Mutations in the Artemis protein in humans result in hypersensitivity to DNA double-strand break-inducing agents and absence of B and T lymphocytes (radiosensitive severe combined immune deficiency [RS-SCID]). Here, we report that Artemis forms a complex with the 469 kDa DNA-dependent protein kinase (DNA-PKcs) in the absence of DNA. The purified Artemis protein alone possesses single-strand-specific 5′ to 3′ exonuclease activity. Upon complex formation, DNA-PKcs phosphorylates Artemis, and Artemis acquires endonucleolytic activity on 5′ and 3′ overhangs, as well as hairpins. Finally, the Artemis:DNA-PKcs complex can open hairpins generated by the RAG complex. Thus, DNA-PKcs regulates Artemis by both phosphorylation and complex formation to permit enzymatic activities that are critical for the hairpin-opening step of V(D)J recombination and for the 5′ and 3′ overhang processing in nonhomologous DNA end joining.

Mutation of the XRCC4 gene in mammalian cells prevents the formation of the signal and coding joints in the V(D)J recombination reaction, which is necessary for production of a functional immunoglobulin gene, and renders the cells highly sensitive to ionizing radiation. However, XRCC4 shares no sequence homology with other proteins, nor does it have a biochemical activity to indicate what its function might be. Here we show that DNA ligase IV co-immunoprecipitates with XRCC4 and that these two proteins specifically interact with one another in a yeast two-hybrid system. Ligation of DNA double-strand breaks in a cell-free system by DNA ligase IV is increased fivefold by purified XRCC4 and seven- to eightfold when XRCC4 is co-expressed with DNA ligase IV. We conclude that the biological consequences of mutating XRCC4 are primarily due to the loss of its stimulatory effect on DNA ligase IV: the function of the XRCC4-DNA ligase IV complex may be to carry out the final steps of V(D)J recombination and joining of DNA ends.

Patients with human severe combined immunodeficiency (SCID) can be divided into those with B lymphocytes (B + SCID) and those without (B − SCID). Although several genetic causes are known for B + SCID, the etiology of B − SCID has not been defined. Six of 14 B − SCID patients tested were found to carry a mutation of the recombinase activating gene 1 ( RAG-1 ), RAG-2 , or both. This mutation resulted in a functional inability to form antigen receptors through genetic recombination and links a defect in one of the site-specific recombination systems to a human disease.

Dnmt3L is required for the establishment of maternal methylation imprints at imprinting centers (ICs). Dnmt3L, however, lacks the conserved catalytic domain common to DNA methyltransferases. In an attempt to define its function, we coexpressed DNMT3L with each of the two known de novo methyltransferases, Dnmt3a and DNMT3B, in human cells and monitored de novo methylation by using replicating minichromosomes carrying various ICs as targets. Coexpression of DNMT3L with DNMT3B led to little or no change in target methylation. However, coexpression of DNMT3L with Dnmt3a resulted in a striking stimulation of de novo methylation by Dnmt3a. Stimulation was observed at maternally methylated ICs such as small nuclear ribonucleoprotein polypeptide N (SNRPN), Snrpn, and Igf2rAir, as well as at various nonimprinted sequences present on the episomes. Stimulation of Dnmt3a by DNMT3L was also observed at endogenous sequences in the genome. Therefore, DNMT3L acts as a general stimulatory factor for de novo methylation by Dnmt3a. The implications of these findings for the function of DNMT3L and Dnmt3a in DNA methylation and genomic imprinting are discussed.

Two conserved DNA sequences serve as joining signals in the assembly of immunoglobulins and T-cell receptors from V-, (D)-, and J-coding segments during lymphoid differentiation. We have examined V(D)J recombination as a function of joining signal sequence. Plasmid substrates with mutations in one or both of the heptamer-spacer-nonamer sequences were tested for recombination in a pre-B-cell line active in V(D)J recombination. No signal variant recombines more efficiently than the consensus forms of the joining signals. We find the heptamer sequence to be the most important; specifically, the three bases closest to the recombination crossover site are critical. The nonamer is not as rigidly defined, and it is not important to maintain the five consecutive As that distinguish the consensus nonamer sequence. Both types of signals display very similar sequence requirements and have in common an intolerance for changes in spacer length greater than 1 bp. Although the two signal types share sequence motifs, we find no evidence of a role in recombination for homology between the signals, suggesting that they serve primarily as protein recognition and binding sites.

Pre-B and pre-T cell lines from mutant mice with severe combined immune deficiency (scid mice) were transfected with plasmids that contained recombination signal sequences of antigen receptor gene elements (V, D, and J). Recovered plasmids were tested for possible recombination of signal sequences and/or the adjacent (coding) sequences. Signal ends were joined, but recombination was abnormal in that half of the recombinants had lost nucleotides from one or both signals. Coding ends were not joined at all in either deletional or inversional V(D)J recombination reactions. However, coding ends were able to participate in alternative reactions. The failure of coding joint formation in scid pre-B and pre-T cells appears sufficient to explain the absence of immunoglobulin or T cell receptor production in scid mice.

The discovery of homologues from the yeast Saccharomyces cerevisiae of the human Ku DNA-end-binding proteins (HDF1 and KU80) has established that this organism is capable of non-homologous double-strand end joining (NHEJ)1,2,3,4,5, a form of DNA double-strand break repair (DSBR) active in mammalian V(D)J recombination6,7,8. Identification of the DNA ligase that mediates NHEJ in yeast will help elucidate the function of the four mammalian DNA ligases in DSBR, V(D)J recombination and other reactions9,10. Here we show that S. cerevisiae has two typical DNA ligases, the known DNA ligase I homologue CDC9 (refs 11,12, 13, 14) and the previously unknown DNA ligase IV homologue DNL4. dnl4 mutants are deficient in precise and end-processed NHEJ. DNL4 and HDF1 are epistatic in this regard, with the mutation of each having equivalent effects. dn14 mutants are complemented by overexpression of Dnl4 but not of Cdc9, and deficiency of Dnl4 alone does not impair either cell growth or the Cdc9-mediated responses to ionizing and ultraviolet radiation. Thus, S.cerevisiae has two distinct and separate ligation pathways.

Research Article1 March 1994free access The characterization of a mammalian DNA structure-specific endonuclease. J.J. Harrington J.J. Harrington Department of Pathology, Stanford University School of Medicine, CA 94305-5324. Search for more papers by this author M.R. Lieber M.R. Lieber Department of Pathology, Stanford University School of Medicine, CA 94305-5324. Search for more papers by this author J.J. Harrington J.J. Harrington Department of Pathology, Stanford University School of Medicine, CA 94305-5324. Search for more papers by this author M.R. Lieber M.R. Lieber Department of Pathology, Stanford University School of Medicine, CA 94305-5324. Search for more papers by this author Author Information J.J. Harrington1 and M.R. Lieber1 1Department of Pathology, Stanford University School of Medicine, CA 94305-5324. The EMBO Journal (1994)13:1235-1246https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1994.tb06373.x PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info The repair of some types of DNA double-strand breaks is thought to proceed through DNA flap structure intermediates. A DNA flap is a bifurcated structure composed of double-stranded DNA and a displaced single-strand. To identify DNA flap cleaving activities in mammalian nuclear extracts, we created an assay utilizing a synthetic DNA flap substrate. This assay has allowed the first purification of a mammalian DNA structure-specific nuclease. The enzyme described here, flap endonuclease-1 (FEN-1), cleaves DNA flap strands that terminate with a 5′ single-stranded end. As expected for an enzyme which functions in double-strand break repair flap resolution, FEN-1 cleavage is flap strand-specific and independent of flap strand length. Furthermore, efficient flap cleavage requires the presence of the entire flap structure. Substrates missing one strand are not cleaved by FEN-1. Other branch structures, including Holliday junctions, are also not cleaved by FEN-1. In addition to endonuclease activity, FEN-1 has a 5′-3′ exonuclease activity which is specific for double-stranded DNA. The endo- and exonuclease activities of FEN-1 are discussed in the context of DNA replication, recombination and repair. Next ArticlePrevious Article Volume 13Issue 51 March 1994In this issue RelatedDetailsLoading ...

Sequences encoding immunoglobulin variable domains are known to be assembled from variable (V), diversity (D), and joining (J) segments by site-specific recombination. We present a sensitive and rapid assay for V-(D)-J recombination that uses plasmid DNA transiently introduced into transformed pre-B cells, and demonstrates that the recombination is independent of any unique chromosomal context. Sequences sufficient to constitute recombination sites are contained within the 84 and 42 bp flanking, respectively, the murine Jκ 1 and VκL8 segments, which include the known heptamer-nonamer V-(D)-J joining signals. Deletion and inversion occur at comparable frequencies. Thus, V-(D)-J recombination may be relatively insensitive to the topological arrangement of sites, and events at the two novel junctions produced by the reaction may be coupled.