Die Beteiligung von Nek1 an der Homologen Rekombination

Während der Evolution haben Organismen verschiedene Mechanismen entwickelt, um DNA-Doppelstrangbrüche (DSBs) effizient zu reparieren und somit ihre genomische Information bestmöglich zu bewahren. Die Homologe Rekombination (HR) stellt in humanen Zellen einen von zwei Hauptwegen zur Reparatur von DSBs dar. Das Grundprinzip der HR kann wie folgt zusammengefasst werden: Nach der Induktion von DSBs werden zunächst die DSB-Enden resektiert, wodurch einzelsträngige DNA-Bereiche entstehen. Diese einzelsträngige DNA wird daraufhin mit dem Protein Rad51 beladen, sodass sich ein Nukleoproteinfilament ausbildet. Dieses Filament sucht nach der komplementären DNA-Sequenz im Schwesterchromatid. Die gefundene homologe DNA Sequenz wird schließlich als Vorlage genutzt, um die zerstörte oder resektierte DNA wieder neu zu synthetisieren. Um die DNA-Synthese initiieren zu können, müssen allerdings die zuvor beladenen Rad51-Moleküle von der DNA entfernt werden. Diese Dissoziation der Rad51-Moleküle wird von dem Protein Rad54 katalysiert, welches Rad51 kontroverserweise bereits bei frühen HR-Schritten assistiert und stabilisiert. Die Regulierung dieser gegensätzlichen Rad54-Funktionen sowie die Rad51 Dissoziation von der DNA sind bislang nur unzureichend verstanden. Mit dieser Dissertation wurde ein Beitrag zum Verständnis der Regulierung von Rad54 bei der HR geleistet. Die Kinase Nek1 (Never-in-mitosis A related protein kinase 1) konnte hierbei als neuer HR Faktor identifiziert werden, welcher die unterschiedlichen Funktionen von Rad54 reguliert. So wurde gezeigt, dass Rad54 von Nek1 am Serin572 phosphoryliert wird und dadurch die effiziente Reparatur von DSBs über HR ermöglicht. Diese Phosphorylierung von Rad54 findet erst zu späten Zeiten nach DNA Schadensinduktion statt und zeitgleich wird die Bildung von stabilen Rad51/Rad54-Komplexen induziert. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass ein direkter Zusammenhang zwischen diesen Beobachtungen besteht und folglich die Phosphorylierung am Serin572 die Bildung von stabilen Rad54/Rad51-Komplexen bewirkt. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit herausgefunden, dass die Phosphorylierung von Rad54 die Rad51-Dissoziation zu späten HR-Schritten fördert. Diese Beobachtungen führen zu der Schlussfolgerung, dass phosphoryliertes Rad54 aufgrund seiner veränderten biochemischen Eigenschaften im Komplex zusammen mit Rad51 von der DNA dissoziiert. Nach erfolgter Dissoziation von Rad51 und Rad54 kann folglich die Rekombinations assoziierte DNA-Synthese eingeleitet und die HR erfolgreich beendet werden. Mit der Identifizierung der neuen Rad54-Phosphorylierungsstelle am Serin572 wurde also ein molekularer Schalter identifiziert, der es zum einen erlaubt, die unterschiedlichen Rad54-Funktionen während der HR zu erklären, und zum anderen die Regulation der Rad51-Dissoziation von der DNA beschreibt

3-D Printed Protective Equipment during COVID-19 Pandemic

While the number of coronavirus cases from 2019 continues to grow, hospitals are reporting shortages of personal protective equipment (PPE) for frontline healthcare workers. Furthermore, PPE for the eyes and mouth, such as face shields, allow for additional protection when working with aerosols. 3-D printing enables the easy and rapid production of lightweight plastic frameworks based on open-source data. The practicality and clinical suitability of four face shields printed using a fused deposition modeling printer were examined. The weight, printing time, and required tools for assembly were evaluated. To assess the clinical suitability, each face shield was worn for one hour by 10 clinicians and rated using a visual analogue scale. The filament weight (21-42 g) and printing time (1:40-3:17 h) differed significantly between the four frames. Likewise, the fit, wearing comfort, space for additional PPE, and protection varied between the designs. For clinical suitability, a chosen design should allow sufficient space for goggles and N95 respirators as well as maximum coverage of the facial area. Consequently, two datasets are recommended. For the final selection of the ideal dataset to be used for printing, scalability and economic efficiency need to be carefully balanced with an acceptable degree of protection

DNA double-strand break resection occurs during non-homologous end joining in G1 but is distinct from resection during homologous recombination

Canonical non-homologous end joining (c-NHEJ) repairs DNA double-strand breaks (DSBs) in G1 cells with biphasic kinetics. We show that DSBs repaired with slow kinetics, including those localizing to heterochromatic regions or harboring additional lesions at the DSB site, undergo resection prior to repair by c-NHEJ and not alt-NHEJ. Resection-dependent c-NHEJ represents an inducible process during which Plk3 phosphorylates CtIP, mediating its interaction with Brca1 and promoting the initiation of resection. Mre11 exonuclease, EXD2, and Exo1 execute resection, and Artemis endonuclease functions to complete the process. If resection does not commence, then repair can ensue by c-NHEJ, but when executed, Artemis is essential to complete resection-dependent c-NHEJ. Additionally, Mre11 endonuclease activity is dispensable for resection in G1. Thus, resection in G1 differs from the process in G2 that leads to homologous recombination. Resection-dependent c-NHEJ significantly contributes to the formation of deletions and translocations in G1, which represent important initiating events in carcinogenesis

The concept of transport capacity in geomorphology

The notion of sediment-transport capacity has been engrained in geomorphological and related literature for over 50 years, although its earliest roots date back explicitly to Gilbert in fluvial geomorphology in the 1870s and implicitly to eighteenth to nineteenth century developments in engineering. Despite cross fertilization between different process domains, there seem to have been independent inventions of the idea in aeolian geomorphology by Bagnold in the 1930s and in hillslope studies by Ellison in the 1940s. Here we review the invention and development of the idea of transport capacity in the fluvial, aeolian, coastal, hillslope, débris flow, and glacial process domains. As these various developments have occurred, different definitions have been used, which makes it both a difficult concept to test, and one that may lead to poor communications between those working in different domains of geomorphology. We argue that the original relation between the power of a flow and its ability to transport sediment can be challenged for three reasons. First, as sediment becomes entrained in a flow, the nature of the flow changes and so it is unreasonable to link the capacity of the water or wind only to the ability of the fluid to move sediment. Secondly, environmental sediment transport is complicated, and the range of processes involved in most movements means that simple relationships are unlikely to hold, not least because the movement of sediment often changes the substrate, which in turn affects the flow conditions. Thirdly, the inherently stochastic nature of sediment transport means that any capacity relationships do not scale either in time or in space. Consequently, new theories of sediment transport are needed to improve understanding and prediction and to guide measurement and management of all geomorphic systems

Die Beteiligung von Nek1 an der Homologen Rekombination

Während der Evolution haben Organismen verschiedene Mechanismen entwickelt, um DNA-Doppelstrangbrüche (DSBs) effizient zu reparieren und somit ihre genomische Information bestmöglich zu bewahren. Die Homologe Rekombination (HR) stellt in humanen Zellen einen von zwei Hauptwegen zur Reparatur von DSBs dar. Das Grundprinzip der HR kann wie folgt zusammengefasst werden: Nach der Induktion von DSBs werden zunächst die DSB-Enden resektiert, wodurch einzelsträngige DNA-Bereiche entstehen. Diese einzelsträngige DNA wird daraufhin mit dem Protein Rad51 beladen, sodass sich ein Nukleoproteinfilament ausbildet. Dieses Filament sucht nach der komplementären DNA-Sequenz im Schwesterchromatid. Die gefundene homologe DNA Sequenz wird schließlich als Vorlage genutzt, um die zerstörte oder resektierte DNA wieder neu zu synthetisieren. Um die DNA-Synthese initiieren zu können, müssen allerdings die zuvor beladenen Rad51-Moleküle von der DNA entfernt werden. Diese Dissoziation der Rad51-Moleküle wird von dem Protein Rad54 katalysiert, welches Rad51 kontroverserweise bereits bei frühen HR-Schritten assistiert und stabilisiert. Die Regulierung dieser gegensätzlichen Rad54-Funktionen sowie die Rad51 Dissoziation von der DNA sind bislang nur unzureichend verstanden. Mit dieser Dissertation wurde ein Beitrag zum Verständnis der Regulierung von Rad54 bei der HR geleistet. Die Kinase Nek1 (Never-in-mitosis A related protein kinase 1) konnte hierbei als neuer HR Faktor identifiziert werden, welcher die unterschiedlichen Funktionen von Rad54 reguliert. So wurde gezeigt, dass Rad54 von Nek1 am Serin572 phosphoryliert wird und dadurch die effiziente Reparatur von DSBs über HR ermöglicht. Diese Phosphorylierung von Rad54 findet erst zu späten Zeiten nach DNA Schadensinduktion statt und zeitgleich wird die Bildung von stabilen Rad51/Rad54-Komplexen induziert. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass ein direkter Zusammenhang zwischen diesen Beobachtungen besteht und folglich die Phosphorylierung am Serin572 die Bildung von stabilen Rad54/Rad51-Komplexen bewirkt. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit herausgefunden, dass die Phosphorylierung von Rad54 die Rad51-Dissoziation zu späten HR-Schritten fördert. Diese Beobachtungen führen zu der Schlussfolgerung, dass phosphoryliertes Rad54 aufgrund seiner veränderten biochemischen Eigenschaften im Komplex zusammen mit Rad51 von der DNA dissoziiert. Nach erfolgter Dissoziation von Rad51 und Rad54 kann folglich die Rekombinations assoziierte DNA-Synthese eingeleitet und die HR erfolgreich beendet werden. Mit der Identifizierung der neuen Rad54-Phosphorylierungsstelle am Serin572 wurde also ein molekularer Schalter identifiziert, der es zum einen erlaubt, die unterschiedlichen Rad54-Funktionen während der HR zu erklären, und zum anderen die Regulation der Rad51-Dissoziation von der DNA beschreibt

Rad54 Phosphorylation Promotes Homologous Recombination by Balancing Rad54 Mobility and DNA Binding

The repair of DNA double-strand breaks by homologous recombination is of crucial importance for maintaining genomic stability. Two major players during this repair pathway are Rad51 and Rad54. Previously, it was shown that Rad54 exists as a monomer or oligomer when bound to DNA and drives the displacement of Rad51 by translocating along the DNA. Moreover, phosphorylation of Rad54 was reported to stimulate this clearance of Rad51 from DNA. However, it is currently unclear how phosphorylation of Rad54 modulates its molecular-structural function and how it affects the activity of monomeric or oligomeric Rad54 during the removal of Rad51. To examine the impact of Rad54 phosphorylation on a molecular-structural level, we applied molecular dynamics simulations of Rad54 monomers and hexamers in the absence or presence of DNA. Our results suggest that 1) phosphorylation of Rad54 stabilizes the monomeric form by reducing the interlobe movement of Rad54 monomers and might therefore facilitate multimer formation around DNA and 2) phosphorylation of Rad54 in a higher-order hexamer reduces its binding strength to DNA, which is a requirement for efficient mobility on DNA. To further address the relationship between the mobility of Rad54 and its phosphorylation state, we performed fluorescence recovery after photobleaching experiments in living cells, which expressed different versions of the Rad54 protein. Here, we could measure that the phosphomimetic version of Rad54 was highly mobile on DNA, whereas a nonphosphorylatable mutant displayed a mobility defect. Taken together, these data show that the phosphorylation of Rad54 is a critical event in balancing the DNA binding strength and mobility of Rad54 and might therefore provide optimal conditions for DNA translocation and subsequent removal of Rad51 during homologous recombination repair

Homologous recombination as a fundamental genome surveillance mechanism during dna replication

Accurate and complete genome replication is a fundamental cellular process for the proper transfer of genetic material to cell progenies, normal cell growth, and genome stability. However, a plethora of extrinsic and intrinsic factors challenge individual DNA replication forks and cause replication stress (RS), a hallmark of cancer. When challenged by RS, cells deploy an extensive range of mechanisms to safeguard replicating genomes and limit the burden of DNA damage. Prominent among those is homologous recombination (HR). Although fundamental to cell division, evidence suggests that cancer cells exploit and manipulate these RS responses to fuel their evolution and gain resistance to therapeutic interventions. In this review, we focused on recent insights into HR-mediated protection of stress-induced DNA replication intermediates, particularly the repair and protection of daughter strand gaps (DSGs) that arise from discontinuous replication across a damaged DNA template. Besides mechanistic underpinnings of this process, which markedly differ depending on the extent and duration of RS, we highlight the pathophysiological scenarios where DSG repair is naturally silenced. Finally, we discuss how such pathophysiological events fuel rampant mutagenesis, promoting cancer evolution, but also manifest in adaptative responses that can be targeted for cancer therapy