 to favor heteroduplex rejection and limit HR-driven GCR accumulation. Fusing an ssDNA recognition domain to Sgs1 bypasses the requirement of Mec1 signaling for GCR suppression and nearly eliminates D-loop formation, thus preventing non-allelic recombination events. We propose that Mec1 regulates multiple steps of HR to prevent GCRs while ensuring balanced HR usage when needed for promoting tolerance to replication stress.

Homologous recombination (HR) is a high-fidelity repair mechanism for double-strand breaks. Rad51 is the key enzyme that forms filaments on single-stranded DNA (ssDNA) to catalyze homology search and DNA strand exchange in recombinational DNA repair. In this study, we employed single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) to ascertain the density map of the budding yeast Rad51-ssDNA filament bound to ADP-AlF

Abstract Punctuated bursts of structural genomic variations (SVs) have been described in various organisms, but their etiology remains incompletely understood. Homologous recombination (HR) is a template-guided mechanism of repair of DNA double-strand breaks and stalled or collapsed replication forks. We recently identified a DNA break amplification and genome rearrangement pathway originating from the endonucleolytic processing of a multi-invasion (MI) DNA joint molecule formed during HR. Genome-wide sequencing approaches confirmed that multi-invasion-induced rearrangement (MIR) frequently leads to several repeat-mediated SVs and aneuploidies. Using molecular and genetic analysis, and a novel, highly sensitive proximity ligation-based assay for chromosomal rearrangement quantification, we further delineate two MIR sub-pathways. MIR1 is a universal pathway occurring in any sequence context, which generates secondary breaks and frequently leads to additional SVs. MIR2 occurs only if recombining donors exhibit substantial homology, and results in sequence insertion without additional break or SV. The most detrimental MIR1 pathway occurs late on a subset of persisting DNA joint molecules in a PCNA/Polδ-independent manner, unlike recombinational DNA synthesis. This work provides a refined mechanistic understanding of these HR-based SV formation pathways and shows that complex repeat-mediated SVs can occur without displacement DNA synthesis. Sequence signatures for inferring MIR1 from long-read data are proposed.

Repairing DNA double-strand breaks is crucial for maintaining genome integrity, which occurs primarily through homologous recombination (HR) in

Stalled replication forks can be processed by several distinct mechanisms collectively called post-replication repair which includes homologous recombination, fork regression, and translesion DNA synthesis. However, the regulation of the usage between these pathways is not fully understood. The Rad51 protein plays a pivotal role in maintaining genomic stability through its roles in HR and in protecting stalled replication forks from degradation. We report the isolation of separation-of-function mutations in

The Mec1/ATR kinase is crucial for genome stability, yet the mechanism by which it prevents gross chromosomal rearrangements (GCRs) remains unknown. Here we find that in cells with deficient Mec1 signaling, GCRs accumulate due to the deregulation of multiple steps in homologous recombination (HR). Mec1 primarily suppresses GCRs through its role in activating the canonical checkpoint kinase Rad53, which ensures the proper control of DNA end resection. Upon loss of Rad53 signaling and resection control, Mec1 becomes hyperactivated and triggers a salvage pathway in which the Sgs1 helicase is recruited to sites of DNA lesions via the 911-Dpb11 scaffolds to favor heteroduplex rejection and limit HR-driven GCR accumulation. Fusing an ssDNA recognition domain to Sgs1 bypasses the requirement of Mec1 signaling for GCR suppression and nearly eliminates D-loop formation, thus preventing non-allelic recombination events. We propose that Mec1 regulates multiple steps of HR to prevent GCRs while ensuring balanced HR usage when needed for promoting tolerance to replication stress.

Displacement-loops (D-loops) are pivotal intermediates of homologous recombination (HR), a universal DNA double strand break (DSB) repair pathway. We developed a versatile assay for the physical detection of D-loops in vivo, which enabled studying the kinetics of their formation and defining the network of D-loop formation and reversal pathways. Nascent D-loops are detected within 2 hrs of DSB formation and extended over the next 2 hrs in a system allowing break-induced replication. The majority of D-loops are disrupted in wild type cells by two pathways: one supported by the Srs2 helicase and the other by the Mph1 helicase and the Sgs1-Top3-Rmi1 helicase-topoisomerase complex. Both pathways operate without significant overlap and are delineated by the Rad54 paralog Rdh54 in an ATPase-independent fashion. This study uncovers a novel layer of HR control in cells relying on nascent D-loop dynamics, revealing unsuspected complexities, and identifying a surprising role for a conserved Rad54 paralog.