RNA interference (RNAi) is a broadly used reverse genetics method in C. elegans [1Fire A Xu S Montgomery M.K Kostas S.A Driver S.E Mello C.C Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans.Nature. 1998; 391: 806-811Crossref PubMed Scopus (10946) Google Scholar]. Unfortunately, RNAi does not inhibit all genes [2Fraser A.G Kamath R.S Zipperlen P Martinez-Campos M Sohrmann M Ahringer J Functional genomic analysis of C. elegans chromosome I by systemic RNA interference.Nature. 2000; 408: 325-330Crossref PubMed Scopus (1322) Google Scholar, 3Göncy P Echeverri C Oegema K Coulson A Jones S.J.M Copley R.R Duperon J Oegema J Brehm M Cassin E et al.Functional genomic analysis of cell division in C. elegans using RNAi of genes on chromosome III.Nature. 2000; 408: 331-336Crossref PubMed Scopus (715) Google Scholar]. We show that loss of function of a putative RNA-directed RNA polymerase (RdRP) of C. elegans, RRF-3, results in a substantial enhancement of sensitivity to RNAi in diverse tissues. This is particularly striking in the nervous system; neurons that are generally refractory to RNAi in a wild-type genetic background can respond effectively to interference in an rrf-3 mutant background. These data provide the first indication of physiological negative modulation of the RNAi response and implicate an RdRP-related factor in this effect. The rrf-3 strain can be useful to study genes that, in wild-type, do not show a phenotype after RNAi, and it is probably the strain of choice for genome-wide RNAi screens.

To identify approaches to target DNA repair vulnerabilities in cancer, we discovered nanomolar potent, selective, low molecular weight (MW), allosteric inhibitors of the polymerase function of DNA polymerase Polθ, including ART558. ART558 inhibits the major Polθ-mediated DNA repair process, Theta-Mediated End Joining, without targeting Non-Homologous End Joining. In addition, ART558 elicits DNA damage and synthetic lethality in BRCA1- or BRCA2-mutant tumour cells and enhances the effects of a PARP inhibitor. Genetic perturbation screening revealed that defects in the 53BP1/Shieldin complex, which cause PARP inhibitor resistance, result in in vitro and in vivo sensitivity to small molecule Polθ polymerase inhibitors. Mechanistically, ART558 increases biomarkers of single-stranded DNA and synthetic lethality in 53BP1-defective cells whilst the inhibition of DNA nucleases that promote end-resection reversed these effects, implicating these in the synthetic lethal mechanism-of-action. Taken together, these observations describe a drug class that elicits BRCA-gene synthetic lethality and PARP inhibitor synergy, as well as targeting a biomarker-defined mechanism of PARPi-resistance.

Abstract Repair of double-stranded breaks generated by CRISPR/Cas9 is highly dependent on the flanking DNA sequence. To learn about interactions between DNA repair and target sequence, we measure frequencies of over 236,000 distinct Cas9-generated mutational outcomes at over 2800 synthetic target sequences in 18 DNA repair deficient mouse embryonic stem cells lines. We classify the outcomes in an unbiased way, finding a specialised role for Prkdc (DNA-PKcs protein) and Polm in creating 1 bp insertions matching the nucleotide on the protospacer-adjacent motif side of the break, a variable involvement of Nbn and Polq in the creation of different deletion outcomes, and uni-directional deletions dependent on both end-protection and end-resection. Using our dataset, we build predictive models of the mutagenic outcomes of Cas9 scission that outperform the current standards. This work improves our understanding of DNA repair gene function, and provides avenues for more precise modulation of Cas9-generated mutations.

ABSTRACT Establishing mutational outcomes after genome editing is of increasing importance with the advent of highly efficient genome-targeting tools. Next-generation sequencing (NGS) has become a vital method to investigate the extent of mutagenesis at specific target sites. Thus, robust and simple-to-use software that enables researchers to retrieve mutation profiles from NGS data is needed. Here, we present Sequence Interrogation and Quantification (SIQ), a tool that can analyse sequence data of any targeted experiment (e.g. CRISPR, I-SceI, TALENs) with a focus on event classification such as deletions, single-nucleotide variations, (templated) insertions and tandem duplications. SIQ results can be directly analysed and visualized via SIQPlotteR, an interactive web tool that we made freely available. Using novel and insightful tornado plot visualizations as outputs we illustrate that SIQ readily identifies differences in mutational signatures obtained from various DNA-repair deficient genetic backgrounds. SIQ greatly facilitates the interpretation of complex sequence data by establishing mutational profiles at specific loci and is, to our knowledge, the first tool that can analyse Sanger sequence data as well as short and long-read NGS data (e.g. Illumina and PacBio).

Extrachromosomal DNA can integrate into the genome with no sequence specificity producing an insertional mutation. This process, which is referred to as random integration (RI), requires a double stranded break (DSB) in the genome. Inducing DSBs by various means, including ionizing radiation, increases the frequency of integration. Here we report that non-lethal physiologically relevant doses of ionizing radiation (10-100 mGy), within the range produced by medical imaging equipment, stimulate RI of transfected and viral episomal DNA in human and mouse cells with an extremely high efficiency. Genetic analysis of stimulated RI (S-RI) revealed that it is distinct from the background RI, requires histone H2AX S139 phosphorylation (γH2AX) and is not reduced by DNA polymerase θ (Polq) inactivation. S-RI efficiency was unaffected by the main DSB repair pathway (homologous recombination and non-homologous end joining) disruptions, but double deficiency in MDC1 and 53BP1 phenocopies γH2AX inactivation. The robust responsiveness of S-RI to physiological amounts of DSBs has implications for radiation risk assessment and can be exploited for extremely sensitive, macroscopic and direct detection of DSB-induced mutations.

With the advancement of CRISPR technologies, a comprehensive understanding of repair mechanisms following double-strand break (DSB) formation is important for improving the precision and efficiency of genetic modifications. In plant genetics, two Cas nucleases are widely used, i.e. Cas9 and Cas12a, which differ with respect to PAM sequence composition, position of the DSB relative to the PAM, and DSB-end configuration (blunt vs. staggered). The latter difference has led to speculations about different options for repair and recombination. Here, we provide detailed repair profiles for LbCas12a in Arabidopsis thaliana, using identical experimental settings previously reported for Cas9-induced DSBs, thus allowing for a quantitative comparison of both nucleases. For both enzymes, non-homologous end-joining (NHEJ) produces 70% of mutations, whereas polymerase theta-mediated end-joining (TMEJ) generates 30%, indicating that DSB-end configuration does not dictate repair pathway choice. Relevant for genome engineering approaches aimed at integrating exogenous DNA, we found that Cas12a similarly stimulates the integration of T-DNA molecules as does Cas9. Long-read sequencing of both Cas9 and Cas12a repair outcomes further revealed a previously underappreciated degree of DNA loss upon TMEJ. The most notable disparity between Cas9 and Cas12a repair profiles is caused by how NHEJ acts on DSB ends with short overhangs: non-symmetric Cas9 cleavage produce 1 bp insertions, which we here show to depend on polymerase Lambda, whereas staggered Cas12a DSBs are not subjected to fill-in synthesis. We conclude that Cas9 and Cas12a are equally effective for genome engineering purposes, offering flexibility in nuclease choice based on the availability of compatible PAM sequences.