Authors:	Mosler, Thorsten
Title:	Characterizing the role of DDX41 in opposing transcription-associated genomic instability
Online publication date:	9-Sep-2022
Year of first publication:	2022
Language:	english
Abstract:	Cycling of cells requires duplication of the genetic information which is encoded in the DNA. During the S-phase of the cell cycle, when DNA replication occurs, cells have to tolerate different types of replication stress. Lesions within the DNA template, DNA secondary structures, or the transcription machinery - through the formation of R-loops - can constitute obstacles for progressing replication forks. Conflicts between transcription-dependent R-loops, which are three-stranded structures consisting of an RNA-DNA hybrid and a displaced non-template DNA strand, and the replication machinery pose a threat to genomic stability. Moreover, R-loops regulate crucial cellular processes such as transcription initiation and termination, chromosome segregation, and DNA repair. Thus, R-loop levels need to be tightly regulated to maintain the regulatory functions as well as genome stability. Loss of R-loop homeostasis due to different cellular perturbations is associated with neurological disorders and cancer. The protein networks that regulate R-loops in human cells are poorly characterized. To this end, we developed RNA-DNA Proximity Proteomics (RDProx) to elucidate the regulatory R-loop proximal proteome in human cells. Among different nuclear proteins associated with R-loops, we identified the tumor suppressor DEAD-box helicase DDX41. We show that DDX41 can bind and unwind RNA-DNA hybrids in vitro. Moreover, DDX41 associates with promoter regions of active genes to maintain R-loop homeostasis and to counteract the accumulation of DNA double-strand breaks in vivo. Loss of DDX41 results in R-loop-dependent DNA double-strand breaks, replication stress, and dependency on ATR signaling. R-loop accumulation is accompanied by changes in transcription dynamics and upregulation of inflammatory signature genes. Germline and somatic mutations in DDX41 predispose patients to myelodysplastic syndromes and acute myeloid leukemia. Wild type DDX41 opposes DNA damage in CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells, while expression of pathogenic variants leads to genomic instability. We propose that loss of promoter-proximal R-loop homeostasis, accumulation of DNA double-strand breaks, and inflammatory signaling contribute to the development of acute myeloid leukemia in individuals with pathogenic DDX41 variants. Beim Durchlaufen des Zellzyklus muss die genetische Information, die in DNS verschlüsselt ist, verdoppelt werden. Während der DNA Replikation sind Zellen verschiedenen Arten von Replikationsstress ausgesetzt. Neben Schädigungen der DNS-Vorlage und der Bildung von DNS Sekundärstrukturen kann Transkription durch die Formation von R-Loops ein Hindernis für fortschreitende Replikationsgabeln darstellen. Konflikte zwischen transkriptions-abhängigen R-Loops - die aus einem RNS-DNS Hybrid und einem dislozierten DNS Strangs bestehen - und der Replikationsmaschinerie, können zur Instabilität des Genoms führen. Darüber hinaus regulieren R-Loops verschiedene zelluläre Prozesse, wie zum Beispiel Transkription, Chromosomensegregation und DNS-Reparatur. Daher müssen R-Loops streng reguliert werden, um die regulatorischen Funktionen und die Stabilität des Genoms aufrechtzuerhalten. Der Verlust der Homöostase von R-Loops durch verschiedene zelluläre Störungen ist mit neurologischen Störungen und Krebs assoziiert. Proteinnetzwerke, die R-Loops in humanen Zellen regulieren sind unzureichend charakterisiert. Zu diesem Zweck haben wir RNS-DNS Proximal Proteomik (RDPRox) entwickelt, um das regulatorische, proximale Proteom von R-Loops in Humanzellen zu untersuchen. Unter verschiedenen nuklearen Proteinen, die mit R-Loops assoziiert sind, haben wir die Tumorsuppressor DEAD-box Helikase DDX41 identifiziert, die RNS-DNS Hybride in vitro binden und sie entwinden kann. Darüber hinaus assoziiert DDX41 mit hoch transkribierten Promotorenregionen um die Homöostase von R-Loops aufrechtzuerhalten und der Akkumulation von DNS Doppelstrangbrüchen entgegenzuwirken. Der Verlust von DDX41 führt zu einer umfassenden R-Loop-abhängigen Schädigung der DNS, zu Replikationsstress und einer Abhängigkeit von ATR Signalübermittlung. Eine Akkumulation von R-Loops geht mit Änderungen der Transkriptionsdynamik und Hochregulierung von inflammatorischer Signalübermittlung einher. Durch Keimbahn- und somatische Mutationen in DDX41 sind Patienten zu myelodysplastischen Syndromen und akuter myeloischer Leukämie prädisponiert. Wildtyp DDX41 wirkt DNS-Schädigungen in CD34+ hämatopoetischen Stamm- und Vorläuferzellen entgegen, während die Expression pathogener genomische Instabilität induziert. Wir schlagen vor, dass der Verlust der Promoter-proximalen R-Loops Homöostase, die Akkumulation von DNS-Doppelstrangbrüchen und die kausale inflammatorische Signalübermittlung zur Entstehung von akuter myeloischer Leukämie in Individuen mit pathogenen DDX41 Mutationen beiträgt.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-7621
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-d24e929a-4863-47ce-9f8a-81c1980951107
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent:	136 Seiten, Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen