Single-molecule basis of transcription-coupled DNA repair

par Jun Fan

Thèse de doctorat en Frontières du Vivant

Sous la direction de Terence Strick.

Soutenue en 2015

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Frontières du vivant , en partenariat avec Université Paris Diderot - Paris 7 (autre partenaire) .

  • Titre traduit

    Étude molécule-unique de la réparation couplée à la transcription


  • Résumé

    Les cellules vivantes sont constamment soumises à des agents, endogènes et exogènes, qui peuvent induire des lésions sur l'ADN. Ces agents peuvent menacer l'intégrité du génome, bloquer les processus de réplication, transcription et traduction, ou encore avoir des effets génotoxiques. Les organismes ont alors développé des systèmes de surveillance qui coordonnent la réparation de l'ADN et la progression du cycle cellulaire afin de lutter contre l'accumulation de dommages sur leur ADN. Les mécanismes de réparation de l'ADN, découverts à la fois dans les organismes procaryotes et eucaryotes, ont pour rôle le maintien de l'intégrité du matériel génétique. Ces mécanismes comprennent la réparation par excision de nucléotides (NER), la réparation par excision de bases (BER), la réparation des mésappariements (MMR) et la réparation des cassures double-brin (DSBR). La réparation couplée à la transcription (RCT) est une sous-voie de la réparation par excision de nucléotides qui permet une réparation rapide des lésions uniquement localisées sur le brin transcrit et affectant des gènes en cours de transcription. Elle se différencie de la sous-voie de la réparation du génome global (GGR) qui opère sur l'ensemble du génome sans distinction entre les brins transcrits et non transcrits. L'implication dans la RCT de l'ARN Polymérase (ARNP) et de la protéine Mfd (Mutation Frequency Decline), aussi connue sous le nom TRCF (Transcription Repair Coupling Factor), est ce qui permet la réparation préférentielle du brin transcrit. Le blocage de l'ARNP par une lésion sur le brin transcrit agit comme un senseur de dommage et déclenche la RCT. En effet, l'ARNP bloquée doit être déplacée afin de rendre la lésion accessible aux facteurs de réparation avals. Chez E. Coli c'est la translocase Mfd qui joue ce rôle : elle déplace l'ARNP bloquée et coordonne l'assemblage des facteurs UvrAB(C) au site de la lésion. Des études récentes ont montré que, après s'être lié à l'ARNP et l'avoir déplacée, Mfd reste sur l'ADN sous la forme d'un complexe de translocation stable impliquant l'ARNP même si cette dernière n'est plus directement liée à l'ADN. La technique de nanomanipulation par pince magnétique de molécules uniques d'ADN portant une lésion a été utilisée afin de comprendre comment UvrAB(C) sont recrutés via le complexe Mfd-ARNP. Cette technique a permis d'observer en temps réel jusqu'à l'incision par UvrC la RCT, qui comporte un grand nombre d'étapes et implique de nombreuses protéines. Il a été observé que le recrutement d'UvrA et d'UvrAB par le complexe Mfd-ARNP stoppe la translocation du complexe sur l'ADN et entraine la dissolution du complexe avec un passage de relais moléculaire dans une cinétique lente. La combinaison de la nanomanipulation de molécule-unique avec la fluorescence montre en outre que la dissolution du complexe entraine non seulement la perte de l'ARNP mais aussi celle de Mfd. Ce passage de témoin moléculaire permet d'avoir une réaction d'incision du brin endommagé par UvrC plus rapide par rapport à ce qui se produit lors de la réaction sur une molécule unique dans le cadre de la réparation globale du génome. Un modèle global intégrant les protéines impliquées dans la RCT et la GGR et donnant les caractéristiques cinétiques des différentes réactions se produisant en parallèle dans les deux sous-voies a été proposé.


  • Résumé

    The DNA in living cells is constantly threatened by damages from both endogenous and exogenous agents, which can threaten genomic integrity, block processes of replication, transcription and translation and have also genotoxic effects. In response to the DNA damage challenge, organisms have evolved diverse surveillance mechanisms to coordinate DNA repair and cell-cycle progression. Multiple DNA repair mechanisms, discovered in both prokaryotic and eukaryotic organisms, bear the responsibility of maintaining genomic integrity; these mechanisms include nucleotide excision repair (NER), base excision repair (BER), mismatch repair (MMR) and double strand break repair (DSBR). Transcription-coupled DNA repair (TCR) is a specialized NER subpathway characterized by enhanced repair of the template strand of actively transcribed genes as compared to the classical global genome repair (GGR) subpathway of NER which does not distinguish between template and non-template strands. TCR achieves specialization via the involvement of RNA polymerase (RNAP) and the Mfd (Mutation Frequency Decline) protein, also known as TRCF (transcription repair coupling factor). TCR repair initiates when RNAP stalls at a DNA lesion on the transcribed strand and serves as the da mage sensor. The stalled RNAP must be displaced so as to make the lesion accessible to downstream repair components. E. Coli Mfd translocase participates in this process by displacing stalled RNAP from the lesion and then coordinating assembly of the UvrAB(C) components at th( damage site. Recent studies have shown that after binding to and displacing stalled RNAP, Mfd remains on the DNA in the form of a stable, translocating complex with evicted RNAP. So as to understand how UvrAB(C) are recruited via the Mfd-RNAP complex, magnetic trapping of individual, damaged DNA molecules was employed to observe-in real-time this multi¬component, multi-step reaction, up to and including the DNA incision reaction by UvrC. It was found that the recruitment of UvrA and UvrAB to the Mfd-RNAP complex halts the translocating complex and then causes dissolution of the complex in a molecular "hand-off" with slow kinetics Correlative single-molecule nanomanipulation and fluorescence further show that dissolution of the complex leads to loss of not only RNAP but also Mfd. Hand-off then allows for enhanced incision of damaged DNA by the UvrC component as compared to the equivalent single-moleculE GGR incision reaction. A global model integrating TCR and GGR components in repair was proposed, with the overall timescales for the parallel reactions provided.

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  • Détails : 1 vol. (124 p.)
  • Annexes : 202 réf.

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