XLF and APLF bind Ku80 at two remote sites to ensure DNA repair by non-homologous end joining

International audienceThe Ku70-Ku80 (Ku) heterodimer binds rapidly and tightly to the ends of DNA double-strand breaks and recruits factors of the non-homologous end-joining (NHEJ) repair pathway through molecular interactions that remain unclear. We have determined crystal structures of the Ku-binding motifs (KBM) of the NHEJ proteins APLF (A-KBM) and XLF (X-KBM) bound to a Ku-DNA complex. The two KBM motifs bind remote sites of the Ku80 alpha/beta domain. The X-KBM occupies an internal pocket formed by an unprecedented large outward rotation of the Ku80 alpha/beta domain. We observe independent recruitment of the APLF-interacting protein XRCC4 and of XLF to laser-irradiated sites via binding of A- and X-KBMs, respectively, to Ku80. Finally, we show that mutation of the X-KBM and A-KBM binding sites in Ku80 compromises both the efficiency and accuracy of end joining and cellular radiosensitivity. A- and X-KBMs may represent two initial anchor points to build the intricate interaction network required for NHEJ

Structural studies of the NHEJ pathway

Au cours du cycle cellulaire, de nombreux agents génotoxiques conduisent à la formation de cassures double brins (CDB) de d’ADN. Ces lésions extrêmement dangereuses doivent être réparées afin de ne pas altérer l’intégrité du génome et la survie cellulaire. Chez les mammifères, la plupart de ces CDB sont prise en charge par la voie de réparation NHEJ (pour Non Homologous End Joining, recombinaison non homologue en français). La première étape de cette voie, la reconnaissance des extrémités d’ADN, est assurée par l’hétérodimère Ku70-Ku80. Ce complexe protège les extrémités d’ADN des activités de résection et recrute les facteurs impliqués dans la poursuite de la voie de réparation (la DNA-PKcs, XLF et le complexe de ligation XRCC4-LigIV) ainsi que des facteurs accessoires (PAXX, WRN et APLF). De cette observation, une vision plus générale de la fonction de Ku a émergé, une fonction de coordination de la voie NHEJ. La manière dont Ku interagit avec tous les facteurs du NHEJ, pour la réparation de toutes les CDB (propres ou non, accidentelles ou programmées) reste une question ouverte. Notre équipe travaillait précédemment sur l’étude des facteurs XRCC4 et XLF, dont ils ont pu mettre en évidence l’association en filaments dans un cristal.Au cours de ma thèse, j’ai caractérisé les structures cristallines de complexes comprenant Ku70-Ku80, un ADN et des peptides portant un motif de liaison à Ku (KBM) issus des protéines APLF et XLF. Le motif KBM de APLF se fixe de manière très forte à Ku (avec une affinité de 33 nM) et interagit avec une surface conservée sur Ku80. Cette interaction se déroule loin du site de fixation de Ku à l’ADN, à la périphérie du complexe. La connaissance des détails moléculaires de cette interaction a permis de comprendre et de rationnaliser la présence de résidus très conservés à la surface de Ku80 et dans la séquence d’APLF.Le motif KBM présent chez XLF, présentent une affinité plus modérée (un Kd de quelques μM) malgré une similarité de séquence importante avec le KBM de APLF (une région basique suivi d’une région hydrophobe). La structure du complexe Ku70-Ku80-ADN et du KBM de XLF montre que ce peptide se fixe sur un site différent de celui d’APLF. En effet ce peptide induit un large changement de conformation de Ku80 et vient se loger dans le sillon ainsi découvert. Par la suite, j’ai caractérisé deux mutants du KBM de XLF (L297E et L297W) qui respectivement abroge et renforce l’interaction de ce motif KBM avec Ku.Ensemble ces résultats confortent notre idée que Ku joue le rôle de chef d’orchestre de la voie de réparation NHEJ chez l’humain.During the cell life many endo or exogenous genotoxic agents lead to the formation of DNA double strand breaks (DSBs). These lesions are extremely toxic and must be repaired in order to maintain the integrity of the genome and the survival of the cell. In mammalian, most DSBs are repaired by the Non Homologous End Joining (NHEJ) pathway. The recognition step of NHEJ is mediated by the ring-shape Ku70-Ku80 (Ku) heterodimer that protects the DNA extremities from resection and can recruit several core NHEJ factors (DNA-PKcs, ligase complex Ligase4-XRCC4 and ligation co-factor XLF) as well as several accessory NHEJ factors (PAXX, APLF and WRN). Beyond its DNA ends binding activity, Ku appears more and more as the central coordinator of the NHEJ pathway. How do all the NHEJ factors interact with Ku and are involved in the repair of all DNA ends (clean or dirty, accidental or programmed) are questions not well elucidated. Our laboratory is interested in the recruitment of XLF and XRCC4 by Ku, either as individual factors or as filaments as the one we described previously1,2.During my thesis, I characterized the crystal structures between Ku70/Ku80/DNA and peptides containing the Ku Binding Motif (KBM) of two NHEJ factors, XLF and APLF (the Aprataxin like-factor nuclease). The KBM of APLF binds to Ku with a tight affinity (Kd of 33nM) and it interacts within a conserved pocket of Ku80. The KBM of APLF is located in a position remote from the DNA binding site, at the periphery of the Ku ring. The crystal structure rationalizes the role of the conserved basic and hydrophobic parts of the APLF KBM motif. The KBM of XLF has a moderate affinity (Kd of 4 µM) and a sequence with a similar basic and hydrophobic parts. Interestingly, the crystal structure of a Ku70/Ku80/ADN complex with a XLF KBM shows that this motif occupies a different site from the KBM of APLF. The XLF motif induces a large conformational change of Ku80 and occupies a cleft that does not exist in the original Ku70/Ku80/DNA complex.I then characterized two mutants of XLF in the KBM motif, (L297E and L297W) that respectively disrupt the binding of the KBM with Ku or redirect the XLF KBM to the APLF site.All together those results help us to better understand the coordination of several NHEJ factors by Ku. This support our idea that Ku acts as a coordinator of the NHEJ pathway

Rôle de Ku70/80 dans le recrutement des facteurs du NHEJ portant un motif de fixation à Ku

During the cell life many endo or exogenous genotoxic agents lead to the formation of DNA double strand breaks (DSBs). These lesions are extremely toxic and must be repaired in order to maintain the integrity of the genome and the survival of the cell. In mammalian, most DSBs are repaired by the Non Homologous End Joining (NHEJ) pathway. The recognition step of NHEJ is mediated by the ring-shape Ku70-Ku80 (Ku) heterodimer that protects the DNA extremities from resection and can recruit several core NHEJ factors (DNA-PKcs, ligase complex Ligase4-XRCC4 and ligation co-factor XLF) as well as several accessory NHEJ factors (PAXX, APLF and WRN). Beyond its DNA ends binding activity, Ku appears more and more as the central coordinator of the NHEJ pathway. How do all the NHEJ factors interact with Ku and are involved in the repair of all DNA ends (clean or dirty, accidental or programmed) are questions not well elucidated. Our laboratory is interested in the recruitment of XLF and XRCC4 by Ku, either as individual factors or as filaments as the one we described previously1,2.During my thesis, I characterized the crystal structures between Ku70/Ku80/DNA and peptides containing the Ku Binding Motif (KBM) of two NHEJ factors, XLF and APLF (the Aprataxin like-factor nuclease). The KBM of APLF binds to Ku with a tight affinity (Kd of 33nM) and it interacts within a conserved pocket of Ku80. The KBM of APLF is located in a position remote from the DNA binding site, at the periphery of the Ku ring. The crystal structure rationalizes the role of the conserved basic and hydrophobic parts of the APLF KBM motif. The KBM of XLF has a moderate affinity (Kd of 4 µM) and a sequence with a similar basic and hydrophobic parts. Interestingly, the crystal structure of a Ku70/Ku80/ADN complex with a XLF KBM shows that this motif occupies a different site from the KBM of APLF. The XLF motif induces a large conformational change of Ku80 and occupies a cleft that does not exist in the original Ku70/Ku80/DNA complex.I then characterized two mutants of XLF in the KBM motif, (L297E and L297W) that respectively disrupt the binding of the KBM with Ku or redirect the XLF KBM to the APLF site.All together those results help us to better understand the coordination of several NHEJ factors by Ku. This support our idea that Ku acts as a coordinator of the NHEJ pathway.Au cours du cycle cellulaire, de nombreux agents génotoxiques conduisent à la formation de cassures double brins (CDB) de d’ADN. Ces lésions extrêmement dangereuses doivent être réparées afin de ne pas altérer l’intégrité du génome et la survie cellulaire. Chez les mammifères, la plupart de ces CDB sont prise en charge par la voie de réparation NHEJ (pour Non Homologous End Joining, recombinaison non homologue en français). La première étape de cette voie, la reconnaissance des extrémités d’ADN, est assurée par l’hétérodimère Ku70-Ku80. Ce complexe protège les extrémités d’ADN des activités de résection et recrute les facteurs impliqués dans la poursuite de la voie de réparation (la DNA-PKcs, XLF et le complexe de ligation XRCC4-LigIV) ainsi que des facteurs accessoires (PAXX, WRN et APLF). De cette observation, une vision plus générale de la fonction de Ku a émergé, une fonction de coordination de la voie NHEJ. La manière dont Ku interagit avec tous les facteurs du NHEJ, pour la réparation de toutes les CDB (propres ou non, accidentelles ou programmées) reste une question ouverte. Notre équipe travaillait précédemment sur l’étude des facteurs XRCC4 et XLF, dont ils ont pu mettre en évidence l’association en filaments dans un cristal.Au cours de ma thèse, j’ai caractérisé les structures cristallines de complexes comprenant Ku70-Ku80, un ADN et des peptides portant un motif de liaison à Ku (KBM) issus des protéines APLF et XLF. Le motif KBM de APLF se fixe de manière très forte à Ku (avec une affinité de 33 nM) et interagit avec une surface conservée sur Ku80. Cette interaction se déroule loin du site de fixation de Ku à l’ADN, à la périphérie du complexe. La connaissance des détails moléculaires de cette interaction a permis de comprendre et de rationnaliser la présence de résidus très conservés à la surface de Ku80 et dans la séquence d’APLF.Le motif KBM présent chez XLF, présentent une affinité plus modérée (un Kd de quelques μM) malgré une similarité de séquence importante avec le KBM de APLF (une région basique suivi d’une région hydrophobe). La structure du complexe Ku70-Ku80-ADN et du KBM de XLF montre que ce peptide se fixe sur un site différent de celui d’APLF. En effet ce peptide induit un large changement de conformation de Ku80 et vient se loger dans le sillon ainsi découvert. Par la suite, j’ai caractérisé deux mutants du KBM de XLF (L297E et L297W) qui respectivement abroge et renforce l’interaction de ce motif KBM avec Ku.Ensemble ces résultats confortent notre idée que Ku joue le rôle de chef d’orchestre de la voie de réparation NHEJ chez l’humain