scholarly journals Mammalian RAD51 prevents non-conservative alternative end-joining and single strand annealing through non-catalytic mechanisms

2019 ◽  
Author(s):  
Ayeong So ◽  
Ali Muhammad ◽  
Catherine Chailleux ◽  
Laura Sesma Sanz ◽  
Sandrine Ragu ◽  
...  
Keyword(s):  
Single Strand ◽  
Dominant Negative ◽  
Dna Double Strand Breaks ◽  
End Joining ◽  
Step Model ◽  
Dominant Negative Form ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Alternative End Joining ◽  
Non Homologous End Joining ◽  
Strand Annealing

AbstractThe selection of the DNA double-strand breaks (DSBs) repair pathway is decisive for genetic stability/instability. We proposed that it acts according to two successive steps: 1-canonical non-homologous end-joining (C-NHEJ) versus single-strand DNA (ssDNA) resection; 2- on ssDNA, gene conversion (GC) versus non-conservative single-strand annealing (SSA) or alternative end-joining (A-EJ).Using intramolecular substrates, we systematically analysed the equilibrium between the different DSB repair pathways. We show that ablation of RAD51 stimulated both SSA and A-EJ but did not stimulate C-NHEJ, validating the two-step model. Moreover, we found that two ATP-mutant dominant-negative forms of RAD51 that stimulated non-conservative repair, failed to load into damaged chromatin, clarifying the role of ATP in RAD51-mediated HR, also. In contrast, another dominant-negative form of RAD51, which retains its DNA binding capacities, repressed SSA and A-EJ, revealing two separable functions of RAD51 i.e. GC and non-conservative repair inhibition. In vitro assays show that the binding of RAD51 on both complementary ssDNA is required to block both spontaneous and RAD52-induced strand annealing. Therefore, RAD51 represses non-conservative repair (SSA and A-EJ), by inhibiting the annealing step through ssDNA occupancy, independently of the catalytic strand-exchange activity required for GC.

scholarly journals Single-Strand Annealing in Cancer

2021 ◽  
Vol 22 (4) ◽  
pp. 2167
Author(s):  
Janusz Blasiak
Keyword(s):  
Dna Repair ◽  
Synthetic Lethality ◽  
Single Strand ◽  
Repair System ◽  
Dna Double Strand Breaks ◽  
End Joining ◽  
Cancer Pathogenesis ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Non Homologous End Joining ◽  
Strand Annealing

DNA double-strand breaks (DSBs) are among the most serious forms of DNA damage. In humans, DSBs are repaired mainly by non-homologous end joining (NHEJ) and homologous recombination repair (HRR). Single-strand annealing (SSA), another DSB repair system, uses homologous repeats flanking a DSB to join DNA ends and is error-prone, as it removes DNA fragments between repeats along with one repeat. Many DNA deletions observed in cancer cells display homology at breakpoint junctions, suggesting the involvement of SSA. When multiple DSBs occur in different chromosomes, SSA may result in chromosomal translocations, essential in the pathogenesis of many cancers. Inhibition of RAD52 (RAD52 Homolog, DNA Repair Protein), the master regulator of SSA, results in decreased proliferation of BRCA1/2 (BRCA1/2 DNA Repair Associated)-deficient cells, occurring in many hereditary breast and ovarian cancer cases. Therefore, RAD52 may be targeted in synthetic lethality in cancer. SSA may modulate the response to platinum-based anticancer drugs and radiation. SSA may increase the efficacy of the CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)/Cas9 (CRISPR associated 9) genome editing and reduce its off-target effect. Several basic problems associated with SSA, including its evolutionary role, interplay with HRR and NHEJ and should be addressed to better understand its role in cancer pathogenesis and therapy.

scholarly journals Increased single-strand annealing rather than non-homologous end-joining predicts hereditary ovarian carcinoma

Oncotarget ◽  
2017 ◽  
Vol 8 (58) ◽  
pp. 98660-98676 ◽  
Author(s):  
Miriam Deniz ◽  
Tatiana Romashova ◽  
Sarah Kostezka ◽  
Anke Faul ◽  
Theresa Gundelach ◽  
...  
Keyword(s):  
Ovarian Carcinoma ◽  
Single Strand ◽  
End Joining ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Non Homologous End Joining ◽  
Strand Annealing

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.

Pathways and assays for DNA double-strand break repair by homologous recombination

2019 ◽  
Vol 51 (9) ◽  
pp. 879-889 ◽  
Author(s):  
Jinbao Li ◽  
Huize Sun ◽  
Yulin Huang ◽  
Yali Wang ◽  
Yuyan Liu ◽  
...  
Keyword(s):  
Homologous Recombination ◽  
Strand Break ◽  
Dna Helicase ◽  
Single Strand ◽  
Homology Search ◽  
End Joining ◽  
Single Strand Annealing ◽  
D Loop ◽  
Non Homologous End Joining ◽  
Strand Annealing

AbstractDouble strand breaks (DSBs) are the most detrimental type of DNA damage that must be repaired to ensure genome integrity and cell survival. Unrepaired or improperly repaired DSBs can potentially cause tumorigenesis or cell death. DSBs are primarily repaired by non-homologous end joining or homologous recombination (HR). The HR pathway is initiated by processing of the 5′-end of DSBs to generate 3′-end single-strand DNA (ssDNA). Furthermore, the intermediate is channeled to one of the HR sub-pathways, including: (i) double Holliday junction (dHJ) pathway, (ii) synthesis-dependent strand annealing (SDSA), (iii) break-induced replication (BIR), and (iv) single-strand annealing (SSA). In the dHJ sub-pathway, the 3′-ssDNA coated with Rad51 recombinase performs homology search and strand invasion, forming a displacement loop (D-loop). Capture of the second end by the D-loop generates a dHJ intermediate that is subsequently dissolved by DNA helicase or resolved by nucleases, producing non-crossover or crossover products. In SDSA, the newly synthesized strand is displaced from the D-loop and anneals to the end on the other side of the DSBs, producing non-crossovers. In contrast, BIR repairs one-end DSBs by copying the sequence up to the end of the template chromosome, resulting in translocation or loss of heterozygosity. SSA takes place when resection reveals flanking homologous repeats that can anneal, leading to deletion of the intervening sequences. A variety of reporter assays have been developed to monitor distinct HR sub-pathways in both Saccharomyces cerevisiae and mammals. Here, we summarize the principles and representative assays for different HR sub-pathways with an emphasis on the studies in the budding yeast.

scholarly journals Necessities in the Processing of DNA Double Strand Breaks and Their Effects on Genomic Instability and Cancer

Cancers ◽  
2019 ◽  
Vol 11 (11) ◽  
pp. 1671 ◽  
Author(s):  
George Iliakis ◽  
Emil Mladenov ◽  
Veronika Mladenova
Keyword(s):  
High Speed ◽  
Double Strand Breaks ◽  
Dna Double Strand Breaks ◽  
End Joining ◽  
Strand Breaks ◽  
Large Deletions ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Modes Of Processing ◽  
Non Homologous End Joining ◽  
Strand Annealing

Double strand breaks (DSBs) are induced in the DNA following exposure of cells to ionizing radiation (IR) and are highly consequential for genome integrity, requiring highly specialized modes of processing. Erroneous processing of DSBs is a cause of cell death or its transformation to a cancer cell. Four mechanistically distinct pathways have evolved in cells of higher eukaryotes to process DSBs, providing thus multiple options for the damaged cells. The homologous recombination repair (HRR) dependent subway of gene conversion (GC) removes IR-induced DSBs from the genome in an error-free manner. Classical non-homologous end joining (c-NHEJ) removes DSBs with very high speed but is unable to restore the sequence at the generated junction and can catalyze the formation of translocations. Alternative end-joining (alt-EJ) operates on similar principles as c-NHEJ but is slower and more error-prone regarding both sequence preservation and translocation formation. Finally, single strand annealing (SSA) is associated with large deletions and may also form translocations. Thus, the four pathways available for the processing of DSBs are not alternative options producing equivalent outcomes. We discuss the rationale for the evolution of pathways with such divergent properties and fidelities and outline the logic and necessities that govern their engagement. We reason that cells are not free to choose one specific pathway for the processing of a DSB but rather that they engage a pathway by applying the logic of highest fidelity selection, adapted to necessities imposed by the character of the DSB being processed. We introduce DSB clusters as a particularly consequential form of chromatin breakage and review findings suggesting that this form of damage underpins the increased efficacy of high linear energy transfer (LET) radiation modalities. The concepts developed have implications for the protection of humans from radon-induced cancer, as well as the treatment of cancer with radiations of high LET.

scholarly journals The Yeast Recombinational Repair Protein Rad59 Interacts With Rad52 and Stimulates Single-Strand Annealing

Genetics ◽  
2001 ◽  
Vol 159 (2) ◽  
pp. 515-525 ◽  
Author(s):  
Allison P Davis ◽  
Lorraine S Symington
Keyword(s):  
Protein A ◽  
Single Strand ◽  
Physical Interaction ◽  
Dna Double Strand Breaks ◽  
Single Stranded Dna ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Strand Annealing ◽  
Recombination Pathway

Abstract The yeast RAD52 gene is essential for homology-dependent repair of DNA double-strand breaks. In vitro, Rad52 binds to single- and double-stranded DNA and promotes annealing of complementary single-stranded DNA. Genetic studies indicate that the Rad52 and Rad59 proteins act in the same recombination pathway either as a complex or through overlapping functions. Here we demonstrate physical interaction between Rad52 and Rad59 using the yeast two-hybrid system and co-immunoprecipitation from yeast extracts. Purified Rad59 efficiently anneals complementary oligonucleotides and is able to overcome the inhibition to annealing imposed by replication protein A (RPA). Although Rad59 has strand-annealing activity by itself in vitro, this activity is insufficient to promote strand annealing in vivo in the absence of Rad52. The rfa1-D288Y allele partially suppresses the in vivo strand-annealing defect of rad52 mutants, but this is independent of RAD59. These results suggest that in vivo Rad59 is unable to compete with RPA for single-stranded DNA and therefore is unable to promote single-strand annealing. Instead, Rad59 appears to augment the activity of Rad52 in strand annealing.

scholarly journals Rejoining of DNA Double-Strand Breaks as a Function of Overhang Length

2005 ◽  
Vol 25 (3) ◽  
pp. 896-906 ◽  
Author(s):  
James M. Daley ◽  
Thomas E. Wilson
Keyword(s):  
Gc Content ◽  
Double Strand Breaks ◽  
Nonhomologous End Joining ◽  
Dna Double Strand Breaks ◽  
End Joining ◽  
Strand Breaks ◽  
Single Strand Annealing ◽  
Primary Determinant ◽  
Overhang Length ◽  
Strand Annealing

ABSTRACT The ends of spontaneously occurring double-strand breaks (DSBs) may contain various lengths of single-stranded DNA, blocking lesions, and gaps and flaps generated by end annealing. To investigate the processing of such structures, we developed an assay in which annealed oligonucleotides are ligated onto the ends of a linearized plasmid which is then transformed into Saccharomyces cerevisiae. Reconstitution of a marker occurs only when the oligonucleotides are incorporated and repair is in frame, permitting rapid analysis of complex DSB ends. Here, we created DSBs with compatible overhangs of various lengths and asked which pathways are required for their precise repair. Three mechanisms of rejoining were observed, regardless of overhang polarity: nonhomologous end joining (NHEJ), a Rad52-dependent single-strand annealing-like pathway, and a third mechanism independent of the first two mechanisms. DSBs with overhangs of less than 4 bases were mainly repaired by NHEJ. Repair became less dependent on NHEJ when the overhangs were longer or had a higher GC content. Repair of overhangs greater than 8 nucleotides was as much as 150-fold more efficient, impaired 10-fold by rad52 mutation, and highly accurate. Reducing the microhomology extent between long overhangs reduced their repair dramatically, to less than NHEJ of comparable short overhangs. These data support a model in which annealing energy is a primary determinant of the rejoining efficiency and mechanism.

scholarly journals Genome-scale CRISPR screens are efficient in non-homologous end-joining deficient cells

2019 ◽  
Vol 9 (1) ◽  
Author(s):  
Joana Ferreira da Silva ◽  
Sejla Salic ◽  
Marc Wiedner ◽  
Paul Datlinger ◽  
Patrick Essletzbichler ◽  
...  
Keyword(s):  
Genome Editing ◽  
Large Scale ◽  
Dependent Manner ◽  
Dna Double Strand Breaks ◽  
End Joining ◽  
Knock Out ◽  
Genetic Ablation ◽  
Alternative End Joining ◽  
Non Homologous End Joining ◽  
Genome Scale

Abstract The mutagenic repair of Cas9 generated breaks is thought to predominantly rely on non-homologous end-joining (NHEJ), leading to insertions and deletions within DNA that culminate in gene knock-out (KO). In this study, by taking focused as well as genome-wide approaches, we show that this pathway is dispensable for the repair of such lesions. Genetic ablation of NHEJ is fully compensated for by alternative end joining (alt-EJ), in a POLQ-dependent manner, resulting in a distinct repair signature with larger deletions that may be exploited for large-scale genome editing. Moreover, we show that cells deficient for both NHEJ and alt-EJ were still able to repair CRISPR-mediated DNA double-strand breaks, highlighting how little is yet known about the mechanisms of CRISPR-based genome editing.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document