Yeastspt6-140Mutation, Affecting Chromatin and Transcription, Preferentially Increases Recombination in Which Rad51p-Mediated Strand Exchange Is Dispensable

Genetics ◽  
2001 ◽  
Vol 158 (2) ◽  
pp. 597-611 ◽  
Author(s):  
Francisco Malagón ◽  
Andrés Aguilera
Keyword(s):  
Strand Exchange ◽  
Micrococcal Nuclease ◽  
Sensitivity Analyses ◽  
Inverted Repeats ◽  
Major Mechanism ◽  
Spontaneous Recombination ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Strand Invasion ◽  
Strand Annealing ◽  
Break Induced Replication

AbstractWe have shown that the spt6-140 and spt4-3 mutations, affecting chromatin structure and transcription, stimulate recombination between inverted repeats by a RAD52-dependent mechanism that is very efficient in the absence of RAD51, RAD54, RAD55, and RAD57. Such a mechanism of recombination is RAD1-RAD59-dependent and yields gene conversions highly associated with the inversion of the repeat. The spt6-140 mutation alters transcription and chromatin in our inverted repeats, as determined by Northern and micrococcal nuclease sensitivity analyses, respectively. Hyper-recombination levels are diminished in the absence of transcription. We believe that the chromatin alteration, together with transcription impairment caused by spt6-140, increases the incidence of spontaneous recombination regardless of whether or not it is mediated by Rad51p-dependent strand exchange. Our results suggest that spt6, as well as spt4, primarily stimulates a mechanism of break-induced replication. We discuss the possibility that the chromatin alteration caused by spt6-140 facilitates a Rad52p-mediated one-ended strand invasion event, possibly inefficient in wild-type chromatin. Our results are consistent with the idea that the major mechanism leading to inversions might not be crossing over but break-induced replication followed by single-strand annealing.

scholarly journals Characterization of RAD51-Independent Break-Induced Replication That Acts Preferentially with Short Homologous Sequences

2002 ◽  
Vol 22 (18) ◽  
pp. 6384-6392 ◽  
Author(s):  
Grzegorz Ira ◽  
James E. Haber
Keyword(s):  
Double Strand Breaks ◽  
Inverted Repeats ◽  
Strand Breaks ◽  
Homologous Sequences ◽  
Recombination Processes ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Strand Invasion ◽  
Strand Annealing ◽  
Break Induced Replication

ABSTRACT Repair of double-strand breaks by gene conversions between homologous sequences located on different Saccharomyces cerevisiae chromosomes or plasmids requires RAD51. When repair occurs between inverted repeats of the same plasmid, both RAD51-dependent and RAD51-independent repairs are found. Completion of RAD51-independent plasmid repair events requires RAD52, RAD50, RAD59, TID1 (RDH54), and SRS2 and appears to involve break-induced replication coupled to single-strand annealing. Surprisingly, RAD51-independent recombination requires much less homology (30 bp) for strand invasion than does RAD51-dependent repair (approximately 100 bp); in fact, the presence of Rad51p impairs recombination with short homology. The differences between the RAD51- and RAD50/RAD59-dependent pathways account for the distinct ways that two different recombination processes maintain yeast telomeres in the absence of telomerase.

scholarly journals Inverted DNA Repeats Channel Repair of Distant Double-Strand Breaks into Chromatid Fusions and Chromosomal Rearrangements

2007 ◽  
Vol 27 (7) ◽  
pp. 2601-2614 ◽  
Author(s):  
Kelly VanHulle ◽  
Francene J. Lemoine ◽  
Vidhya Narayanan ◽  
Brandon Downing ◽  
Krista Hull ◽  
...  
Keyword(s):  
Chromosomal Rearrangements ◽  
Inverted Repeats ◽  
Dna Repeats ◽  
Dna Breaks ◽  
Strand Breaks ◽  
Gross Chromosomal Rearrangements ◽  
Double Strand Dna Breaks ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Strand Annealing ◽  
Break Induced Replication

ABSTRACT Inverted DNA repeats are known to cause genomic instabilities. Here we demonstrate that double-strand DNA breaks (DSBs) introduced a large distance from inverted repeats in the yeast (Saccharomyces cerevisiae) chromosome lead to a burst of genomic instability. Inverted repeats located as far as 21 kb from each other caused chromosome rearrangements in response to a single DSB. We demonstrate that the DSB initiates a pairing interaction between inverted repeats, resulting in the formation of large dicentric inverted dimers. Furthermore, we observed that propagation of cells containing inverted dimers led to gross chromosomal rearrangements, including translocations, truncations, and amplifications. Finally, our data suggest that break-induced replication is responsible for the formation of translocations resulting from anaphase breakage of inverted dimers. We propose a model explaining the formation of inverted dicentric dimers by intermolecular single-strand annealing (SSA) between inverted DNA repeats. According to this model, anaphase breakage of inverted dicentric dimers leads to gross chromosomal rearrangements (GCR). This “SSA-GCR” pathway is likely to be important in the repair of isochromatid breaks resulting from collapsed replication forks, certain types of radiation, or telomere aberrations that mimic isochromatid breaks.

scholarly journals Repairing a double–strand chromosome break by homologous recombination: revisiting Robin Holliday's model

2004 ◽  
Vol 359 (1441) ◽  
pp. 79-86 ◽  
Author(s):  
James E. Haber ◽  
Gregorz Ira ◽  
Anna Malkova ◽  
Neal Sugawara
Keyword(s):  
Homologous Recombination ◽  
Repair Process ◽  
Strand Break ◽  
Holliday Junctions ◽  
Chromosome Break ◽  
Invasion Mechanism ◽  
Strand Invasion ◽  
Strand Annealing ◽  
Break Induced Replication ◽  
Mutant Cells

Since the pioneering model for homologous recombination proposed by Robin Holliday in 1964, there has been great progress in understanding how recombination occurs at a molecular level. In the budding yeast Saccharomyces cerevisiae , one can follow recombination by physically monitoring DNA after the synchronous induction of a double–strand break (DSB) in both wild–type and mutant cells. A particularly well–studied system has been the switching of yeast mating–type ( MAT ) genes, where a DSB can be induced synchronously by expression of the site–specific HO endonuclease. Similar studies can be performed in meiotic cells, where DSBs are created by the Spo11 nuclease. There appear to be at least two competing mechanisms of homologous recombination: a synthesis–dependent strand annealing pathway leading to noncrossovers and a two–end strand invasion mechanism leading to formation and resolution of Holliday junctions (HJs), leading to crossovers. The establishment of a modified replication fork during DSB repair links gene conversion to another important repair process, break–induced replication. Despite recent revelations, almost 40 years after Holliday's model was published, the essential ideas he proposed of strand invasion and heteroduplex DNA formation, the formation and resolution of HJs, and mismatch repair, remain the basis of our thinking.

scholarly journals RecE/RecT and Redα/Redβ initiate double-stranded break repair by specifically interacting with their respective partners

2000 ◽  
Vol 14 (15) ◽  
pp. 1971-1982 ◽  
Author(s):  
Joep P.P. Muyrers ◽  
Youming Zhang ◽  
Fraenk Buchholz ◽  
A. Francis Stewart
Keyword(s):  
Specific Protein ◽  
General Mechanism ◽  
Exonuclease Activity ◽  
Orthologous Pair ◽  
Dsb Repair ◽  
Invasion Mechanism ◽  
Protein Protein Interaction ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Strand Invasion ◽  
Strand Annealing

The initial steps of double-stranded break (DSB) repair by homologous recombination mediated by the 5′–3′ exonuclease/annealing protein pairs, RecE/RecT and Redα/Redβ, were analyzed. Recombination was RecA-independent and required the expression of both components of an orthologous pair, even when the need for exonuclease activity was removed by use of preresected substrates. The required orthologous function correlated with a specific protein–protein interaction, and recombination was favored by overexpression of the annealing protein with respect to the exonuclease. The need for both components of an orthologous pair was observed regardless of whether recombination proceeded via a single-strand annealing or a putative strand invasion mechanism. The DSB repair reactions studied here are reminiscent of the RecBCD/RecA reaction and suggest a general mechanism that is likely to be relevant to other systems, including RAD52 mediated recombination.

scholarly journals Conservative Repair of a Chromosomal Double-Strand Break by Single-Strand DNA through Two Steps of Annealing

2006 ◽  
Vol 26 (20) ◽  
pp. 7645-7657 ◽  
Author(s):  
Francesca Storici ◽  
Joyce R. Snipe ◽  
Godwin K. Chan ◽  
Dmitry A. Gordenin ◽  
Michael A. Resnick
Keyword(s):  
Normal Cell ◽  
Strand Break ◽  
Double Strand Breaks ◽  
Single Strand ◽  
Dsb Repair ◽  
Strand Breaks ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Repair Mechanisms ◽  
Strand Invasion ◽  
Strand Annealing

ABSTRACT The repair of chromosomal double-strand breaks (DSBs) is essential to normal cell growth, and homologous recombination is a universal process for DSB repair. We explored DSB repair mechanisms in the yeast Saccharomyces cerevisiae using single-strand oligonucleotides with homology to both sides of a DSB. Oligonucleotide-directed repair occurred exclusively via Rad52- and Rad59-mediated single-strand annealing (SSA). Even the SSA domain of human Rad52 provided partial complementation for a null rad52 mutation. The repair did not involve Rad51-driven strand invasion, and moreover the suppression of strand invasion increased repair with oligonucleotides. A DSB was shown to activate targeting by oligonucleotides homologous to only one side of the break at large distances (at least 20 kb) from the break in a strand-biased manner, suggesting extensive 5′ to 3′ resection, followed by the restoration of resected DNA to the double-strand state. We conclude that long resected chromosomal DSB ends are repaired by a single-strand DNA oligonucleotide through two rounds of annealing. The repair by single-strand DNA can be conservative and may allow for accurate restoration of chromosomal DNAs with closely spaced DSBs.

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

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.

scholarly journals Single Strand Annealing and ATP-independent Strand Exchange Activities of Yeast and Human DNA2

2006 ◽  
Vol 281 (50) ◽  
pp. 38555-38564 ◽  
Author(s):  
Taro Masuda-Sasa ◽  
Piotr Polaczek ◽  
Judith L. Campbell
Keyword(s):  
Single Strand ◽  
Strand Exchange ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Strand Annealing

scholarly journals FANCA Promotes DNA Double-Strand Break Repair by Catalyzing Single-Strand Annealing and Strand Exchange

2018 ◽  
Vol 71 (4) ◽  
pp. 621-628.e4 ◽  
Author(s):  
Anaid Benitez ◽  
Wenjun Liu ◽  
Anna Palovcak ◽  
Guanying Wang ◽  
Jaewon Moon ◽  
...  
Keyword(s):  
Strand Break ◽  
Double Strand Break ◽  
Single Strand ◽  
Strand Exchange ◽  
Double Strand Break Repair ◽  
Dna Double Strand Break ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Break Repair ◽  
Strand Annealing

scholarly journals Meiotic Double-Strand Break Proteins Influence Repair Pathway Utilization

2018 ◽  
Author(s):  
Judith L. Yanowitz ◽  
Nicolas Macaisne ◽  
Zebulin Kessler
Keyword(s):  
Strand Break ◽  
Strand Exchange ◽  
Repair Pathway ◽  
End Joining ◽  
Strand Breaks ◽  
C Elegans ◽  
Daughter Cells ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Chromosome Fusions ◽  
Strand Annealing

Double-strand breaks (DSBs) are among the most deleterious lesions DNA can endure. Yet, DSBs are programmed at the onset of meiosis and are required to facilitate appropriate reduction of ploidy in daughter cells. Repair of these break is tightly controlled to favor homologous recombination (HR), the only repair pathway that can form crossovers. However, little is known about how the activities of alternative repair pathways are regulated at these stages. We discovered an unexpected synthetic interaction between the DSB machinery and strand-exchange proteins. Depleting theC. elegansDSB-promoting factors HIM-5 and DSB-2 suppresses the formation of chromosome fusions that arise in the absence of RAD-51 or other strand-exchange mediators. Our investigations reveal that non-homologous and theta-mediated end joining (c-NHEJ and TMEJ, respectively) and single strand annealing (SSA) function redundantly to repair DSBs when HR is compromised and that HIM-5 influences the utilization of TMEJ and SSA.

scholarly journals Examining a DNA Replication Requirement for Bacteriophage λ Red- and Rac Prophage RecET-Promoted Recombination inEscherichia coli

mBio ◽  
2016 ◽  
Vol 7 (5) ◽  
Author(s):  
Lynn C. Thomason ◽  
Nina Costantino ◽  
Donald L. Court
Keyword(s):  
Dna Replication ◽  
Homologous Recombination ◽  
Genetic Engineering ◽  
Single Strand ◽  
Genetic Modifications ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Strand Invasion ◽  
Strand Annealing ◽  
Λ Red

ABSTRACTRecombineering,in vivogenetic engineering with bacteriophage homologous recombination systems, is a powerful technique for making genetic modifications in bacteria. Two systems widely used inEscherichia coliare the Red system from phage λ and RecET from the defective Rac prophage. We investigated thein vivodependence of recombineering on DNA replication of the recombining substrate using plasmid targets. For λ Red recombination, when DNA replication of a circular target plasmid is prevented, recombination with single-stranded DNA oligonucleotides is greatly reduced compared to that under replicating conditions. For RecET recombination, when DNA replication of the targeted plasmid is prevented, the recombination frequency is also reduced, to a level identical to that seen for the Red system in the absence of replication. The very low level of oligonucleotide recombination observed in the absence of any phage recombination functions is the same in the presence or absence of DNA replication. In contrast, both the Red and RecET systems recombine a nonreplicating linear dimer plasmid with high efficiency to yield a circular monomer. Therefore, the DNA replication requirement is substrate dependent. Our data are consistent with recombination by both the Red and RecET systems occurring predominately by single-strand annealing rather than by strand invasion.IMPORTANCEBacteriophage homologous recombination systems are widely used forin vivogenetic engineering in bacteria. Single- or double-stranded linear DNA substrates containing short flanking homologies to chromosome targets are used to generate precise and accurate genetic modifications when introduced into bacteria expressing phage recombinases. Understanding the molecular mechanism of these recombination systems will facilitate improvements in the technology. Here, two phage-specific systems are shown to require exposure of complementary single-strand homologous targets for efficient recombination; these single-strand regions may be created during DNA replication or by single-strand exonuclease digestion of linear duplex DNA. Previously,in vitrostudies reported that these recombinases promote the single-strand annealing of two complementary DNAs and also strand invasion of a single DNA strand into duplex DNA to create a three-stranded region. Here,in vivoexperiments show that recombinase-mediated annealing of complementary single-stranded DNA is the predominant recombination pathway inE. coli.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document