Single-strand annealing mediates the conservative repair of double-strand DNA breaks in homologous recombination-defective germ cells of Caenorhabditis elegans

Werner syndrome protein (WRN) is unusual among RecQ family DNA helicases in having an additional exonuclease activity. WRN is involved in the repair of double-strand DNA breaks via the homologous recombination and nonhomologous end joining pathways, and also in the base excision repair pathway. In addition, the protein promotes the recovery of stalled replication forks. The helicase activity is thought to unwind DNA duplexes, thereby moving replication forks or Holliday junctions. The targets of the exonuclease could be the nascent DNA strands at a replication fork or the ends of double-strand DNA breaks. However, it is not clear which enzyme activities are essential for repairing different types of DNA damage. Model organisms such as mice, flies, and worms deficient in WRN homologs have been investigated to understand the physiological results of defects in WRN activity. Premature aging, the most remarkable characteristic of Werner syndrome, is also seen in the mutant mice and worms, and hypersensitivity to DNA damage has been observed in WRN mutants of all three model organisms, pointing to conservation of the functions of WRN. In the nematode Caenorhabditis elegans, the WRN homolog contains a helicase domain but no exonuclease domain, so that this animal is very useful for studying the in vivo functions of the helicase without interference from the activity of the exonuclease. Here, we review the current status of investigations of C. elegans WRN-1 and discuss its functional differences from the mammalian homologs.

Download Full-text

RecF and RecR Play Critical Roles in the Homologous Recombination and Single-Strand Annealing Pathways of Mycobacteria

Journal of Bacteriology ◽

10.1128/jb.00290-15 ◽

2015 ◽

Vol 197 (19) ◽

pp. 3121-3132 ◽

Cited By ~ 11

Author(s):

Richa Gupta ◽

Stewart Shuman ◽

Michael S. Glickman

Keyword(s):

Dna Repair ◽

Homologous Recombination ◽

Strand Break ◽

Single Strand ◽

Central Position ◽

End Joining ◽

Dna Double Strand Break ◽

Single Strand Annealing ◽

Strand Annealing

ABSTRACTMycobacteria encode three DNA double-strand break repair pathways: (i) RecA-dependent homologous recombination (HR), (ii) Ku-dependent nonhomologous end joining (NHEJ), and (iii) RecBCD-dependent single-strand annealing (SSA). Mycobacterial HR has two presynaptic pathway options that rely on the helicase-nuclease AdnAB and the strand annealing protein RecO, respectively. Ablation ofadnABorrecOindividually causes partial impairment of HR, but loss ofadnABandrecOin combination abolishes HR. RecO, which can accelerate annealing of single-stranded DNAin vitro, also participates in the SSA pathway. The functions of RecF and RecR, which, in other model bacteria, function in concert with RecO as mediators of RecA loading, have not been examined in mycobacteria. Here, we present a genetic analysis ofrecFandrecRin mycobacterial recombination. We find that RecF, like RecO, participates in the AdnAB-independent arm of the HR pathway and in SSA. In contrast, RecR is required for all HR in mycobacteria and for SSA. The essentiality of RecR as an agent of HR is yet another distinctive feature of mycobacterial DNA repair.IMPORTANCEThis study clarifies the molecular requirements for homologous recombination in mycobacteria. Specifically, we demonstrate that RecF and RecR play important roles in both the RecA-dependent homologous recombination and RecA-independent single-strand annealing pathways. Coupled with our previous findings (R. Gupta, M. Ryzhikov, O. Koroleva, M. Unciuleac, S. Shuman, S. Korolev, and M. S. Glickman, Nucleic Acids Res 41:2284–2295, 2013,http://dx.doi.org/10.1093/nar/gks1298), these results revise our view of mycobacterial recombination and place the RecFOR system in a central position in homology-dependent DNA repair.

Download Full-text

Analysis of BRCA1 Variants in Double-Strand Break Repair by Homologous Recombination and Single-Strand Annealing

Human Mutation ◽

10.1002/humu.22251 ◽

2013 ◽

Vol 34 (3) ◽

pp. 439-445 ◽

Cited By ~ 32

Author(s):

William I. Towler ◽

Jie Zhang ◽

Derek J. R. Ransburgh ◽

Amanda E. Toland ◽

Chikashi Ishioka ◽

...

Keyword(s):

Homologous Recombination ◽

Strand Break ◽

Double Strand Break ◽

Single Strand ◽

Double Strand Break Repair ◽

Single Strand Annealing ◽

Break Repair ◽

Strand Annealing

Download Full-text

A dual role for mycobacterial RecO in RecA-dependent homologous recombination and RecA-independent single-strand annealing

Nucleic Acids Research ◽

10.1093/nar/gks1298 ◽

2013 ◽

Vol 41 (4) ◽

pp. 2284-2295 ◽

Cited By ~ 21

Author(s):

Richa Gupta ◽

Mikhail Ryzhikov ◽

Olga Koroleva ◽

Mihaela Unciuleac ◽

Stewart Shuman ◽

...

Keyword(s):

Homologous Recombination ◽

Dual Role ◽

Single Strand ◽

Single Strand Annealing ◽

Strand Annealing

Download Full-text

The Caenorhabditis elegans Werner Syndrome Protein Functions Upstream of ATR and ATM in Response to DNA Replication Inhibition and Double-Strand DNA Breaks

PLoS Genetics ◽

10.1371/journal.pgen.1000801 ◽

2010 ◽

Vol 6 (1) ◽

pp. e1000801 ◽

Cited By ~ 35

Author(s):

Se-Jin Lee ◽

Anton Gartner ◽

Moonjung Hyun ◽

Byungchan Ahn ◽

Hyeon-Sook Koo

Keyword(s):

Caenorhabditis Elegans ◽

Dna Replication ◽

Werner Syndrome ◽

Dna Breaks ◽

Double Strand Dna Breaks ◽

Protein Functions ◽

Werner Syndrome Protein ◽

Syndrome Protein ◽

Double Strand Dna

Download Full-text

CHO Cell Repair of Single-Strand and Double-Strand DNA Breaks Induced by γ — and α-Radiations

Molecular Mechanisms for Repair of DNA ◽

10.1007/978-1-4684-2898-8_40 ◽

1975 ◽

pp. 665-676 ◽

Cited By ~ 25

Author(s):

Arthur Cole ◽

Francis Shonka ◽

Peter Corry ◽

W. Grant Cooper

Keyword(s):

Single Strand ◽

Dna Breaks ◽

Cho Cell ◽

Cell Repair ◽

Double Strand Dna Breaks ◽

Double Strand Dna

Download Full-text

Normal repair of gamma radiation-induced single-strand and double-strand DNA breaks in retinoblastoma fibroblasts

Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Structure and Expression ◽

10.1016/0167-4781(82)90182-8 ◽

1982 ◽

Vol 698 (1) ◽

pp. 40-48 ◽

Cited By ~ 18

Author(s):

William G. Woods ◽

Michelene Lopez ◽

Susan L. Kalvonjian

Keyword(s):

Gamma Radiation ◽

Single Strand ◽

Dna Breaks ◽

Double Strand Dna Breaks ◽

Radiation Induced ◽

Double Strand Dna

Download Full-text

Single-Strand Annealing Plays a Major Role in Double-Strand DNA Break Repair following CRISPR-Cas9 Cleavage in Leishmania

mSphere ◽

10.1128/msphere.00408-19 ◽

2019 ◽

Vol 4 (4) ◽

Cited By ~ 6

Author(s):

Wen-Wei Zhang ◽

Greg Matlashewski

Keyword(s):

Gene Targeting ◽

Mammalian Cells ◽

Gene Editing ◽

Single Strand ◽

End Joining ◽

Content Type ◽

Single Strand Annealing ◽

Dna Break ◽

Strand Annealing ◽

Double Strand Dna

ABSTRACT CRISPR-Cas9 genome editing relies on an efficient double-strand DNA break (DSB) and repair. Contrary to mammalian cells, the protozoan parasite Leishmania lacks the most efficient nonhomologous end-joining pathway and uses microhomology-mediated end joining (MMEJ) and, occasionally, homology-directed repair to repair DSBs. Here, we reveal that Leishmania predominantly uses single-strand annealing (SSA) (>90%) instead of MMEJ (<10%) for DSB repair (DSBR) following CRISPR targeting of the miltefosine transporter gene, resulting in 9-, 18-, 20-, and 29-kb sequence deletions and multiple gene codeletions. Strikingly, when targeting the Leishmania donovani LdBPK_241510 gene, SSA even occurred by using direct repeats 77 kb apart, resulting in the codeletion of 15 Leishmania genes, though with a reduced frequency. These data strongly indicate that DSBR is not efficient in Leishmania, which explains why more than half of DSBs led to cell death and why the CRISPR gene-targeting efficiency is low compared with that in other organisms. Since direct repeat sequences are widely distributed in the Leishmania genome, we predict that many DSBs created by CRISPR are repaired by SSA. It is also revealed that DNA polymerase theta is involved in both MMEJ and SSA in Leishmania. Collectively, this study establishes that DSBR mechanisms and their competence in an organism play an important role in determining the outcome and efficacy of CRISPR gene targeting. These observations emphasize the use of donor DNA templates to improve gene editing specificity and efficiency in Leishmania. In addition, we developed a novel Staphylococcus aureus Cas9 constitutive expression vector (pLdSaCN) for gene targeting in Leishmania. IMPORTANCE Due to differences in double-strand DNA break (DSB) repair mechanisms, CRISPR-Cas9 gene editing efficiency can vary greatly in different organisms. In contrast to mammalian cells, the protozoan parasite Leishmania uses microhomology-mediated end joining (MMEJ) and, occasionally, homology-directed repair (HDR) to repair DSBs but lacks the nonhomologous end-joining pathway. Here, we show that Leishmania predominantly uses single-strand annealing (SSA) instead of MMEJ for DSB repairs (DSBR), resulting in large deletions that can include multiple genes. This strongly indicates that the overall DSBR in Leishmania is inefficient and therefore can influence the outcome of CRISPR-Cas9 gene editing, highlighting the importance of using a donor DNA to improve gene editing fidelity and efficiency in Leishmania.

Download Full-text

Διερεύνηση παραγόντων που συμβάλλουν στη γονιδιωματική σταθερότητα με τεχνικές λειτουργικής μικροσκοπίας ζωντανών κυττάρων

10.12681/eadd/46499 ◽

2019 ◽

Author(s):

Ανδρέας Παναγόπουλος

Keyword(s):

Homologous Recombination ◽

Single Strand ◽

End Joining ◽

Single Strand Annealing ◽

Non Homologous End Joining ◽

Strand Annealing ◽

Break Induced Replication ◽

Uv C

Η γονιδιωματική σταθερότητα διατηρείται μέσω του συντονισμού μεταξύ των μηχανισμών του φυσιολογικού κυτταρικού κύκλου και των μηχανισμών απόκρισης σε βλάβη στο γενετικό υλικό. Οι παράγοντες που διαδραματίζουν κομβικό ρόλο στη διασύνδεση των συγκεκριμένων μηχανισμών καθίστανται ιδιαίτερα σημαντικοί. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν τα Cdt1 και Cdc6 που συμβάλλουν στην αδειοδότηση της αντιγραφής του γενετικού υλικού. Μάλιστα, οι εν λόγω παράγοντες διαδραματίζουν κομβικό ρόλο στον καρκίνο όπου η υπερέκφρασή τους οδηγεί σε γονιδιωματική αστάθεια και επικράτηση κυττάρων με ογκογονικές ιδιότητες. Επιπρόσθετα, η σημαντικότητα τους υποδεικνύεται και από το γεγονός πως ένα ευρύ φάσμα μηχανισμών είναι υπεύθυνο για τη ρύθμισή τους τόσο κατά το φυσιολογικό κυτταρικό κύκλο όσο και μετά από βλάβη στο γενετικό υλικό.Η περιοδική πρωτεόλυση πρωτεϊνών είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη διατήρηση της κυτταρικής φυσιολογίας. Η διαδικασία της πρωτεόλυσης πραγματοποιείται μέσω της πρόσδεσης αλυσίδων ουβικουϊτίνης στις πρωτεΐνες-υποστρώματα, οι οποίες στη συνέχεια καθίστανται στόχοι αποικοδόμησης από το πρωτεάσωμα. Η λιγάση της ουβικουϊτίνης CRL4Cdt2 αποτελεί ένα σύμπλοκο υπεύθυνο για την ουβικουϊτινιλίωση μεγάλου αριθμού μορίων που συμβάλλουν στην πρόοδο του κυτταρικού κύκλου. Η ρύθμιση μέσω αυτού του συμπλόκου πραγματοποιείται μέσω της πρόσδεσης του υποστρώματος στο PCNA που βρίσκεται στο DNA. Το CRL4Cdt2 είναι ενεργό κατά τη διάρκεια της S φάσης και μετά από βλάβη στο γενετικό υλικό. Παρά το γεγονός πως η εν λόγω λιγάση της ουβικουϊτίνης αποτελεί έναν κεντρικό ρυθμιστή της γονιδιωματικής σταθερότητας εντούτοις ο μοριακός μηχανισμός αναγνώρισης υποστρώματος δεν είχε διαλευκανθεί πλήρως. Το μέχρι πρόσφατα επικρατές μοντέλο όριζε πως το CRL4Cdt2 στρατολογείται στη χρωματίνη αφού πρώτα έχει σχηματιστεί το σύμπλοκο PCNA-υπόστρωμα. Ερευνητικά δεδομένα από διάφορες ομάδες υποδείκνυαν ένα διαφορετικό μηχανισμό σε σχέση με το συγκεκριμένο μοντέλο. Στην παρούσα διατριβή, με τη χρήση μεταλλαγμάτων του υποδοχέα υποστρώματος της λιγάσης, Cdt2 και ακτινοβολίας UV-C καταφέραμε να διαπιστώσουμε πως η συσσώρευση στην περιοχή της βλάβης πραγματοποιείται μέσω του καρβοξυ-τελικού τμήματος της πρωτεΐνης και συγκεκριμένα μέσω μοτίβου PIP-box που εδράζεται στο καρβόξυ-τελικό άκρο. Τα συγκεκριμένα δεδομένα οδήγησαν στην περιγραφή ενός νέου μοντέλου για το μηχανισμό αναγνώρισης υποστρώματος όπου η λιγάση και το υπόστρωμα συσσωρεύονται ανεξάρτητα στο PCNA. Στη συνέχεια ακολουθεί η αναγνώριση και η ουβικουϊτινιλίωση του υποστρώματος το οποίο στοχεύεται για πρωτεόλυση.Οι διπλές θραύσεις στο γενετικό υλικό είναι μία από τις πιο επιζήμιες βλάβες και μπορούν να προκληθούν από ενδογενείς διεργασίες ή εξωγενείς παράγοντες. Αν δεν επιδιορθωθούν ή επιδιορθωθούν με λανθασμένο τρόπο μπορεί να προκαλέσουν γονιδιωματική αστάθεια. Οι κύριοι επιδιορθωτικοί μηχανισμοί που έχουν αναπτυχθεί προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι εν λόγω βλάβες είναι η Μη-Ομόλογη Σύνδεση των Άκρων (Non-Homologous End Joining, NHEJ) που λειτουργεί καθ' όλη τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου και είναι επιρρεπής σε λάθη και ο Ομόλογος Ανασυνδυασμός (Homologous Recombination, HR) που λειτουργεί μόνο κατά τις S και G2 φάσεις του κυτταρικού κύκλου και επιδιορθώνει τις διπλές θραύσεις με υψηλή πιστότητα. Όταν οι συγκεκριμένοι μηχανισμοί παρουσιάζουν αδυναμία επιδιόρθωσης των βλαβών στο γενετικό υλικό τότε η επιδιόρθωση επαφίεται στους εναλλακτικούς επιδιορθωτικούς μηχανισμούς που περιλαμβάνουν την Εναλλακτική Σύνδεση των Άκρων (Alternative Non-Homologous End Joining, A-NHEJ) με κύριο υπομονοπάτι τη Σύνδεση των Άκρων ρυθμιζόμενη από Μικρο-ομολογία (Microhomology Mediated End Joining, MMEJ), τη Σύνδεση Μονού Κλώνου (Single Strand Annealing, SSA) και την Επιδιόρθωση Αντιγραφής Επαγόμενης από Θραύση (Break Induced Replication, BIR). Τα συγκεκριμένα επιδιορθωτικά μονοπάτια αν και βελτιώνουν τις πιθανότητες ενός κυττάρου για επιβίωση μετά από βλάβη εντούτοις παρουσιάζονται ιδιαίτερα επιρρεπή σε λάθη. Προηγούμενα ερευνητικά δεδομένα του εργαστηρίου υπέδειξαν την ταχύτατη συσσώρευση του Cdt1 στην περιοχή της εντοπισμένης βλάβης από UV-A παλμικό laser. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη μελέτη της πιθανής εμπλοκής του Cdt1 στην επιδιόρθωση των διπλών θραύσεων. Τα ερευνητικά δεδομένα από πειράματα με κυτταρικά συστήματα αναφοράς φθορισμού υποδεικνύουν πως ο συγκεκριμένος παράγοντας συμμετέχει στα βασικά μονοπάτια επιδιόρθωσης NHEJ, HR καθώς και στα εναλλακτικά μονοπάτια SSA και BIR. Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με ετοποσίδιο, neocarzinostatin και ακτίνες Χ προκειμένου να διαλευκανθεί το ακριβές σημείο εμπλοκής του Cdt1 στα μονοπάτια επιδιόρθωσης των διπλών θραύσεων δεν οδήγησαν σε κάποιο ξεκάθαρο συμπέρασμα.Στην παρούσα διατριβή διαπιστώθηκε για πρώτη φορά πως ο αδειοδοτικός παράγοντας Cdc6 διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επιδιόρθωση των διπλών θραύσεων στο γενετικό υλικό. Συγκεκριμένα με τη χρήση UV-A παλμικού laser διαπιστώθηκε πως το Cdc6 συσσωρεύεται ταχύτατα στην περιοχή της εντοπισμένης βλάβης. Πειράματα με ετοποσίδιο και neocarzinostatin καθώς και με κυτταρικά συστήματα αναφοράς φθορισμού υπέδειξαν πως το Cdc6 εμπλέκεται στο μονοπάτι NHEJ και συγκεκριμένα στα αρχικά στάδια κατά τη συσσώρευση των παραγόντων 53BP1 και RIF1 στα σημεία της βλάβης. Στον αντίποδα η συσσώρευση στα σημεία βλάβης των παραγόντων του μονοπατιού HR, pRPA και Rad51 δεν επηρεάζεται από το Cdc6. Τα συγκεκριμένα πειράματα υπέδειξαν επίσης πως το Cdc6 εμπλέκεται στην ενεργοποίηση της κινάσης ATM χωρίς ωστόσο να επηρεάζει τη φωσφορυλίωση της ιστόνης H2AX. Τέλος, στην παρούσα διατριβή διαπιστώθηκε πως η απουσία του Cdc6 οδηγεί σε ευαισθητοποίηση των καρκινικών κυττάρων σε επώαση με γενοτοξικούς παράγοντες, γεγονός που υποδεικνύει πως η εμπλοκή του Cdc6 στα μονοπάτια απόκρισης στη βλάβη είναι σημαντική για την επιβίωση των κυττάρων. Παράλληλα, υποδεικνύει πως η αποσιώπηση του Cdc6 μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε θεραπευτικές προσεγγίσεις για την καταπολέμηση του καρκίνου.

Download Full-text