Impact de l'ADN polymérase spécialisée Pol zeta sur la stabilité du génome

par Barbara Ben Yamin

Projet de thèse en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Patricia Kannouche.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Cancérologie : biologie - médecine - santé , en partenariat avec Cnrs UMR 8200 - Stabilité Génétique et Oncogenèse (laboratoire) , Polymérases translésionnelles et cancer (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Chez les eucaryotes, la duplication du génome en amont de la division cellulaire se déroule durant la phase S par l'initiation coordonnée de centaines d'origines de réplications distribuées tout au long du génome. Plusieurs origines sur chaque chromosome sont activées en début, milieu ou fin de phase S. Ce contrôle temporel de la réplication de l'ADN est appelé « Programme du timing de réplication » et reflète une haute organisation du génome. De manière intéressante, ce programme de réplication est souvent affecté dans les cellules cancéreuses. Le cancer est une maladie causée par l'apparition de mutations somatiques dans les cellules « normales », comme par exemple des substitutions de nucléotides, de petites insertions ou délétions, des amplifications et délétions de larges régions génomiques ainsi que des translocations chromosomiques. La phase S est un moment crucial pour l'établissement de cette instabilité génétique. Cependant les mécanismes impliqués dans la mise en place de ces altérations durant la réplication de l'ADN et leurs influences sur l'oncogenèse ne sont pas encore compris. Grâce au développement de nouvelles techniques de séquençage et le séquençage de nombreux génomes de cancer, il est apparu que l'apparition de mutations ne se fait pas au hasard dans le génome. Aussi, le programme de réplication influence la distribution spatiale des mutations puisque certaines régions du génome répliquées tardivement en fin de phase S présentent une forte augmentation du taux de mutagénèse spontanée en comparaison avec les régions aux alentours répliquées plus précocement. De plus, ces taux de mutations élevés sont associés aux domaines d'hétérochromatine. Une question fondamentale est pourquoi et comment cette augmentation du taux de mutation est associé avec une réplication tardive de ces régions dans les cellules humaines. Dans le laboratoire, nous nous intéressons à une classe spécialisée des ADN polymérases (polymérases translésionnelles) qui permettent le franchissement de lésion directement durant la réplication de l'ADN (ou de structures secondaires particulières) qui ne pourrait pas être prises en charges par les polymérases réplicatives fidèles. Cependant, ces ADN polymérases spécialisées sont très mutagènes sur de l'ADN non endommagé. Notre hypothèse est que la distribution spatiale des mutations reflète l'implication temporelle de ces ADN polymérases spécialisées en phase S. De ce fait, caractériser et cibler ces polymérases spécialisées pourrait fournir une nouvelle approche thérapeutique contre le cancer. Le but de ce projet de thèse est de comprendre le rôle de l'ADN polymérase spécialisée zêta dans la stabilité génétique et épigénétique du génome ainsi que son implication dans le processus de cancérogénèse, plus particulièrement son impact sur le paysage mutationnel. Dans la littérature, il a été montré que Polζ est la seule ADN polymérase TLS, dans les cellules de mammifères, (i) dont l'inactivation du gène codant sa sous-unité catalytique (REV3L) entraine une mortalité embryonnaire chez la souris et (ii) qui est impliquée dans les mécanismes de chimiorésistance. Aussi, chez la levure, elle serait responsable de 60% à 80% de la mutagénèse spontanée et induite par les agents génotoxiques. Ces résultats suggèrent donc que Polζ serait importante pour la réplication « normale » de l'ADN et pourrait être liée au paysage mutationnel observé dans le génome. En utilisant une combinaison technologique puissante (Timing de la réplication, Transcriptome, ChIP-seq, WGS, TALE), nous étudierons comment Polζ est impliqué dans le programme de réplication de l'ADN et son impact potentiel sur l'augmentation du taux de mutagénèse ponctuelle dans les régions répliquées tardivement dans les cellules normales et cancéreuses.

  • Titre traduit

    Impact of the specialized DNA polymerase zeta on genome stability


  • Résumé

    In eukaryotes, duplication of the genome prior to cell division occurs during S phase and proceeds via the coordinated initiation of DNA replication at hundreds of replication origins scattered throughout the genome. Different origins along each chromosome are activated in early, middle or late S-phase. This temporal control of DNA replication is referred to as the replication timing program and reflects the higher order organization of the genome. Intriguingly this DNA replication-timing program is frequently affected in cancerous cells. Cancer is a disease caused by somatic mutations in normal cells, including single-nucleotide substitutions (SNS), small insertions, small deletions, amplifications and deletions of large genomic regions, and chromosomal translocations. The S phase is an opportune time window to generate this genetic instability. How such alterations occur during DNA replication and influence the oncogenesis remains elusive. Thanks to the development of NGS technologies and the sequencing of multiple cancer genomes, it appears that mutagenic events are not distributed randomly in the genome. Indeed, the replication timing program influences the spatial distribution of mutagenic events such that certain regions of the genome which are replicated in late S phase present a strong increased spontaneous mutagenesis compared to surrounding regions replicated in early S phase. In addition, these elevated mutation rates are associated with heterochromatin-like domains. One obvious question is how and why elevated mutation rates are associated with late replication in human cells. In the lab, we are focusing on a special class of DNA polymerases (TLS polymerases) that support replication directly past template lesions (or unusual DNA secondary structure) that cannot be negotiated by the replicative high-fidelity polymerases. However, these specialized DNA polymerases can be highly error-prone on undamaged DNA. Our hypothesis is that spatial distribution of mutagenic events reflects the temporal involvement of specialized DNA polymerases in S phase. Therefore, characterizing and targeting these specialized polymerases might provide new approaches to cancer therapy. The aim of the thesis project is to decipher the role of the specialized DNA polymerase zeta (Polzeta; which is unique among TLS polymerases in mammalian cells because (i) inactivation of the gene encoding its catalytic subunit (REV3L) leads to embryonic lethality in the mouse, and (ii) is involved in mechanisms of chemoresistance of platinum drugs. By using a combination of powerful technologies (DNA combing, iPOND, ChIP-seq, WGS), the candidate will investigate how Polζ is involved in the DNA replication program and its putative impact on the increasing gradient of point mutation rates in late-replicating regions in normal and cancerous cells.