TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

RNA involvement during non-homologous end joining of resected DNA double strand breaks in G1

Wei, Na (2022)
RNA involvement during non-homologous end joining of resected DNA double strand breaks in G1.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021565
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

DNA damage caused by physical or chemical mutagens threatens genomic integrity and the survival of living organisms. Particularly, DNA double-strand breaks (DSBs), the most hazardous lesions, arise when both DNA strands in the double helix are broken simultaneously, thus enhancing the risk of genome rearrangements. To revert the damaged genetic information and minimize the impact of damages in the genome, two major DSB repair pathways exist: non-homologous end joining (NHEJ) and homologous recombination (HR). In NHEJ, the two DSB ends are directly rejoined by DNA ligase IV complex and guided by short homologous DNA sequences in single-stranded overhangs at DSB ends. NHEJ accurately repairs DSBs only when these overhangs are perfectly matched, otherwise it can possibly lead to small insertions/deletions and translocations. Conversely, HR, only occurring during S/G2, utilizes the homologous sister-chromatid as a template to recombine the resected strands, thereby avoiding the loss of any information at DSBs. In fact, DSB repair kinetics consist of two components: the fast repair process which resolves most of the breaks within a few hours upon DSB induction, and the slow repair process that repairs the rest of breaks. Previous published work has characterized that the fast repair process in G1 and G2 both relies on resection-independent NHEJ, whereas the slow repair process represents resection-dependent NHEJ in G1 and HR in G2. However, why resection is required for the slow DSB repair in G1 remains unillustrated. Indeed, emerging evidence highlights that persistent DSBs in G1, when HR is unavailable, preferentially cluster at actively transcribed genes during the delayed repair. Besides, recent studies propose that transcription repression caused by DSB damage can be resumed at later times in actively transcribed regions. Therefore, it can be speculated that a correlation between transcription and resection may exist in the slow repair component in G1, thus being the main focus of this work. For this purpose, mouse embryonic stem cells (mESCs) were used, as they were found to be an interesting system to study resection. In fact, consistent with previous work, the co-immunostaining analysis of pRPA and γH2AX foci showed that resection also occurs in G1-mESCs at some X-ray irradiation (X-IR) and restriction enzyme-induced DSBs. Meanwhile, the reduction of pRPA foci formation when resection is inhibited by the PLK inhibitor (PLKi) and siCtIP, further confirms that a distinctive resection process arises in G1-mESCs, unlike the resection step in HR. Besides, inhibition of resection causes a repair defect, indicating that resection-dependent NHEJ is required for the repair of some DSBs in G1-mESCs. In addition, transcription inhibition reduces pRPA foci as well as DNA-RNA hybrid formation, and causes a repair defect in G1. However, the reduction of pRPA foci formation and the repair defect were both rescued when transcription was only inhibited before X-IR and resumed after X-IR. Taken together, these results suggest that transcription promotes DSB resection and is probably required for the slow DSB repair in G1. To investigate how resection affects transcription during DSB repair in G1, different EU pulse labeling methods were used to distinguish pre-existing RNA before DSB induction or damaged-induced RNA. The results showed that resection inhibition diminishes the accumulation of damaged-induced RNA but does not affect the pre-existing RNA, suggesting that resection may contribute to the resuming of transcription post DSB induction. Furthermore, DNA-RNA hybrid formation at DSBs was also observed in a resection-dependent manner. Finally, chromatin immunoprecipitation-quantitative polymerase chain reaction (ChIP-qPCR) analysis suggests that DSBs which undergo resection in G1 are located in intragenic regions and that resection is required for the repair of those DSBs. Recent studies have also involved RAD52 in RNA-mediated DSB repair and showed that it was recruited to transcriptionally active damage sites during G0/G1 phase. Accordingly, we also observed that RAD52 is required for DNA-RNA hybrid formation at DSB sites. Strikingly, both immunofluorescence and ChIP-qPCR analysis showed that RAD52 deficiency does not affect the level of resection and does not cause a defect in the repair of intragenic DSBs in G1. This indicates that RAD52 is dispensable for initiating resection, but is likely to be a downstream factor that regulates DNA-RNA hybrid formation at DSBs. Collectively, these results suggest that resection-dependent NHEJ in G1 may preferentially arise in genes and be regulated by transcription. Moreover, RAD52 supports DNA-RNA hybrid formation at resected DSBs arising in genes which we hypothesize may enhance the repair fidelity.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2022
Autor(en): Wei, Na
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: RNA involvement during non-homologous end joining of resected DNA double strand breaks in G1
Sprache: Englisch
Referenten: Löbrich, Prof. Dr. Markus ; Löwer, Prof. Dr. Alexander
Publikationsjahr: 2022
Ort: Darmstadt
Kollation: X, 98 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 24 August 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021565
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/21565
Kurzbeschreibung (Abstract):

DNA damage caused by physical or chemical mutagens threatens genomic integrity and the survival of living organisms. Particularly, DNA double-strand breaks (DSBs), the most hazardous lesions, arise when both DNA strands in the double helix are broken simultaneously, thus enhancing the risk of genome rearrangements. To revert the damaged genetic information and minimize the impact of damages in the genome, two major DSB repair pathways exist: non-homologous end joining (NHEJ) and homologous recombination (HR). In NHEJ, the two DSB ends are directly rejoined by DNA ligase IV complex and guided by short homologous DNA sequences in single-stranded overhangs at DSB ends. NHEJ accurately repairs DSBs only when these overhangs are perfectly matched, otherwise it can possibly lead to small insertions/deletions and translocations. Conversely, HR, only occurring during S/G2, utilizes the homologous sister-chromatid as a template to recombine the resected strands, thereby avoiding the loss of any information at DSBs. In fact, DSB repair kinetics consist of two components: the fast repair process which resolves most of the breaks within a few hours upon DSB induction, and the slow repair process that repairs the rest of breaks. Previous published work has characterized that the fast repair process in G1 and G2 both relies on resection-independent NHEJ, whereas the slow repair process represents resection-dependent NHEJ in G1 and HR in G2. However, why resection is required for the slow DSB repair in G1 remains unillustrated. Indeed, emerging evidence highlights that persistent DSBs in G1, when HR is unavailable, preferentially cluster at actively transcribed genes during the delayed repair. Besides, recent studies propose that transcription repression caused by DSB damage can be resumed at later times in actively transcribed regions. Therefore, it can be speculated that a correlation between transcription and resection may exist in the slow repair component in G1, thus being the main focus of this work. For this purpose, mouse embryonic stem cells (mESCs) were used, as they were found to be an interesting system to study resection. In fact, consistent with previous work, the co-immunostaining analysis of pRPA and γH2AX foci showed that resection also occurs in G1-mESCs at some X-ray irradiation (X-IR) and restriction enzyme-induced DSBs. Meanwhile, the reduction of pRPA foci formation when resection is inhibited by the PLK inhibitor (PLKi) and siCtIP, further confirms that a distinctive resection process arises in G1-mESCs, unlike the resection step in HR. Besides, inhibition of resection causes a repair defect, indicating that resection-dependent NHEJ is required for the repair of some DSBs in G1-mESCs. In addition, transcription inhibition reduces pRPA foci as well as DNA-RNA hybrid formation, and causes a repair defect in G1. However, the reduction of pRPA foci formation and the repair defect were both rescued when transcription was only inhibited before X-IR and resumed after X-IR. Taken together, these results suggest that transcription promotes DSB resection and is probably required for the slow DSB repair in G1. To investigate how resection affects transcription during DSB repair in G1, different EU pulse labeling methods were used to distinguish pre-existing RNA before DSB induction or damaged-induced RNA. The results showed that resection inhibition diminishes the accumulation of damaged-induced RNA but does not affect the pre-existing RNA, suggesting that resection may contribute to the resuming of transcription post DSB induction. Furthermore, DNA-RNA hybrid formation at DSBs was also observed in a resection-dependent manner. Finally, chromatin immunoprecipitation-quantitative polymerase chain reaction (ChIP-qPCR) analysis suggests that DSBs which undergo resection in G1 are located in intragenic regions and that resection is required for the repair of those DSBs. Recent studies have also involved RAD52 in RNA-mediated DSB repair and showed that it was recruited to transcriptionally active damage sites during G0/G1 phase. Accordingly, we also observed that RAD52 is required for DNA-RNA hybrid formation at DSB sites. Strikingly, both immunofluorescence and ChIP-qPCR analysis showed that RAD52 deficiency does not affect the level of resection and does not cause a defect in the repair of intragenic DSBs in G1. This indicates that RAD52 is dispensable for initiating resection, but is likely to be a downstream factor that regulates DNA-RNA hybrid formation at DSBs. Collectively, these results suggest that resection-dependent NHEJ in G1 may preferentially arise in genes and be regulated by transcription. Moreover, RAD52 supports DNA-RNA hybrid formation at resected DSBs arising in genes which we hypothesize may enhance the repair fidelity.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Durch physikalische oder chemische Mutagene verursachte DNA-Schäden bedrohen die genomische Integrität und das Überleben lebender Organismen. Insbesondere DNA-Doppelstrangbrüche (DSB), die gefährlichsten Läsionen, die entstehen, wenn beide DNA-Stränge in der Doppelhelix gleichzeitig gebrochen werden, erhöhen das Risiko von Genomumlagerungen. Um die geschädigte genetische Information zu reparieren und die Auswirkungen von Schäden im Genom zu minimieren, gibt es zwei wichtige DSB-Reparaturwege: die Nicht-homologe Endverknüpfung (NHEJ) und die Homologe Rekombination (HR). Beim NHEJ werden die beiden DSB-Enden durch den DNA-Ligase-IV-Komplex unter Zuhilfenahme kurzer homologer DNA-Sequenzen in einzelsträngigen Überhängen an den DSB-Enden direkt wieder zusammengefügt. Das NHEJ repariert DSBs nur dann korrekt, wenn diese Überhänge perfekt aufeinander abgestimmt sind, andernfalls kann es zu kleinen Insertionen/Deletionen und Translokationen kommen. Im Gegensatz dazu nutzt die HR, die nur während S/G2 stattfindet, das homologe Schwesterchromatid als Vorlage für die Rekombination der resektierten Stränge und vermeidet so den Verlust von genetischen Informationen an den DSBs. Die Kinetik der DSB-Reparatur besteht aus zwei Komponenten: einem schnellen Reparaturprozess, der die meisten Brüche innerhalb weniger Stunden nach der DSB-Induktion beseitigt, und einem langsamen Reparaturprozess, der den Rest der Brüche repariert. Aus früheren Veröffentlichungen geht hervor, dass der schnelle Reparaturprozess in G1 und G2 auf dem resektionsunabhängigen NHEJ beruht, während der langsame Reparaturprozess einen resektionsabhängigen NHEJ-Weg in G1 und die HR in G2 darstellt. Warum die Resektion jedoch für die langsame DSB-Reparatur in G1 erforderlich ist, ist unklar. Es gibt Hinweise darauf, dass persistierende DSBs in G1, wenn keine HR zur Verfügung steht, vermehrt an aktiv transkribierten Genen auftreten. Außerdem legen neuere Studien nahe, dass eine durch DSBs verursachte Transkriptionsunterdrückung in aktiv transkribierten Regionen zu einem späteren Zeitpunkt wieder aufgenommen werden kann. Daher kann spekuliert werden, dass eine Korrelation zwischen Transkription und Resektion in der langsamen Reparaturkomponente in G1 bestehen könnte. Die Überprüfung dieser Theorie stellt den Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Zu diesem Zweck wurden embryonale Stammzellen der Maus (mESCs) verwendet, da sie sich als interessantes System zur Untersuchung der Resektion erwiesen haben. In Übereinstimmung mit früheren Arbeiten zeigten Kolokalisationsstudien von pRPA- und γH2AX-Foci, dass auch in G1-mESCs an einigen X-IR- und Restriktionsenzym-induzierten DSBs Resektion stattfindet. Die Beobachtung einer geringeren Zahl an pRPA-Foci, wenn die Resektion durch PLKi und siCtIP gehemmt wird, bestätigt, dass in G1-mESCs ein besonderer Resektionsprozess stattfindet, der sich von dem Resektionsschritt der HR unterscheidet. Außerdem führt eine Hemmung der Resektion zu einem Reparaturdefekt, was darauf hindeutet, dass das Resektions-abhängige NHEJ für die Reparatur einiger DSBs in G1-mESCs erforderlich ist. Darüber hinaus reduziert eine Transkriptionshemmung die Bildung von pRPA-Foci sowie von DNA-RNA-Hybriden und verursacht einen Reparaturdefekt in G1. Die Verringerung der Bildung von pRPA-Foci und der Reparaturdefekt traten jedoch nicht auf, wenn die Transkription nur vor X-IR gehemmt und nach X-IR wieder aufgenommen wurde. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Transkription die DSB-Resektion fördert und wahrscheinlich für die langsame DSB-Reparatur in G1 erforderlich ist. Um zu untersuchen, wie sich die Resektion auf die Transkription während der DSB-Reparatur in G1 auswirkt, wurden verschiedene EU-Pulsmarkierungsmethoden verwendet, um zwischen der bereits vorhandenen RNA vor der DSB-Induktion und der durch die Schädigung induzierten RNA zu unterscheiden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Hemmung der Resektion die Anhäufung der RNA verringert, welche erst nach der DSB-Induktion gebildet wird. Die zuvor bereits vorhandene RNA wurde von einer Hemmung der Resektion dagegen nicht beeinflusst. Dies deutet darauf hin, dass die Resektion zur Wiederaufnahme der Transkription nach der DSB-Induktion beitragen kann. Darüber hinaus wurde auch für die Bildung von DNA-RNA-Hybriden an DSBs eine Abhängigkeit von der Resektion beobachtet. Schließlich legen Analysen mittels Chromatin-Immunpräzipitation und quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (ChIP-qPCR) nahe, dass DSBs, die in G1 resektiert werden, in Genen liegen und dass die Resektion für die Reparatur dieser DSBs erforderlich ist. Jüngste Studien haben eine Rolle von RAD52 bei der RNA-vermittelten DSB-Reparatur postuliert und gezeigt, dass RAD52 während der G0/G1 Phase zu transkriptionell aktiven Schadensstellen rekrutiert wird. Konsistent hiermit konnte in dieser Arbeit beobachtet werden, dass RAD52 für die Bildung von DNA-RNA-Hybriden an DSB-Stellen erforderlich ist. Bemerkenswerterweise zeigten sowohl die Immunfluoreszenz- als auch die ChIP-qPCR-Analyse, dass ein RAD52-Mangel keine Auswirkungen auf das Ausmaß der Resektion hat und keinen Defekt bei der Reparatur von DSBs in Genen in G1 verursacht. Dies deutet darauf hin, dass RAD52 für die Einleitung der Resektion entbehrlich ist, aber wahrscheinlich ein nachgeschalteter Faktor ist, der die Bildung von DNA-RNA-Hybriden an DSBs reguliert. Insgesamt deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass das von der Resektion abhängige NHEJ in G1 vorzugsweise in Genen auftritt und durch Transkription reguliert wird. Darüber hinaus unterstützt RAD52 die Bildung von DNA-RNA-Hybriden an resektierten DSBs, die in Genen entstehen, was – so unsere Hypothese – zu einer höheren Genauigkeit der Reparatur beitragen kann.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-215655
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 10 Fachbereich Biologie
10 Fachbereich Biologie > Radiation Biology and DNA Repair
Hinterlegungsdatum: 06 Sep 2022 12:10
Letzte Änderung: 07 Sep 2022 05:28
PPN:
Referenten: Löbrich, Prof. Dr. Markus ; Löwer, Prof. Dr. Alexander
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 24 August 2022
Export:
Suche nach Titel in: TUfind oder in Google
Frage zum Eintrag Frage zum Eintrag

Optionen (nur für Redakteure)
Redaktionelle Details anzeigen Redaktionelle Details anzeigen