Die Reparatur von Topoisomerase 2 cleavage complexes in Pflanzen

DNA-Protein-crosslinks (DPC) stellen eine große Gefahr für die Genomintegrität dar, da sie essentielle
zelluläre Prozesse wie die Transkription, die Replikation, oder die Rekombination sterisch behindern.
Topoisomerase 2 cleavage complexes (TOP2cc) stellen einen besonders schwerwiegenden und
komplexen DNA-Schaden dar, da das Protein, die Topoisomerase 2, bei diesem Typus von DPC mit
einem Doppelstrangbruch (DSB) assoziiert ist. Dementsprechend bedarf es mindestens zwei
verschiedener Schritte um diese Art von DPC zu reparieren. Im ersten Schritt muss zunächst der
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Proteinanteil entfernt werden, damit in einem zweiten Schritt der verbleibende DSB geschlossen werden
kann. In Säugern wurde die TOP2cc Reparatur bereits näher charakterisiert und es konnte gezeigt
werden, dass die Tyrosyl-DNA-Phosphodiesterase 2 (TDP2) eine zentrale Rolle in der TOP2cc
Reparatur einnimmt.
In dieser Arbeit wurde das pflanzliche TDP2 Homolog erstmals auf seine Funktion in der DNAReparatur
charakterisiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass TDP2 spezifisch in der pflanzlichen
TOP2cc Reparatur agiert und dass es, im Gegensatz zum Homolog aus Säugern, nicht in die TOP1cc
Reparatur involviert ist. Weiterhin konnte durch Doppelmutantenanalysen gezeigt werden, dass die
Protease WSS1A parallel zu TDP2 in der TOP2cc Reparatur agiert. Im Gegensatz dazu, scheint die
Endonuklease MUS81, welche der Hauptfaktor in der pflanzlichen TOP1cc Reparatur ist, nur eine
untergeordnete Rolle in der TOP2cc Reparatur zu spielen und für die Tyrosyl-DNA-Phosphodiesterase
1 (TDP1) konnte keine Funktion in der pflanzlichen TOP2cc Reparatur nachgewiesen werden.
Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der DSB nach TDP2 vermittelten Entfernung von TOP2 durch
den klassischen non-homologous end joining (classical NHEJ, cNHEJ) Mechanismus fehlerfrei
repariert werden kann, während der DSB nach der WSS1A vermittelten Proteolyse von TOP2 durch den
fehlerbehafteten alternativen NHEJ (aNHEJ) Mechanismus prozessiert wird. Somit schützt TDP2 die
Integrität des Pflanzengenoms durch die fehlerfreie Reparatur von TOP2cc.
Des Weiteren konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Protease WSS1A eine
essenzielle Rolle in der Reparatur replikationsassoziierter Schäden einnimmt und dadurch der
Entstehung von replikativen DSB vorbeugt. Hierbei ist WSS1A sowohl an der Entfernung Proteinassoziierter
Schäden beteiligt, wodurch die Kontinuität der Replikation gewährleistet wird, als auch am
Schutz der angehaltenen Replikationsgabel.

DNA-protein crosslinks (DPCs) pose a major threat to genome integrity, as they form a steric hindrance
for essential cellular processes such as transcription, replication, or recombination. Topoisomerase 2
cleavage complexes (TOP2cc) represent a particularly severe and complex DNA damage because the
protein, topoisomerase 2, is associated with a double-strand break (DSB) in this DPC type. Accordingly,
it takes at least two different steps to repair this type of DPC. In the first step, the protein part must be
removed so that the remaining DSB can be closed in a second step. ... mehrIn mammals, TOP2cc repair has
already been characterized in more detail and it could be shown that tyrosyl DNA phosphodiesterase 2
(TDP2) plays a central role in TOP2cc repair.
In this thesis, the plant TDP2 homologue was characterized for its function in DNA repair for the first
time. It was shown that TDP2 acts specifically in plant TOP2cc repair and that, in contrast to the
mammalian homologue, it is not involved in TOP1cc repair. Furthermore, double mutant analyses
revealed that the protease WSS1A acts in parallel to TDP2 in TOP2cc repair. In contrast, the
endonuclease MUS81, which is the main factor in TOP1cc repair in plants, seems to play only a minor
role in TOP2cc repair, and for tyrosyl DNA phosphodiesterase 1 (TDP1) no function in plant TOP2cc
repair could be assigned. In addition, it could be shown that the DSB after TDP2-mediated removal of
TOP2 can be repaired error-free by the classical non-homologous end joining (classical NHEJ, cNHEJ)
mechanism, whereas the DSB after WSS1A-mediated proteolysis of TOP2 is processed by the errorprone
alternative NHEJ (aNHEJ) mechanism. Thus, TDP2 protects plant genome integrity by the errorfree repair of TOP2cc.
Furthermore, this work elucidated that the protease WSS1A plays an essential role in the repair of
replication-associated damage and thus prevents the development of replicative DSB. Thereby, WSS1A
is involved both in the removal of protein-associated damage, thereby ensuring the continuity of
replication, and in the protection of the arrested replication fork.