Management of E. coli sister chromatid cohesion in response to genotoxic stress

par Elise Vickridge

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Olivier Espéli.

Soutenue le 22-06-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de Structure et Dynamique des Systèmes Vivants , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Centre Interdisciplinaire de Recherche en Biologie (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Stéphanie Bury-Moné.

Le jury était composé de Olivier Espéli, Stéphanie Bury-Moné, Vincent Pagès, Meriem Elkaroui, Stephan Gruber.

Les rapporteurs étaient Vincent Pagès, Meriem Elkaroui.

  • Titre traduit

    Etude de la cohésion des chromatides soeurs en réponse à un stress génotoxique chez E. coli


  • Résumé

    La réplication fidèle de l’ADN au cours du cycle cellulaire est essentielle au maintien de l’intégrité du génome à travers les générations. Toutefois, de nombreux éléments peuvent perturber et compromettre la réplication et donc cette intégrité. La mitomycine C (MMC) est une molécule génotoxique utilisée en chimiothérapie. Elle forme des liaisons covalentes entre les deux brins d’ADN, ce qui est un obstacle à la bonne réplication de l’ADN. La rencontre de la fourche de réplication avec une liaison covalente entre les deux brins d’ADN va aboutir à une cassure double brin. Escherichia coli (E.coli) est un modèle d’étude très étendu car facile d’utilisation, permettant d’aborder des notions complexes. E coli possède divers mécanismes pour réparer ces lésions dont le régulon SOS. Le régulon SOS est un ensemble de gènes sous contrôle d’un promoteur réprimé par la protéine LexA. En réponse à des dommages à l’ADN, LexA est dégradé et les gènes du régulon sont activés.En utilisant une technique de biologie moléculaire qui permet de quantifier l’interaction entre deux chromatides sœurs restées cohésives derrière la fourche de réplication (étape appelée cohésion des chromatides sœurs), nous avons montré qu’en réponse à des cassures double brin générées par la MMC, la cohésion entre les chromatides sœurs nouvellement répliquées est maintenue. Ce phénomène est dépendant de RecN, une protéine induite de façon précoce dans le régulon SOS. RecN est une protéine de type SMC (structural maintenance of chromosomes), un groupe de protéines impliqué dans la dynamique et la structure du chromosome. En parallèle, des techniques de microscopie confocale et de marquage du chromosome par des protéines fluorescentes ont permis de montrer que la protéine RecN est impliquée dans une condensation globale du nucléoide suite à un traitement par la MMC. Cette condensation du nucléoide s’accompagne d’un rapprochement des chromatides sœurs ségrégées. Ces deux phénomènes, médiés par RecN pourraient permettre une stabilisation globale des nucléoides et favoriser l’appariement des chromatides sœurs pour permettre la recombinaison homologue.De façon intéressante, l’inhibition de Topoisomérases de type II (Topoisomerase IV et Gyrase) permettent de restaurer le phénotype d’un mutant recN en viabilité et en cohésion des chromatides sœurs. Les Topoisomérases sont des protéines qui prennent en charge les liens topologiques générés par la réplication et la transcription). Les liens topologiques non éliminés par les Topoisomerases permettraient de garder les chromatides sœurs cohésives et favoriser la réparation, même en l’absence de RecN.De plus, une expérience de RNA seq (séquençage de tout le transcriptome de la bactérie) a révélé que dans un mutant recN, le régulon SOS est moins induit que dans les cellules sauvages. Ceci va de pair avec une déstructuration des foci de réparation RecA. Il est possible que le rapprochement des chromatides sœurs médié par RecN permettrait de stabiliser le filament RecA et donc l’induction du SOS.L’ensemble de ces résultats suggère que RecN, une protéine de type SMC, permet de maintenir la cohésion entre les chromatides sœurs nouvellement répliquées, favorisant la réparation de cassures double brins par recombinaison homologue.


  • Résumé

    Maintaining genome integrity through replication is an essential process for the cell cycle. However, many factors can compromise this replication and thus the genome integrity. Mitomycin C is a genotoxic agent that creates a covalent link between the two DNA strands. When the replication fork encounters the DNA crosslink, it breaks and creates a DNA double strand break (DSB). Escherichia coli (E.coli) is a widely used model for studying complex DNA mechanisms. When facing a DNA DSB, E. coli activates the SOS response pathway. The SOS response comprises over 50 genes that are under the control of a LexA-repressed promoter. Upon a DSB induction, RecA, a central protein of the SOS response will trigger the degradation of LexA and all the SOS genes will be expressed.We have developed a novel molecular biology tool that reveals contacts between sister chromatids that are cohesive. It has been shown in the lab (Lesterlin et al. 2012) that during a regular cell cycle, the two newly replicated sister chromatids stay in close contact for 10 to 20 min before segregating to separate cell halves thanks to the action of Topoisomerase IV. This step is called sister chromatid cohesion. We have used this molecular biology tool to study sister chromatid cohesion upon a genotoxic stress induced by mitomycin C (MMC). We have shown that sister chromatid cohesion is maintained and prolonged when the cell is facing a DSB. Moreover, this sister chromatid cohesion is dependent on RecN, an SOS induced structural maintenance of chromosome-like (SMC-like) protein. In the absence of RecN, the proximity between both sister chromatids is lost and this has a deleterious effect on cell viability. By tagging the chromosome with fluorescent proteins, we have revealed that RecN can also mediated a progressive regression of two previously segregated sister chromatids and this is coordinated with a whole nucleoid compaction. Further studies showed that this genome compaction is orderly and is not the result of a random compaction in response to DNA damage.Interestingly, inhibiting TopoIV in a recN mutant fully restores viability and sister chromatid cohesion suggesting that RecN’s action is mainly structural. Preserving cohesion through precatenanes is sufficient to favor repair and cell viability even in the absence of RecN.An RNA-seq experiment in a WT strain and a recN mutant revealed that the whole SOS response is downregulated in a recN mutant. This suggests that RecN may have an effect on the induction of the SOS response and thus RecA filament formation. This is in good agreement with the change in RecA-mcherry foci formation we observed. In the WT strain, the RecA-mcherry foci are defined as described in previous work. However, in the recN, the RecA-mcherry foci seemed to form bundle like structures. These RecA bundles were previsously described by Lesterlin et al. in the particular case of a DSB occurring on a chromatid that has already been segregated from its homolog. This could mean that in the absence of recN, the sister chromatids segregate and RecA forms bundle like structures in order to perform a search for the intact homologous sister chromatid.Altogether, these results reveal that RecN is an essential protein for sister chromatid cohesion upon a genotoxic stress. RecN favors sister chromatid cohesion by preventing their segregation. Through a whole nucleoid rearrangement, RecN mediates sister chromatid regression, favoring DNA repair and cell viability.


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