The reversible phosphorylation of proteins on serine, threonine, and tyrosine residues is an important biological regulatory mechanism. In the context of genome integrity, signaling cascades driven by phosphorylation are crucial for the coordination and regulation of DNA repair. The two serine/threonine protein kinases ataxia telangiectasia-mutated (ATM) and Ataxia telangiectasia-mutated and Rad3-related (ATR) are key factors in this process, each specific for different kinds of DNA lesions. They are conserved across eukaryotes, mediating the activation of cell-cycle checkpoints, chromatin modifications, and regulation of DNA repair proteins. We designed a novel mass spectrometry-based phosphoproteomics approach to study DNA damage repair in Arabidopsis thaliana. The protocol combines filter aided sample preparation, immobilized metal affinity chromatography, metal oxide affinity chromatography, and strong cation exchange chromatography for phosphopeptide generation, enrichment, and separation. Isobaric labeling employing iTRAQ (isobaric tags for relative and absolute quantitation) was used for profiling the phosphoproteome of atm atr double mutants and wild type plants under either regular growth conditions or challenged by irradiation. A total of 10,831 proteins were identified and 15,445 unique phosphopeptides were quantified, containing 134 up- and 38 down-regulated ATM/ATR dependent phosphopeptides. We identified known and novel ATM/ATR targets such as LIG4 and MRE11 (needed for resistance against ionizing radiation), PIE1 and SDG26 (implicated in chromatin remodeling), PCNA1, WAPL, and PDS5 (implicated in DNA replication), and ASK1 and HTA10 (involved in meiosis).

Abstract Cohesin mediates sister chromatid cohesion to enable chromosome segregation and DNA damage repair. To perform these functions, cohesin needs to be protected from WAPL, which otherwise releases cohesin from DNA. It has been proposed that cohesin is protected from WAPL by SORORIN. However, in vivo evidence for this antagonism is missing and SORORIN is only known to exist in vertebrates and insects. It is therefore unknown how important and widespread SORORIN’s functions are. Here we report the identification of SORORIN orthologs in Schizosaccharomyces pombe (Sor1) and Arabidopsis thaliana (AtSORORIN). sor1Δ mutants display cohesion defects, which are partially alleviated by wpl1Δ. Atsororin mutant plants display dwarfism, tissue specific cohesion defects and chromosome mis-segregation. Furthermore, Atsororin mutant plants are sterile and separate sister chromatids prematurely at anaphase I. The somatic, but not the meiotic deficiencies can be alleviated by loss of WAPL. These results provide in vivo evidence for SORORIN antagonizing WAPL, reveal that SORORIN is present in organisms beyond the animal kingdom and indicate that it has acquired tissue specific functions in plants.

Introductory Paragraph In many species, including Arabidopsis, heterochromatin often comprises repetitive DNA elements, such as arrays of ribosomal DNA (rDNA). Repetitive regions pose a risk in meiosis since recombination between them can lead to gross genomic rearrangements. However, meiotic recombination at rDNA arrays and other heterochromatic repeat regions is blocked by not well understood mechanisms. Here, we have identified RAD21.2, an α-kleisin subunit of cohesin, as a repressor of meiotic recombination at the rDNA regions in Arabidopsis. We show that RAD21.2 co-localizes with heterochromatic factors and is specifically enriched at rDNA repeats, which are devoid of the meiosis specific α-kleisin REC8, needed for recombination. Knocking down RAD21.2, we find that REC8 moves into the nucleolus organizing regions (NORs), where we see an increase of RAD51 recombinase foci numbers. Concomitantly, we find extensive rearrangements of the NORs and the offspring of these plants have large variation in rDNA copy numbers demonstrating that RAD21.2 is necessary for transgenerational genome stability. One-Sentence Summary The cohesin component RAD21.2 represses meiotic recombination and by that contributes to genome stability over generations.

Abstract Despite vast differences between organisms, some characteristics of their genomes are conserved, such as the nucleolus organizing region (NOR). The NOR is constituted of multiple, highly repetitive rDNA genes, encoding the catalytic ribosomal core RNAs which are transcribed from 45S rDNA units. Their precise sequence information and organization remained uncharacterized. We used a combination of long- and short-read sequencing technologies to assemble contigs of the Arabidopsis NOR2 rDNA domain providing a first map. We identified several expressed rRNA gene variants which are integrated into translating ribosomes in a tissue-specific manner. These findings support the concept of tissue specific ribosome subpopulations that differ in their rRNA composition and provide the higher order organization of NOR2.

Ribosomal RNA genes are arranged in large arrays with hundreds of rDNA units in tandem. These highly repetitive DNA elements pose a risk to genome stability since they can undergo non-allelic exchanges. During meiosis DNA double strand breaks (DSBs) are induced as part of the regular program to generate gametes. Meiotic DSBs initiate homologous recombination (HR) which subsequently ensures genetic exchange and chromosome disjunction. In Arabidopsis thaliana we demonstrate that all 45S rDNA arrays become transcriptionally active and are recruited into the nucleolus early in meiosis. This shields the rDNA from acquiring canonical meiotic chromatin modifications, meiotic cohesin and meiosis-specific DSBs. DNA breaks within the rDNA arrays are repaired in a RAD51-independent, but LIG4-dependent manner, establishing that it is non-homologous end joining (NHEJ) that maintains rDNA integrity during meiosis. Utilizing ectopically integrated rDNA repeats we validate our findings and demonstrate that the rDNA constitutes a HR-refractory genome environment.

Abstract Cohesin mediates sister chromatid cohesion to enable chromosome segregation and DNA damage repair. To perform these functions, cohesin needs to be protected from WAPL, which otherwise releases cohesin from DNA. It has been proposed that cohesin is protected from WAPL by SORORIN. However, in vivo evidence for this antagonism is missing and SORORIN is only known to exist in vertebrates and insects. It is therefore unknown how important and widespread SORORIN’s functions are. Here we report the identification of SORORIN orthologs in Schizosaccharomyces pombe (Sor1) and Arabidopsis thaliana (AtSORORIN). sor1Δ mutants display cohesion defects, which are partially alleviated by wpl1Δ . Atsororin mutant plants display dwarfism, tissue specific cohesion defects and chromosome mis-segregation. Furthermore, Atsororin mutant plants are sterile and separate sister chromatids prematurely at anaphase I. The somatic, but not the meiotic deficiencies can be alleviated by loss of WAPL. These results provide in vivo evidence for SORORIN antagonizing WAPL, reveal that SORORIN is present in organisms beyond the animal kingdom and indicate that it has acquired tissue specific functions in plants.