Neurons harbor high levels of single-strand DNA breaks (SSBs) that are targeted to neuronal enhancers, but the source of this endogenous damage remains unclear. Using two systems of postmitotic lineage specification—induced pluripotent stem cell–derived neurons and transdifferentiated macrophages—we show that thymidine DNA glycosylase (TDG)–driven excision of methylcytosines oxidized with ten-eleven translocation enzymes (TET) is a source of SSBs. Although macrophage differentiation favors short-patch base excision repair to fill in single-nucleotide gaps, neurons also frequently use the long-patch subpathway. Disrupting this gap-filling process using anti-neoplastic cytosine analogs triggers a DNA damage response and neuronal cell death, which is dependent on TDG. Thus, TET-mediated active DNA demethylation promotes endogenous DNA damage, a process that normally safeguards cell identity but can also provoke neurotoxicity after anticancer treatments.

Summary

 DNA becomes single stranded (ssDNA) during replication, transcription, and repair. Transiently formed ssDNA segments can adopt alternative conformations, including cruciforms, triplexes, and quadruplexes. To determine whether there are stable regions of ssDNA in the human genome, we utilized S1-END-seq to convert ssDNA regions to DNA double-strand breaks, which were then processed for high-throughput sequencing. This approach revealed two predominant non-B DNA structures: cruciform DNA formed by expanded (TA)_n repeats that accumulate in microsatellite unstable human cancer cell lines and DNA triplexes (H-DNA) formed by homopurine/homopyrimidine mirror repeats common across a variety of cell lines. We show that H-DNA is enriched during replication, that its genomic location is highly conserved, and that H-DNA formed by (GAA)_n repeats can be disrupted by treatment with a (GAA)_n-binding polyamide. Finally, we show that triplex-forming repeats are hotspots for mutagenesis. Our results identify dynamic DNA secondary structures in vivo that contribute to elevated genome instability.

Summary Genomic double-stranded DNA (dsDNA) becomes single-stranded (ssDNA) during replication, transcription, and DNA repair. ssDNA is therefore believed to be transient, occurring in only a fraction of the genome at a given time, and variable amongst a population of cells. These transiently formed ssDNA segments can also adopt alternative, dynamic DNA conformations, such as cruciform DNA, triplexes, quadruplexes and others. To determine whether there are stable and conserved regions of ssDNA, we utilized our previously developed method S1-END-seq 1 to convert ssDNA to DNA double strand breaks (DSBs), which are then processed for high-throughput sequencing. This approach revealed two predominant dynamic DNA structures: cruciform DNA formed by expanded (TA)n repeats that accumulated uniquely in microsatellite unstable human cancer cell lines, and DNA triplexes (H-DNA) formed by homopurine/homopyrimidine (hPu/hPy) mirror repeats common across a variety of human cell lines. Triplex-forming repeats accumulated during replication, blocked DNA synthesis and were hotspots of somatic mutation. In contrast, pathologically expanded (hPu/hPy) repeats in Friedreich’s ataxia patient cells formed a replication-independent and transcription-inducible DNA secondary structure. Our results identify dynamic DNA secondary structures in vivo that contribute to elevated genome instability.

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.

The SNM1A exonuclease plays a key role in repair of interstrand crosslinks (ICLs) which represent a particularly toxic class of DNA damage. Previous work suggests that the SWI/SNF family ATP-dependent, chromatin remodeler, Cockayne Syndrome B protein (CSB) interacts with SNM1A, during transcription-coupled DNA interstrand crosslink repair (TC-ICL repair). Here, we validate this interaction using purified proteins and demonstrate that the ubiquitin-binding and winged-helix domains of CSB are required for interaction with the catalytic domain of SNM1A. The winged helix domain is essential for binding, although high-affinity SNM1A binding requires the entire CSB C-terminal region (residues 1187-1493), where two copies of the C-terminal domain of CSB are necessary for a stable interaction with SNM1A. CSB stimulates SNM1A nuclease activity on varied model DNA repair intermediate substrates. Importantly, CSB was observed to stimulate digestion through ICLs