The cellular response to DNA double-strand breaks (DSBs) is mobilized by the protein kinase ATM, which phosphorylates key players in the DNA damage response (DDR) network. A major question is how ATM controls DSB repair. Optimal repair requires chromatin relaxation at damaged sites. Chromatin reorganization is coupled to dynamic alterations in histone posttranslational modifications. Here, we show that in human cells, DSBs induce monoubiquitylation of histone H2B, a modification that is associated in undamaged cells with transcription elongation. We find that this process relies on recruitment to DSB sites and ATM-dependent phosphorylation of the responsible E3 ubiquitin ligase: the RNF20-RNF40 heterodimer. H2B monoubiquitylation is required for timely recruitment of players in the two major DSB repair pathways—nonhomologous end-joining and homologous recombination repair—and optimal repair via both pathways. Our data and previous data suggest a two-stage model for chromatin decondensation that facilitates DSB repair.

Budding yeast Slx4 interacts with the structure-specific endonuclease Slx1 to ensure completion of ribosomal DNA replication. Slx4 also interacts with the Rad1-Rad10 endonuclease to control cleavage of 3' flaps during repair of double-strand breaks (DSBs). Here we describe the identification of human SLX4, a scaffold for DNA repair nucleases XPF-ERCC1, MUS81-EME1, and SLX1. SLX4 immunoprecipitates show SLX1-dependent nuclease activity toward Holliday junctions and MUS81-dependent activity toward other branched DNA structures. Furthermore, SLX4 enhances the nuclease activity of SLX1, MUS81, and XPF. Consistent with a role in processing recombination intermediates, cells depleted of SLX4 are hypersensitive to genotoxins that cause DSBs and show defects in the resolution of interstrand crosslink-induced DSBs. Depletion of SLX4 causes a decrease in DSB-induced homologous recombination. These data show that SLX4 is a regulator of structure-specific nucleases and that SLX4 and SLX1 are important regulators of genome stability in human cells.

Defective homologous recombination (HR) DNA repair imposed by BRCA1 or BRCA2 deficiency sensitizes cells to poly (ADP-ribose) polymerase (PARP)-1 inhibition and is currently exploited in clinical treatment of HR-deficient tumors. Here we show that mild hyperthermia (41–42.5 °C) induces degradation of BRCA2 and inhibits HR. We demonstrate that hyperthermia can be used to sensitize innately HR-proficient tumor cells to PARP-1 inhibitors and that this effect can be enhanced by heat shock protein inhibition. Our results, obtained from cell lines and in vivo tumor models, enable the design of unique therapeutic strategies involving localized on-demand induction of HR deficiency, an approach that we term induced synthetic lethality.

Patient-derived organoids (PDOs) recapitulate tumor architecture, contain cancer stem cells and have predictive value supporting personalized medicine. Here we describe a large-scale functional screen of dual-targeting bispecific antibodies (bAbs) on a heterogeneous colorectal cancer PDO biobank and paired healthy colonic mucosa samples. More than 500 therapeutic bAbs generated against Wingless-related integration site (WNT) and receptor tyrosine kinase (RTK) targets were functionally evaluated by high-content imaging to capture the complexity of PDO responses. Our drug discovery strategy resulted in the generation of MCLA-158, a bAb that specifically triggers epidermal growth factor receptor degradation in leucine-rich repeat-containing G-protein-coupled receptor 5-positive (LGR5+) cancer stem cells but shows minimal toxicity toward healthy LGR5+ colon stem cells. MCLA-158 exhibits therapeutic properties such as growth inhibition of KRAS-mutant colorectal cancers, blockade of metastasis initiation and suppression of tumor outgrowth in preclinical models for several epithelial cancer types. Batlle and colleagues develop an organoid platform for functional antibody screening and identify a therapeutic bispecific antibody that binds EGFR and LGR5 and that shows efficacy across epithelial tumor patient-derived xenograft models in vivo.