Fusarium verticillioides (teleomorph Gibberella moniliformis) is associated with maize worldwide causing ear rot and stalk rot, and produces fumonisins, a group of mycotoxins detrimental to humans and animals. While research tools are available, our understanding of the molecular mechanisms associated with fungal virulence and fumonisin biosynthesis in F. verticillioides is still limited. One of the restraints that hampers F. verticillioides gene characterization is the fact that homologous recombination (HR) frequency is very low (<2%). Screening for a true gene knock-out mutant is a laborious process due to a high number of ectopic integrations. In this study, we generated a F. verticillioides mutant (SF41) deleted for FvKU70, a gene directly responsible for non-homologous end-joining mechanism, with the aim of improving HR frequency. Here, we demonstrate that FvKU70 deletion does not impact key Fverticillioides phenotypes, e.g., development, secondary metabolism, and virulence, while dramatically improving HR frequency. Significantly, we also confirmed that a high percentage (>85%) of the HR mutant strains harbor a desired mutation with no additional copy of the mutant allele inserted in the genome. We conclude that SF41 is suitable for use as a type strain when performing high-throughput gene function studies in F. verticillioides.
Hahm, Ja Young;Kang, Joo-Young;Park, Jin Woo;Jung, Hyeonsoo;Seo, Sang-Beom
BMB Reports
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v.53
no.2
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pp.112-117
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2020
A recent study suggested that methylation of ubiquitin-like with PHD and RING finger domain 1 (UHRF1) is regulated by SET7 and lysine-specific histone demethylase 1A (LSD1) and is essential for homologous recombination (HR). The study demonstrated that SET7-mediated methylation of UHRF1 promotes polyubiquitination of proliferating cell nuclear antigen (PCNA), inducing HR. However, studies on mediators that interact with and recruit UHRF1 to damaged lesions are needed to elucidate the mechanism of UHRF1 methylation-induced HR. Here, we identified that poly [ADP-ribose] polymerase 1 (PARP1) interacts with damage-induced methylated UHRF1 specifically and mediates UHRF1 to induce HR progression. Furthermore, cooperation of UHRF1-PARP1 is essential for cell viability, suggesting the importance of the interaction of UHRF1-PARP1 for damage tolerance in response to damage. Our data revealed that PARP1 mediates the HR mechanism, which is regulated by UHRF1 methylation. The data also indicated the significant role of PARP1 as a mediator of UHRF1 methylation-correlated HR pathway.
The plant breeding technology was developed with genetic engineering. Many researchers and breeders have turned from traditional breeding to molecular breeding. Genetically modified organisms (GMO) were developed via molecular breeding technology. Currently, molecular breeding technologies facilitate efficient plant breeding without introducing foreign genes, in virtue by of gene editing technology. Gene targeting (GT) via homologous recombination (HR) is one of the best gene editing methods available to modify specific DNA sequences in genomes. GT utilizes DNA repair pathways. Thus, DNA repair systems are controlled to enhance HR processing. Engineered sequence specific endonucleases were applied to improve GT efficiency. Engineered sequence specific endonucleases like the zinc finger nuclease (ZFN), TAL effector nuclease (TALEN), and CRISPR-Cas9 create DNA double-strand breaks (DSB) that can stimulate HR at a target site. RecQl4, Exo1 and Rad51 are effectors that enhance DSB repair via the HR pathway. This review focuses on recent developments in engineered sequence specific endonucleases and ways to improve the efficiency of GT via HR effectors in plants.
Background: Efficient gene editing technology is needed for successful knock-in. Homologous recombination (HR) is a major double-strand break repair pathway that can be utilized for accurately inserting foreign genes into the genome. HR occurs during the S/G2 phase, and the DNA mismatch repair (MMR) pathway is inextricably linked to HR to maintain HR fidelity. This study was conducted to investigate the effect of inhibiting MMR-related genes using CdCl2, an MMR-related gene inhibitor, on HR efficiency in HC11 cells. Methods: The mRNA and protein expression levels of MMR-related genes (Msh2, Msh3, Msh6, Mlh1, Pms2), the HR-related gene Rad51, and the NHEJ-related gene DNA Ligase IV were assessed in HC11 cells treated with 10 μM of CdCl2 for 48 hours. In addition, HC11 cells were transfected with a CRISPR/sgRNA expression vector and a knock-in vector targeting Exon3 of the mouse-beta casein locus, and treated with 10 μM cadmium for 48 hours. The knock-in efficiency was monitored through PCR. Results: The treatment of HC11 cells with a high-dose of CdCl2 decreased the mRNA expression of the HR-related gene Rad51 in HC11 cells. In addition, the inhibition of MMR-related genes through CdCl2 treatment did not lead to an increase in knock-in efficiency. Conclusions: The inhibition of MMR-related gene expression through high-dose CdCl2 treatment reduces the expression of the HR-related gene Rad51, which is active during recombination. Therefore, it was determined that CdCl2 is an inappropriate compound for improving HR efficiency.
Increasing the efficiency of HR (homologous recombination) is important for a successful knock-in. Rad51 is mainly involved in homologous recombination and is associated with strand invasion. The HR-related mismatch repair system maintains HR fidelity by heteroduplex rejection and repair. Therefore, the purpose of this study is to control Rad51, which plays a critical role in HR, through UV-induced DNA damage. It is also to confirm the effect on the expression of MMR related genes (Msh2, Msh3, Msh6, Mlh1, Pms2) and HR-related genes closely related to HR through treatment with the MMR inhibitor CdCl2. The mRNA expression of Rad51 gene was confirmed in both HC11 cells and mouse testes, but the mRNA expression of Dmc1 gene was confirmed only in mouse testes. The protein expression of Rad51 and Dmc1 gene increased in UV-irradiated HC11 cells. After 72 hours of treatment with 1 ㎛ of CdCl2, the mRNA expression level of Msh3, Pms2, and Rad51 decreased, but the mRNA expression level of Msh6 and Mlh1 increased in HC11 cells. There was no significant difference in Msh2 mRNA expression between CdCl2 untreated-group and the 72 hours treated group. In conclusion, HR-related gene (Rad51) was increased by UV-induced DNA damage. Treatment of the MMR inhibitor CdCl2 in HC11 cells decreased the mRNA expression of Rad51.
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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v.35
no.1
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pp.1-6
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2009
DNA double-strand breaks (DSBs) occur commonly in the all living and in cycling cells. They constitute one of the most severe form of DNA damage, because they affect both strand of DNA. DSBs result in cell death or a genetic alterations including deletion, loss of heterozygosity, translocation, and chromosome loss. DSBs arise from endogenous sources like metabolic products and reactive oxygen, and also exogenous factors like ionizing radiation. Defective DNA DSBs can lead to toxicity and large scale sequence rearrangement that can cause cancer and promote premature aging. There are two major pathways for their repair: homologous recombination(HR) and non-homologous end-joining(NHEJ). The HR pathway is a known "error-free" repair mechanism, in which a homologous sister chromatid serves as a template. NHEJ, on the other hand, is a "error-prone" pathway, in which the two termini of the broken DNA molecule are used to form compatible ends that are directly ligated. This review aims to provide a fundamental understanding of how HR and NHEJ pathways operate, cause genome instability, and what kind of genes during the pathways are associated with head and neck cancer.
Choi, Eui-Hwan;Yoon, Seobin;Hahn, Yoonsoo;Kim, Keun P.
Molecules and Cells
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v.40
no.2
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pp.143-150
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2017
Homologous recombination (HR) is necessary for maintenance of genomic integrity and prevention of various mutations in tumor suppressor genes and proto-oncogenes. Rad51 and Rad54 are key HR factors that cope with replication stress and DNA breaks in eukaryotes. Rad51 binds to single-stranded DNA (ssDNA) to form the presynaptic filament that promotes a homology search and DNA strand exchange, and Rad54 stimulates the strand-pairing function of Rad51. Here, we studied the molecular dynamics of Rad51 and Rad54 during the cell cycle of HeLa cells. These cells constitutively express Rad51 and Rad54 throughout the entire cell cycle, and the formation of foci immediately increased in response to various types of DNA damage and replication stress, except for caffeine, which suppressed the Rad51-dependent HR pathway. Depletion of Rad51 caused severe defects in response to postreplicative stress. Accordingly, HeLa cells were arrested at the G2-M transition although a small amount of Rad51 was steadily maintained in HeLa cells. Our results suggest that cell cycle progression and proliferation of HeLa cells can be tightly controlled by the abundance of HR proteins, which are essential for the rapid response to postreplicative stress and DNA damage stress.
Jung, Yu Jin;Nam, Ki Hong;Kim, Tae Sung;Lee, In Hae;Cho, Yong-Gu;Kang, Kwon Kyoo
Journal of Plant Biotechnology
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v.45
no.1
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pp.1-8
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2018
Meiosis is a specialized cell division, essential in most reproducing organisms to halve the number of chromosomes, thereby enabling the restoration of ploidy levels during fertilization. A key step in meiosis is homologous recombination, which promotes homologous pairing and generates crossovers (COs) to connect homologous chromosomes until their separation at anaphase I. These CO sites, seen cytologically as chiasmata, represent a reciprocal exchange of genetic information between two homologous non-sister chromatids. RAD51, the eukaryotic homolog of the bacterial RecA recombinase, plays a central role in homologous recombination (HR) in yeast and animals. Loss of RAD51 function causes lethality in the flowering plant, Arabidopsis thaliana, suggesting that RAD51 has a meiotic stage-specific function that is different from homologous pairing activity.
Homologous recombination (HR) repair has a crucial role to play in the prevention of chromosomal instability, and it is clear that defects in some HR repair genes are associated with many cancers. To evaluate the potential effect of some HR repair gene polymorphisms with differentiated thyroid carcinoma (DTC), we assessed Rad51 (135G>C), Rad52 (2259C>T), XRCC2 (R188H) and XRCC3 (T241M) polymorphisms in Iranian DTC patients and cancer-free controls. In addition, haplotype analysis and gene combination assessment were carried out. Genotyping of Rad51 (135G>C), Rad52 (2259C>T) and XRCC3 (T241M) polymorphisms was determined by PCR-RFLP and PCR-HRM analysis was carried out to evaluate XRCC2 (R188H). Separately, Rad51, Rad52 and XRCC2 polymorphisms were not shown to be more significant in patients when compared to controls in crude, sex-adjusted and age-adjusted form. However, results indicated a significant difference in XRCC3 genotypes for patients when compared to controls (p value: 0.035). The GCTG haplotype demonstrated a significant difference (p value: 0.047). When compared to the wild type, the combined variant form of Rad52/XRCC2/XRCC3 revealed an elevated risk of DTC (p value: 0.007). It is recommended that Rad52 2259C>T, XRCC2 R188H and XRCC3 T241M polymorphisms should be simultaneously considered as contributing to a polygenic risk of differentiated thyroid carcinoma.
Park, Da Som;Kim, Se Eun;Koo, Deog-Bon;Kang, Man-Jong
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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v.33
no.6
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pp.1023-1033
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2020
Objective: The efficiency of the knock-in process is very important to successful gene editing in domestic animals. Recently, it was reported that transient loosening of the nucleosomal folding of transcriptionally inactive chromatin might have the potential to enhance homologous recombination efficiency. The objective of this study was to determine whether histone deacetylases (HDAC) inhibitor and RAD51 recombinase (RAD51) expression were associated with increased knock-in efficiency on the β-casein (bCSN2) gene locus in mammary alveolar-large T antigen (MAC-T) cells using the transcription activator-like effector nucleases (TALEN) system. Methods: MAC-T cells were treated with HDAC inhibitors, valproic acid, trichostatin A, or sodium butyrate for 24 h, then transfected with a knock-in vector, RAD51 expression vector and TALEN to target the bCSN2 gene. After 3 days of transfection, the knock-in efficiency was confirmed by polymerase chain reaction and DNA sequencing of the target site. Results: The level of HDAC 2 protein in MAC-T cells was decreased by treatment with HDAC inhibitors. The knock-in efficiency in MAC-T cells treated with HDAC inhibitors was higher than in cells not treated with inhibitors. However, the length of the homologous arm of the knock-in vector made no difference in the knock-in efficiency. Furthermore, DNA sequencing confirmed that the precision of the knock-in was more efficient in MAC-T cells treated with sodium butyrate. Conclusion: These results indicate that chromatin modification by HDAC inhibition and RAD51 expression enhanced the homologous recombination efficiency on the bCSN2 gene locus in MAC-T cells.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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