DNA double-strand breaks repaired by non-homologous end joining display limited DNA end-processing and chromosomal mobility. By contrast, double-strand breaks undergoing homology-directed repair exhibit extensive processing and enhanced motion. The molecular basis of this movement is unknown. Here, using Xenopus laevis cell-free extracts and mammalian cells, we establish that nuclear actin, WASP, and the actin-nucleating ARP2/3 complex are recruited to damaged chromatin undergoing homology-directed repair. We demonstrate that nuclear actin polymerization is required for the migration of a subset of double-strand breaks into discrete sub-nuclear clusters. Actin-driven movements specifically affect double-strand breaks repaired by homology-directed repair in G2 cell cycle phase; inhibition of actin nucleation impairs DNA end-processing and homology-directed repair. By contrast, ARP2/3 is not enriched at double-strand breaks repaired by non-homologous end joining and does not regulate non-homologous end joining. Our findings establish that nuclear actin-based mobility shapes chromatin organization by generating repair domains that are essential for homology-directed repair in eukaryotic cells. Polymerization of actin in the cell nucleus, promoted by the ARP2/3 complex, drives the clustering of double-strand DNA breaks into nuclear compartments where they can undergo homology-directed repair.

Innate immune signaling activation and DNA damage are pathological hallmarks of aging that may herald multiple adult-onset neurodegenerative diseases. Here, we report that production of cytoplasmic double-stranded RNA (cdsRNA) in murine olfactory neurons from a regulated, disarticulated transgene induces type I interferon (IFN-I) signaling and neuronal death in both a cell autonomous and non-autonomous manner. CdsRNA is a pathogen associated molecular pattern that induces IFN-I in other cell types. Transfection of a dsRNA mimetic into cultured human neurons also induces IFN-I signaling and cell death. Direct relevance to human disease is found in neurons of ALS-FTD patients carrying C9ORF72 intronic hexanucleotide expansions; cdsRNA isolated from these tissues is comprised of repeat sequences. Together, these findings implicate cdsRNA generated from genomic sequences in neurons as a trigger for sterile, viral-mimetic IFN-I induction and propagated death within in a neural circuit.

The success of messenger RNA therapeutics largely depends on the availability of delivery systems that enable the safe, effective and stable translation of genetic material into functional proteins. Here we show that extracellular vesicles (EVs) produced via cellular nanoporation from human dermal fibroblasts, and encapsulating mRNA encoding for extracellular-matrix α1 type-I collagen (COL1A1) induced the formation of collagen-protein grafts and reduced wrinkle formation in the collagen-depleted dermal tissue of mice with photoaged skin. We also show that the intradermal delivery of the mRNA-loaded EVs via a microneedle array led to the prolonged and more uniform synthesis and replacement of collagen in the dermis of the animals. The intradermal delivery of EV-based COL1A1 mRNA may make for an effective protein-replacement therapy for the treatment of photoaged skin.

Summary DNA end-resection and nuclear actin-based movements orchestrate clustering of double-strand breaks (DSBs) into homology-directed repair (HDR) domains. Here, we analyze how actin nucleation by ARP2/3 affects damage-dependent and -independent 3D genome reorganization and facilitates pathologic repair. We observe that DNA damage, followed by ARP2/3-dependent establishment of repair domains enhances local chromatin insulation at a set of damage-proximal boundaries and affects compartment organization genome-wide. Nuclear actin polymerization also promotes interactions between DSBs, which in turn facilitates aberrant intra- and inter-chromosomal rearrangements. Notably, BRCA1 deficiency, which decreases end-resection, DSB mobility, and subsequent HDR, nearly abrogates recurrent translocations between AsiSI DSBs. In contrast, loss of functional BRCA1 yields unique translocations genome-wide, reflecting a critical role in preventing spontaneous genome instability and subsequent rearrangements. Our work establishes that the assembly of DSB repair domains is coordinated with multiscale alterations in genome architecture that enable HDR despite increased risk of translocations with pathologic potential.