Human cleavage-stage embryos frequently acquire chromosomal aneuploidies during mitosis due to unknown mechanisms. Here, we show that S phase at the 1-cell stage shows replication fork stalling, low fork speed, and DNA synthesis extending into G2 phase. DNA damage foci consistent with collapsed replication forks, DSBs, and incomplete replication form in G2 in an ATR- and MRE11-dependent manner, followed by spontaneous chromosome breakage and segmental aneuploidies. Entry into mitosis with incomplete replication results in chromosome breakage, whole and segmental chromosome errors, micronucleation, chromosome fragmentation, and poor embryo quality. Sites of spontaneous chromosome breakage are concordant with sites of DNA synthesis in G2 phase, locating to gene-poor regions with long neural genes, which are transcriptionally silent at this stage of development. Thus, DNA replication stress in mammalian preimplantation embryos predisposes gene-poor regions to fragility, and in particular in the human embryo, to the formation of aneuploidies, impairing developmental potential.

Pooled genetic screens are powerful tools to study gene function in a high-throughput manner. Typically, sequencing-based screens require cell lysis, which limits the examination of critical phenotypes such as cell morphology, protein subcellular localization, and cell-cell/tissue interactions. In contrast, emerging optical pooled screening methods enable the investigation of these spatial phenotypes in response to targeted CRISPR perturbations. In this study, we report a multi-omic optical pooled CRISPR screening method, which we have named CRISPRmap. Our method combines a novel in situ CRISPR guide identifying barcode readout approach with concurrent multiplexed immunofluorescence and in situ RNA detection. CRISPRmap barcodes are detected and read out through combinatorial hybridization of DNA oligos, enhancing barcode detection efficiency, while reducing both dependency on third party proprietary sequencing reagents and assay cost. Notably, we conducted a multi-omic base-editing screen in a breast cancer cell line on core DNA damage repair genes involved in the homologous recombination and Fanconi anemia pathways investigating how nucleotide variants in those genes influence DNA damage signaling and cell cycle regulation following treatment with ionizing radiation or DNA damaging agents commonly used for cancer therapy. Approximately a million cells were profiled with our multi-omic approach, providing a comprehensive phenotypic assessment of the functional consequences of the studied variants. CRISPRmap enabled us to pinpoint likely-pathogenic patient-derived mutations that were previously classified as variants of unknown clinical significance. Furthermore, our approach effectively distinguished barcodes of a pooled library in tumor tissue, and we coupled it with cell-type and molecular phenotyping by cyclic immunofluorescence. Multi-omic spatial analysis of how CRISPR-perturbed cells respond to various environmental cues in the tissue context offers the potential to significantly expand our understanding of tissue biology in both health and disease.

Alternative Lengthening of Telomeres (ALT) is a telomere maintenance mechanism mediated by break-induced replication (BIR), evident in approximately 15% of human cancers. A characteristic feature of ALT cancers is the presence of C-circles, circular single-stranded telomeric DNAs composed of C-rich sequences. Despite the fact that extrachromosomal C-rich single-stranded DNAs (ssDNAs), unique to ALT cells, are considered potential precursors of C-circles, their generation process remains undefined. Here, we introduce a highly sensitive method to detect single stranded telomeric DNA, called 4SET (Strand-Specific Southern-blot for Single-stranded Extrachromosomal Telomeres) assay. Utilizing 4SET, we are able to capture C-rich single stranded DNAs that are near 200 to 1500 nucleotides in size. Both linear C-rich ssDNAs and C-circles are abundant in the fractions of cytoplasm and nucleoplasm, which supports the idea that linear C-rich ssDNA accumulation may indeed precede C-circle formation. We also found that C-rich ssDNAs originate during Okazaki fragment processing during lagging strand DNA synthesis. The generation of C-rich ssDNA requires CST-PP (CTC1/STN1/TEN1-PRIMASE-Polymerase alpha) complex-mediated priming of the C-strand DNA synthesis and subsequent excessive strand displacement of the C-rich strand mediated by the DNA Polymerase delta and the BLM helicase. Our work proposes a new model for the generation of C-rich ssDNAs and C-circles during ALT-mediated telomere elongation.

Homologous recombination (HR) mediates the error-free repair of DNA double-strand breaks to maintain genomic stability. HR is carried out by a complex network of DNA repair factors. Here we identify C17orf53/MCM8IP, an OB-fold containing protein that binds ssDNA, as a novel DNA repair factor involved in HR. MCM8IP-deficient cells exhibit HR defects, especially in long-tract gene conversion, occurring downstream of RAD51 loading, consistent with a role for MCM8IP in HR-dependent DNA synthesis. Moreover, loss of MCM8IP confers cellular sensitivity to crosslinking agents and PARP inhibition. Importantly, we identify a direct interaction with MCM8-9, a putative helicase complex mutated in Primary Ovarian Insufficiency, that is crucial for MCM8IP ability to promote resistance to DNA damaging agents. In addition to its association with MCM8-9, MCM8IP also binds directly to RPA1. We show that the interactions of MCM8IP with both MCM8-9 and RPA are required to maintain replication fork progression in response to treatment with crosslinking agents. Collectively, our work identifies MCM8IP as a key regulator of DNA damage-associated DNA synthesis during DNA recombination and replication.