Inverted repeats (IRs) that can form a hairpin or cruciform structure are common in the human genome and may be sources of instability. An IR involving the human Alu sequence (Alu-IR) has been studied as a model of such structures in yeast. We found that an Alu-IR is a mitotic recombination hotspot requiring MRE11/RAD50/XRS2 and SAE2. Using a newly developed approach for mapping rare double-strand breaks (DSBs), we established that induction of recombination results from breaks that are terminated by hairpins. Failure of the mre11, rad50, xrs2, and sae2 mutants to process the hairpins blocks recombinational repair of the DSBs and leads to generation of chromosome inverted duplications. Our results suggest an additional role for the Mre11 complex in maintaining genome stability.

The cytidine deaminases APOBEC3A and APOBEC3B (A3B) are prominent mutators of human cancer genomes. However, tumor-specific genetic modulators of APOBEC-induced mutagenesis are poorly defined. Here, we utilized a screen to identify 61 gene deletions that increase A3B-induced mutations in yeast. Also, we determined whether each deletion was epistatic with UNG1 loss, which indicated whether the encoded factors participate in the error-free bypass of A3B/Ung1-dependent abasic sites or suppress A3B-catalyzed deamination by protecting against aberrant formation of single stranded DNA (ssDNA). Additionally, we determined that the mutation spectra of A3B-induced mutations revealed genotype-specific patterns of strand-specific ssDNA formation and nucleotide incorporation across APOBEC-induced lesions. Combining these three metrics we were able to establish a multifactorial signature of APOBEC-induced mutations specific to (1) failure to remove H3K56 acetylation, which results in extremely high A3B-induced mutagenesis, (2) defective CTF18-RFC complex function, which results in high levels of A3B induced mutations specifically on the leading strand template that synergistically increase with loss of UNG1, and (3) defective HR-mediated bypass of APOBEC-induced lesions, which were epistatic with Ung1 loss and result from increased Rev1-mediated C-to-G substitutions. We extended these results by analyzing mutation data for human tumors and found BRCA1/2-deficient breast cancer tumors display 3- to 4-fold more APOBEC-induced mutations. Mirroring our results in yeast, for BRCA1/2 deficient tumors Rev1-mediated C-to-G substitutions are solely responsible for increased APOBEC-signature mutations and these mutations occur on the lagging strand during DNA replication. Together these results identify important factors that influence the dynamics of DNA replication and likely the abundance of APOBEC-induced mutation during tumor progression as well as a novel mechanistic role for BRCA1/2 during HR-dependent lesion bypass of APOBEC-induced lesions during cancer cell replication.

Abstract Positive and counter-selectable markers have been successfully integrated as a part of numerous genetic assays in many model organisms. In this study, we investigate the mechanism of resistance to arginine analog canavanine and its applicability for genetic selection in Schizosaccharomyces pombe . Deletion of both arginine permease genes cat1 and can1 provides strong drug resistance, while the single can1 deletion does not have impact on canavanine resistance. Surprisingly, the widely used can1-1 allele does not match to the can1 gene but rather corresponds to the any1-523C>T allele. The strong canavanine-resistance conferred by this allele arises from an inability to deposit basic amino acid transporters on the cellular membrane. any1-523C>T leads to reduced post-translational modifications of Any1 regulated by the Tor2 kinase. We also demonstrate that any1-523C>T is a dominate allele. Our results uncover the mechanisms of canavanine-resistance in fission yeast and open the opportunity of using cat1, can1 and any1 mutant alleles in genetic assays.

The ability to re-engineer and creatively evolve the translation system (TS) would allow invention of new coded polymers by altering the amino acid sidechain inventory and by shifting the polypeptide backbone into new chemical spaces. Unfortunately, the TS is difficult to manipulate and is more constrained over evolution than any other biological system. An orthogonal TS, running in parallel to the primary TS within a given host cell, would release constraints and allow TS manipulation. A fully orthogonal TS requires dedicated rRNAs, rProteins, aminoacyl-tRNA synthetases, and initiation and termination factors, none of which interact with the primary TS. The S. cerevisiae mitochondrial TS is fully orthogonal to the cytosolic TS. Mito-rRNAs, mito-rProteins, mito-tRNAs, mito-aminoacyl tRNA synthetases, and mito-translation factors are distinct from, physically separated from, and functionally independent of their cytosolic counterparts. Here, the S. cerevisiae mitochondrial translation system was subjected to various stresses including antibiotics, mutagenesis and truncation of mito-rProteins, or wholesale replacement of mito-rProteins. Directed evolution of these stressed systems was facilitated by controlled transitions between fermentation and respiration, by changing the carbon source in the growth medium; the dependence of S. cerevisiae survival on mitochondrial translation can be toggled on and off. Specific recreation of the resulting mutations recapitulate the evolved phenotypes. The method developed here appears to be a general approach for discovering functional dependencies. Suppressor mutations reveal functional dependencies within the S. cerevisiae mitochondrial TS. For example proteins Rrg9 or Mrx1 interact with the mito-TS and have critical role in its function. The combined results indicate that the S. cerevisiae mitochondrial TS can be engineered and evolved in isolation of the cytosolic TS.