Summary Meiotic crossovers result from homology-directed repair of double strand breaks (DSBs). Unlike yeast and plants, where DSBs are generated near gene promoters, in many vertebrates, DSBs are enriched at hotspots determined by the DNA binding activity of the rapidly evolving zinc finger array of PRDM9 (PR domain zinc finger protein 9). PRDM9 subsequently catalyzes tri-methylation of lysine 4 and lysine 36 of Histone H3 in nearby nucleosomes. Here, we identify the dual histone methylation reader ZCWPW1, which is tightly co-expressed during spermatogenesis with Prdm9 and co-evolved with Prdm9 in vertebrates, as an essential meiotic recombination factor required for efficient synapsis and repair of PRDM9-dependent DSBs. In sum, our results indicate that the evolution of a dual histone methylation writer/reader system in vertebrates facilitated a shift in genetic recombination away from a static pattern near genes towards a flexible pattern controlled by the rapidly evolving DNA binding activity of PRDM9.

Genome stability is essential for all cell types. However, defects in DNA repair frequently lead to neurodevelopmental and neurodegenerative diseases, underscoring the particular importance of DNA repair in long-lived post-mitotic neurons. The neuronal genome is subjected to a constant barrage of endogenous DNA damage due to high levels of oxidative metabolism in the central nervous system. Surprisingly, we know little about the identity of the lesion(s) that accumulate in neurons and whether they accrue throughout the genome or at specific loci. Here, we show that neurons, but not other post-mitotic cells, accumulate unexpectedly high numbers of DNA single-strand breaks (SSBs) at specific sites within the genome. These recurrent SSBs are found within enhancers, and trigger DNA repair through recruitment and activation of poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP1) and XRCC1, the central SSB repair scaffold protein. Notably, deficiencies in PARP1, XRCC1, or DNA polymerase β elevate the localized incorporation of nucleotides, suggesting that the ongoing DNA synthesis at neuronal enhancers involves both short-patch and long-patch SSB repair processes. These data reveal unexpected levels of localized and continuous DNA single-strand breakage in neurons, suggesting an explanation for the neurodegenerative phenotypes that occur in patients with defective SSB repair.

Meiotic recombination is initiated by genome-wide SPO11-induced double-strand breaks (DSBs) that are processed by MRE11-mediated release of SPO11. The DSB is then resected and loaded with DMC1/RAD51 filaments that invade homologous chromosome templates. In most mammals, DSB locations (hotspots) are determined by the DNA sequence specificity of PRDM9. Here, we demonstrate the first direct detection of meiotic DSBs and resection in vertebrates by performing END-seq on mouse spermatocytes using low sample input. We find that DMC1 limits both the minimum and maximum lengths of resected DNA, whereas 53BP1, BRCA1 and EXO1 play surprisingly minimal roles in meiotic resection. Through enzymatic modifications to the END-seq protocol that mimic the in vivo processing of SPO11, we identify a novel meiotic recombination intermediate (SPO11-RI) present at all hotspots. The SPO11-bound intermediate is dependent on PRDM9 and caps the 3-prime resected end during engagement with the homologous template. We propose that SPO11-RI is generated because chromatin-bound PRDM9 asymmetrically blocks MRE11 from releasing SPO11. In Atm-/-spermatocytes, SPO11-RI is reduced while unresected DNA-bound SPO11 accumulate because of defective MRE11 initiation. Thus in addition to their global roles in governing SPO11 breakage, ATM and PRDM9 are critical local regulators of mammalian SPO11 processing.

Abstract DNA double-strand break (DSB) repair by homologous recombination is confined to the S and G 2 phases of the cell cycle partly due to 53BP1 antagonizing DNA end resection in G 1 phase and non-cycling quiescent (G 0 ) cells where DSBs are predominately repaired by non-homologous end joining (NHEJ). Unexpectedly, we uncovered extensive MRE11- and CtIP-dependent DNA end resection at DSBs in G 0 mammalian cells. A whole genome CRISPR/Cas9 screen revealed the DNA-dependent kinase (DNA-PK) complex as a key factor in promoting DNA end resection in G 0 cells. In agreement, depletion of FBXL12, which promotes ubiquitylation and removal of the KU70/KU80 subunits of DNA-PK from DSBs, promotes even more extensive resection in G 0 cells. In contrast, a requirement for DNA-PK in promoting DNA end resection in proliferating cells at the G 1 or G 2 phase of the cell cycle was not observed. Our findings establish that DNA-PK uniquely promotes DNA end resection in G 0 , but not in G 1 or G 2 phase cells, and has important implications for DNA DSB repair in quiescent cells.