SAMHD1 was previously characterized as a dNTPase that protects cells from viral infections. Mutations in SAMHD1 are implicated in cancer development and in a severe congenital inflammatory disease known as Aicardi–Goutières syndrome. The mechanism by which SAMHD1 protects against cancer and chronic inflammation is unknown. Here we show that SAMHD1 promotes degradation of nascent DNA at stalled replication forks in human cell lines by stimulating the exonuclease activity of MRE11. This function activates the ATR–CHK1 checkpoint and allows the forks to restart replication. In SAMHD1-depleted cells, single-stranded DNA fragments are released from stalled forks and accumulate in the cytosol, where they activate the cGAS–STING pathway to induce expression of pro-inflammatory type I interferons. SAMHD1 is thus an important player in the replication stress response, which prevents chronic inflammation by limiting the release of single-stranded DNA from stalled replication forks. SAMHD1 has an essential role in the replication stress response and prevents inflammation by activating the MRE11 nuclease to degrade nascent DNA strands at stalled replication forks, thus enabling replication.

DNA replication stress can cause chromosomal instability and tumor progression. One key pathway that counteracts replication stress and promotes faithful DNA replication consists of the Fanconi anemia (FA) proteins. However, how these proteins limit replication stress remains largely elusive. Here we show that conflicts between replication and transcription activate the FA pathway. Inhibition of transcription or enzymatic degradation of transcription-associated R-loops (DNA:RNA hybrids) suppresses replication fork arrest and DNA damage occurring in the absence of a functional FA pathway. Furthermore, we show that simple aldehydes, known to cause leukemia in FA-deficient mice, induce DNA:RNA hybrids in FA-depleted cells. Finally, we demonstrate that the molecular mechanism by which the FA pathway limits R-loop accumulation requires FANCM translocase activity. Failure to activate a response to physiologically occurring DNA:RNA hybrids may critically contribute to the heightened cancer predisposition and bone marrow failure of individuals with mutated FA proteins.

ABSTRACT Accurate genome replication is essential for all life and a key mechanism of disease prevention, underpinned by the ability of cells to respond to replicative stress (RS) and protect replication forks. These responses rely on the formation of Replication Protein A (RPA)-single stranded (ss) DNA complexes, yet this process remains largely uncharacterized. Here we establish that actin nucleation-promoting factors (NPFs) associate with replication forks, promote efficient DNA replication and facilitate association of RPA with ssDNA at sites of RS. Accordingly, their loss leads to deprotection of ssDNA at perturbed forks, impaired ATR activation, global replication defects and fork collapse. Supplying an excess of RPA restores RPA foci formation and fork protection, suggesting a chaperoning role for actin nucleators (ANs) (i.e., Arp2/3, DIAPH1) and NPFs (i.e, WASp, N-WASp) in regulating RPA availability upon RS. We also discover that β-actin interacts with RPA directly in vitro , and in vivo a hyper-depolymerizing β-actin mutant displays a heightened association with RPA and the same dysfunctional replication phenotypes as loss of ANs/NPFs, which contrasts with the phenotype of a hyper-polymerizing β-actin mutant. Thus, we identify components of actin polymerization pathways that are essential for preventing ectopic nucleolytic degradation of perturbed forks by modulating RPA activity.

SUMMARY Telomerase-independent cancer proliferation via the alternative lengthening of telomeres (ALT) relies upon two distinct, largely uncharacterized, break-induced-replication (BIR) processes. How cancer cells initiate and regulate these terminal repair mechanisms is unknown. Here, we establish that the EXD2 nuclease is recruited to ALT telomeres to direct their productive repair. We demonstrate that EXD2 loss leads to telomere shortening, elevated telomeric sister chromatid exchanges, C-circle formation as well as BIR-mediated telomeric replication. We discover that EXD2 fork-processing activity triggers a switch between RAD52-dependent and -independent ALT-associated BIR. The latter is suppressed by EXD2 but depends specifically on the fork remodeler SMARCAL1 and the MUS81 nuclease. Thus, our findings suggest that processing of stalled replication forks orchestrates elongation pathway choice at ALT telomeres. Finally, we show that co-depletion of EXD2 with BLM, DNA2 or POLD3 confers synthetic lethality in ALT cells, identifying EXD2 as a potential druggable target for ALT-reliant cancers.