ABSTRACT R-loops are non-canonical DNA structures that form during transcription and play diverse roles in various physiological processes. Disruption of R-loop homeostasis can lead to genomic instability and replication impairment, contributing to several human diseases, including cancer. Although the molecular mechanisms that protect cells against such events are not fully understood, recent research has identified the fork protection factors and the DNA damage response proteins as regulators of R-loop dynamics. Here, we identify the Werner helicase-interacting protein 1 (WRNIP1) as a novel factor that counteracts transcription-associated DNA damage upon replication perturbation. Loss of WRNIP1 leads to R-loop accumulation, resulting in collisions between the replisome and transcription machinery. We observe co-localization of WRNIP1 with transcription/replication complexes and R-loops after replication perturbation, suggesting its involvement in resolving transcription-replication conflicts. Moreover, WRNIP1-deficient cells show impaired replication restart from transcription-induced fork stalling. Notably, transcription inhibition and RNase H1 overexpression rescue all the defects caused by loss of WRNIP1. Importantly, our findings highlight the critical role of WRNIP1 ubiquitin-binding zinc finger (UBZ) domain in preventing pathological persistence of R-loops and limiting DNA damage, thereby safeguarding genome integrity.

The Schimke immuno-osseous dysplasia is an autosomal recessive genetic osteochondrodysplasia characterized by dysmorphism, spondyloepiphyseal dysplasia, nephrotic syndrome and frequently T cell immunodeficiency. Several hypotheses have been proposed to explain pathophysiology of the disease, however, the mechanism by which SMARCAL1 mutations cause the syndrome is elusive. Indeed, animal models of the disease are absent or useless to provide insight into the disease mechanism, since they do not recapitulate the phenotype. We generated a conditional knockdown model of SMARCAL1 in iPSCs to mimic conditions of cells with severe form the disease. Here, we characterize this model for the presence of phenotype linked to the replication caretaker role of SMARCAL1 using multiple cellular endpoints. Our data show that conditional knockdown of SMARCAL1 in human iPSCs induces replication-dependent and chronic accumulation of DNA damage triggering the DNA damage response. Furthermore, they indicate that accumulation of DNA damage and activation of the DNA damage response correlates with increased levels of R-loops and replication-transcription interference. Finally, we provide data showing that, in SMARCAL1-deficient iPSCs, DNA damage response can be maintained active also after differentiation, possibly contributing to the observed altered expression of a subset of germ layer-specific master genes. In conclusion, our conditional SMARCAL1 iPSCs may represent a powerful model where studying pathogenetic mechanisms of severe Schimke immuno-osseous dysplasia, thus overcoming the reported inability of different model systems to recapitulate the disease.

The MUS81 complex is crucial for preserving genome stability through the resolution of branched DNA intermediates in mitosis. However, untimely activation of the MUS81 complex in S-phase is dangerous. Little is known about the regulation of the human MUS81 complex and how deregulated activation affects chromosome integrity. Here, we show that the CK2 kinase phosphorylates MUS81 at Serine 87 in late-G2/mitosis, and upon mild replication stress. Phosphorylated MUS81 interacts with SLX4, and this association promotes the function of the MUS81 complex. In line with a role in mitosis, phosphorylation at Serine 87 is suppressed in S-phase and is mainly detected in the MUS81 molecules associated with EME1. Loss of CK2-dependent MUS81 phosphorylation contributes modestly to chromosome integrity, however, expression of the phosphomimic form induces DSBs accumulation in S-phase, because of unscheduled targeting of HJ-like DNA intermediates, and generates a wide chromosome instability phenotype. Collectively, our findings describe a novel regulatory mechanism controlling the MUS81 complex function in human cells. Furthermore, they indicate that, genome stability depends mainly on the ability of cells to counteract targeting of branched intermediates by the MUS81/EME1 complex in S-phase, rather than on a correct MUS81 function in mitosis.

Conflicts between replication and transcription are common source of genome instability and many factors participate in prevention or removal of harmful R-loops. Here, we demonstrate that a WRNIP1-mediated response plays an important role in counteracting accumulation of aberrant R-loops. Using human cellular models with compromised ATR-dependent checkpoint activation, we show that WRNIP1 is stabilised in chromatin and is needed for maintaining genome integrity by mediating the ATM-dependent phosphorylation of CHK1. Furthermore, we show that loss of WRN or ATR signalling leads to accumulation of R-loop-dependent parental ssDNA, which is covered by RAD51. We demonstrate that WRNIP1 chromatin retention is also required to stabilise the association of RAD51 with ssDNA in proximity of R-loops. Therefore, in these pathological contexts, ATM inhibition or WRNIP1 abrogation is accompanied by increased levels of genomic instability. Overall our findings reveal a novel function of WRNIP1 in preventing R-loop-driven genome instability, providing new clues to understand the way replication-transcription conflicts are resolved.

ABSTRACT Maintenance of genome integrity is essential for cell viability and depends on complete and accurate DNA replication. However, G4/R-loops may provide significant obstacles for DNA replication, as they can cause collisions between replication fork and the transcription machinery. Hence, cells require mechanisms to counteract the presence of persistent G4/R-loops, most of which remain poorly understood. Here, we demonstrate an involvement of the Werner helicase-interacting protein 1 (WRNIP1) in preventing DNA damage induced by G4/R-loop-associated transcription-replication conflicts. We discovered that the ubiquitin-binding domain of WRNIP1 is required to efficiently avoid pathological persistence of G4/R-loops upon replication stress. Also, we observed that G4s reside within R-loops and that WRNIP1 colocalises with these structures. Furthermore, WRNIP1 plays a role in restarting replication from transcription-induced fork stalling. More importantly, we characterized the interplay between WRNIP1 and the DNA helicase FANCJ in counteracting R-loop-dependent G4 formation in response to replication stress. Collectively, our findings propose a mechanisms whereby WRNIP1, contributing to stabilise FANCJ to G4 sites, mitigates the G4/R-loop-mediated transcription-replication conflicts and protects against DNA damage accumulation.