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 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 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.