En réponse aux dommages de son génome, le choix par la cellule de la voie de réparation de l'ADN est un crucial par ses conséquences en termes de mutagénèse et de survie. Pour faire face aux cassures double-brin de l'ADN (CDB), les cellules humaines possèdent deux voies principales qui consistent soit à rejoindre les extrémités de la cassure par jonction d'extrémités non-homologues (voie conventionnelle C-NHEJ), soit à reconstituer par recombinaison homologue la séquence clivée en copiant son double non endommagé présent après la réplication (voie RH). La RH nécessite de dégrader l'un des brins d'ADN de part et d'autre de la cassure. Cette dégradation produit de courts fragments d'ADN simple-brin, connus pour aider à signaler le dommage à la cellule. Dans ce travail, nous avons évalué directement l'effet de ces fragments d'ADN simple brin sur la réparation des CDB dans des expériences biochimiques et cellulaires. Nous montrons que de courts fragments d'ADN simple-brin inhibent la C-NHEJ en inactivant sa protéine clef Ku, tout en stimulant une forme minoritaire de jonction des cassures dite NHEJ alternative (A-EJ). Ces travaux permettent de mieux comprendre comment la réparation par la voie peu connue A-EJ peut s'exprimer dans les cellules mais aussi d'envisager des stratégies pour piloter la réponse des cellules cancéreuses aux thérapies induisant des CDB. / In response to DNA damage, the choice made by the cells between DNA repair mechanisms is crucial for mutagenic and survival outcomes. In humans, DNA double-strand breaks are repaired by two mutually-exclusive mechanisms, homologous recombination or end-joining. Among end-joining mechanisms, the main process is classical non-homologous end-joining (C-NHEJ) which relies on Ku binding to DNA ends and DNA Ligase IV (Lig4)-mediated ligation. Mostly under Ku- or Lig4-defective conditions, an alternative end-joining process (A-EJ) can operate and exhibits a trend toward microhomology usage at the break junction. Homologous recombination relies on an initial MRN-dependent nucleolytic degradation of one strand at DNA ends. This process, named DNA resection generates 3' single-stranded tails necessary for homologous pairing with the sister chromatid. While it is believed from the current literature that the balance between joining and recombination processes at DSBs ends is mainly dependent on the initiation of resection, it has also been shown that MRN activity can generate short single-stranded DNA oligonucleotides (ssO) that may also be implicated in repair regulation. In this work, we evaluate the effect of ssO on end-joining at DSB sites both in vitro and in cells. Under both conditions, we report that ssO inhibit C-NHEJ through binding to Ku and favor repair by the Lig4-independent microhomology-mediated A-EJ process. Our data bring new clues in the understanding of the cellular response to DNA double-strand breaks.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第24805号 / 医科博第150号 / 新制||医科||10(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 生田 宏一, 教授 上野 英樹, 教授 濵﨑 洋子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Au cours de la réplication, la réparation des cassures double brin (CDB) par recombinaison homologue (RH), basée sur la synthèse d’ADN à partir de la chromatide sœur, permet le maintien de la stabilité du génome. La religature d’extrémités (EJ) éloignées de CDB peut quant à elle générer des réarrangements menaçant son intégrité. Nous avons étudié le mécanisme de réparation par EJ en fonction de la distance séparant deux cassures double brin. En utilisant des substrats intra-chromosomiques permettant la mesure de l’efficacité et de la fidélité du EJ après ligature d’extrémités éloignées ou proximales, nous avons mis en évidence l’implication du complexe de cohésion dans l’inhibition du EJ d’extrémités distales. Le complexe de cohésion joue donc un rôle central dans l’interface réplication/réparation ; la cohésion des chromatides sœurs favorise la réparation par RH et permet l’inhibition spécifique du EJ d’extrémités éloignées, probablement en limitant la mobilité de la chromatine endommagée et la formation d’une synapse propice au rapprochement des extrémités. La religature d’extrémités éloignées est également nécessaire aux mécanismes de diversification des gènes des immunoglobulines tels que la recombinaison V(D)J et la commutation de classe. L’étude de souris Rad21+/- a également démontré une implication du complexe de cohésion dans ces mécanismes essentiels à la diversité de l’information génétique. Le complexe de cohésion étant impliqué dans ces mécanismes et dans l’inhibition des réarrangements complexes tels que les translocations et insertions il est un acteur essentiel de la diversité et de la stabilité génomique. / DNA double-strand breaks (DSBs) repair is essential for genome stability/diversity, but can also generate genome rearrangements. Although non-homologous end-joining (NHEJ) is required for genome stability maintenance, the joining of distant double strand ends (DSE) should inexorably lead to genetic rearrangements. We analyzed the efficiency and accurency of close or distal EJ repair. Our data show that global end-joining is more efficient on close ends (34bp) compared to distal ends (3200bp) and that C-NHEJ is favored on close ends, resulting in more accurate outcome, compared to distal ends where more mutagenic A-EJ events takes place. In addition, the joining of distal ends favors the insertion/capture of DNA sequences. These data show only few kb distances between two DSEs are sufficient to jeopardize DSB repair efficiency and accuracy, leading to complex scars at the re-sealed junctions, and cell response is sufficiently sensitive to differently process such distal ends. We next addressed the question of the mechanisms preventing the joining of distant DSE. We show that depletion of the cohesin complex proteins specifically stimulates the end-joining of I-SceI-induced DSBs distant of 3200bp, while the joining of close DSEs (34bp) remained unaffected. Consistently, exome sequencing and cytogenetic analysis revealed that RAD21 ablation generates large chromosome rearrangements and a strong induction of replication stress-induced chromosome fusions. These data reveal a role for the cohesin complex in the protection against profound genome rearrangements arising through ligation of distant DSEs.