Investigating the interplay between DNA replication and meiotic recombination

par Lilian Lanteri

Thèse de doctorat en Génétique, génomique, bioinformatique

Sous la direction de Pei-Yun Wu.

Thèses en préparation à Rennes 1 , dans le cadre de Biologie-Santé , en partenariat avec Universite Bretagne Loire (ComuE) et de Institut de Génétique et Développement de Rennes (UMR 6290) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Etude du (des) lien(s) entre la replication de l'ADN et la recombinaison méiotique


  • Résumé

    La réplication de l’ADN est une étape essentielle du cycle cellulaire et les étapes qui la composent sont fortement conservées et régulées. Des erreurs dans la duplication du génome peuvent avoir de graves conséquences sur la proliferation cellulaire et ont été liées à différentes pathologies telles que le cancer. La duplication du génome commence à partir de sites distribués tout au long du génome appelés origines de réplication. Cette duplication est réalisé suivant un programme de réplication précis qui est défini, pour une population de cellules, par la distribution et l’activation de ses origines le long du génome. Toutefois, les cellules au sein d’une même population font preuve d’une certaine plasticité quant à l’utilisation de ces origines. Par exemple, l’ensemble des origines activées varie d’une phase S à une autre ainsi que d’une cellule à une autre. Bien que ces changements du programme de réplication aient été observés durant le développement, la différenciation cellulaire ainsi que dans les cancers, l’importance de ces changements sur les fonctions cellulaires reste peu caractérisée. En utilisant la levure à fission Schizosaccharomyces pombe comme modèle d’étude, notre laboratoire a montré que l’utilisation d’un programme de réplication particulier durant la phase S de méiose avait des conséquences sur la formation de cassures doubles brins de l’ADN. Ces résultats montrent pour la première fois qu’un changement du programme de réplication à l’échelle du génome a des conséquences sur les fonctions cellulaires. Basés sur ces résultats, mes travaux de thèse visent à comprendre le lien existant entre la replication du génome et la recombinaison méiotique, via deux approches. Dans un premier temps, nous avons exploré l’impact de l’organisation chromosomique sur la réplication de l’ADN et la recombinaison méiotique. Pour cela nous avons généré des réarrangements chromosomiques qui nous ont permis d’échanger la position de domaines de réplication ayant des efficacités et des timings différents. Nos résultats ont montré que ces réarrangements induisaient des changements de l’efficacité des origines localisées spécifiquement de part et d’autre des extrémités des régions réarrangées, et ce durant les phases S mitotique et méiotique. Alors que l’analyse des cassures doubles brins de l’ADN sur l’ensemble du génome montre également des changements aux extrémités de la region réarrangée, ces changements ne reflètent pas les changements du programme de réplication. Ces résultats inattendus suggèrent que le contrôle des cassures doubles brins de l’ADN durant la méiose est régulé de manière complexe et que le context chromosomique pourrait jouer un rôle dans ce procédé. En parallèle, nous nous sommes intéressés à déterminer quelles étaient les étapes de la réplication de l’ADN importantes pour la formation des cassures doubles brins. Nous nous sommes spécialement concentrés à déterminer si la machinerie de réplication doit passer par un site de cassure avant que celle-ci soit faite ou si l’initiation de la réplication est suffisante pour induire les cassures doubles brins adjacentes. Pour cela nous avons construit et caractérisé un système dans lequel nous pouvons induire une barrière de réplication durant la phase S de méiose. Mes travaux de thèse ouvrent ainsi de nouvelles pistes de recherche pour comprendre le lien entre l’organisation chromosomique, la réplication de l’ADN et la recombinaison méiotique.


  • Résumé

    DNA replication is a highly conserved and regulated step of the cell cycle. Defects in genome duplication have severe consequences for cell proliferation and have been linked to different pathologies, including cancer. Replication initiates at discrete sites along the chromosomes known as origins. For a population of cells, the program of replication is defined by the distribution and activation of origins across the genome. However, cells within the same population display plasticity in origin usage, and the subset of origins activated during S-phase varies from one cell cycle to the next. While changes in the replication program have been observed during development and differentiation as well as in cancer, the functional importance of these alterations remained unknown. Our laboratory previously demonstrated in the fission yeast that the program of origin selection during pre-meiotic S phase regulates the sites of double-strand break (DSB) formation during meiosis, providing the first evidence for the functional consequences of genome-wide changes in origin usage. Building on this work, my thesis takes two approaches to investigate the crosstalk between genome duplication and meiotic recombination, using the fission yeast Schizosaccharomyces pombe as a model system. First, we explored the impact of chromosomal organization on the program of DNA replication and meiotic recombination. To this end, we engineered chromosomal rearrangements that exchange the positions of replication domains with different efficiency and timing characteristics. Our results demonstrated that this induced local changes in origin efficiency near the endpoints of the rearranged region during both mitotic and pre-meiotic S phase. Interestingly, while genome-wide analysis of the DSB profile showed alterations near the rearranged ends, these differences did not reflect the changes in origin usage. This unexpected finding suggests a complex regulation of DSB formation during meiosis that hints at a potential role for chromosomal context in this process. In addition, we aimed to investigate the steps in DNA replication that are important for promoting DSB formation. Specifically, we focused on evaluating whether the replication machinery must progress through a DSB site before breaks are formed or whether origin activation is sufficient to induce nearby DSBs. For these studies, we constructed and characterized a system for inducing a replication fork barrier during pre-meiotic S phase. Taken together, my thesis work provides new directions for investigating the interplay between chromosomal organization, DNA replication and meiotic recombination.