Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le maintien de la stabilité du génome est essentiel pour la propagation de l’information génétique et pour la croissance et la survie des cellules. Tous les organismes possèdent des systèmes de prévention des dommages et des réarrangements de l’ADN et nos connaissances sur ces processus découlent principalement de l’étude des génomes bactériens et nucléaires. Comparativement peu de choses sont connues sur les systèmes de protection des génomes d’organelles. Cette étude révèle l’importance des protéines liant l’ADN simple-brin de la famille Whirly dans le maintien de la stabilité du génome des organelles de plantes. Nous rapportons que les Whirlies sont requis pour la stabilité du génome plastidique chez Arabidopsis thaliana et Zea mays. L’absence des Whirlies plastidiques favorise une accumulation de molécules rearrangées produites par recombinaison non-homologue médiée par des régions de microhomologie. Ce mécanisme est similaire au “microhomology-mediated break-induced replication” (MMBIR) retrouvé chez les bactéries, la levure et l’humain. Nous montrons également que les organelles de plantes peuvent réparer les bris double-brin en utilisant une voie semblable au MMBIR. La délétion de différents membres de la famille Whirly entraîne une accumulation importante de réarrangements dans le génome des organelles suite à l’induction de bris double-brin. Ces résultats indiquent que les Whirlies sont aussi importants pour la réparation fidèle des génomes d’organelles. En se basant sur des données biologiques et structurales, nous proposons un modèle où les Whirlies modulent la disponibilité de l’ADN simple-brin, régulant ainsi le choix des voies de réparation et permettant le maintien de la stabilité du génome des organelles. Les divers aspects de ce modèle seront testés au cours d’expériences futures ce qui mènera à une meilleure compréhension du maintien de la stabilité du génome des organelles. / Maintenance of genome stability is essential for the accurate propagation of genetic information and for cell growth and survival. Organisms have therefore developed efficient strategies to prevent DNA lesions and rearrangements. Much of the information concerning these strategies has been obtained through the study of bacterial and nuclear genomes. Comparatively little is known about how organelle genomes maintain a stable structure. This study implicates the single-stranded nucleic acid-binding proteins of the Whirly family in the maintenance of plant organelle genome stability. Here we report that the plastid-localized single-stranded DNA binding proteins of the Whirly family are required for plastid genome stability in Arabidopsis thaliana and Zea mays. Absence of plastidial Whirlies favors the accumulation of rearranged molecules that arise through a non-homologous recombination mechanism mediated by regions of microhomology. This mechanism is similar to the microhomology-mediated break-induced replication (MMBIR) described in bacteria, yeast and humans. Additionally we show that plant organelles can repair double-strand breaks using a MMBIR-like pathway. Plants lacking Whirly proteins accumulate elevated levels of microhomology-mediated DNA rearrangements upon double-strand break induction, indicating that Whirlies also contribute to the accurate repair of plant organelle genomes. Using biological and structural data, we propose a working model in which Whirlies modulate the access of repair proteins and complementary DNA to single-stranded regions, thereby regulating the choice of repair pathways and maintaining plant organelle genome stability. The various aspects of this model will be tested in future experiments which should allow a better understanding of the mechanisms underlying genome stability in plant organelles.

Le maintien de la stabilité du génome est essentiel pour la propagation de l’information génétique et pour la croissance et la survie des cellules. Tous les organismes possèdent des systèmes de prévention des dommages et des réarrangements de l’ADN et nos connaissances sur ces processus découlent principalement de l’étude des génomes bactériens et nucléaires. Comparativement peu de choses sont connues sur les systèmes de protection des génomes d’organelles. Cette étude révèle l’importance des protéines liant l’ADN simple-brin de la famille Whirly dans le maintien de la stabilité du génome des organelles de plantes. Nous rapportons que les Whirlies sont requis pour la stabilité du génome plastidique chez Arabidopsis thaliana et Zea mays. L’absence des Whirlies plastidiques favorise une accumulation de molécules rearrangées produites par recombinaison non-homologue médiée par des régions de microhomologie. Ce mécanisme est similaire au “microhomology-mediated break-induced replication” (MMBIR) retrouvé chez les bactéries, la levure et l’humain. Nous montrons également que les organelles de plantes peuvent réparer les bris double-brin en utilisant une voie semblable au MMBIR. La délétion de différents membres de la famille Whirly entraîne une accumulation importante de réarrangements dans le génome des organelles suite à l’induction de bris double-brin. Ces résultats indiquent que les Whirlies sont aussi importants pour la réparation fidèle des génomes d’organelles. En se basant sur des données biologiques et structurales, nous proposons un modèle où les Whirlies modulent la disponibilité de l’ADN simple-brin, régulant ainsi le choix des voies de réparation et permettant le maintien de la stabilité du génome des organelles. Les divers aspects de ce modèle seront testés au cours d’expériences futures ce qui mènera à une meilleure compréhension du maintien de la stabilité du génome des organelles. / Maintenance of genome stability is essential for the accurate propagation of genetic information and for cell growth and survival. Organisms have therefore developed efficient strategies to prevent DNA lesions and rearrangements. Much of the information concerning these strategies has been obtained through the study of bacterial and nuclear genomes. Comparatively little is known about how organelle genomes maintain a stable structure. This study implicates the single-stranded nucleic acid-binding proteins of the Whirly family in the maintenance of plant organelle genome stability. Here we report that the plastid-localized single-stranded DNA binding proteins of the Whirly family are required for plastid genome stability in Arabidopsis thaliana and Zea mays. Absence of plastidial Whirlies favors the accumulation of rearranged molecules that arise through a non-homologous recombination mechanism mediated by regions of microhomology. This mechanism is similar to the microhomology-mediated break-induced replication (MMBIR) described in bacteria, yeast and humans. Additionally we show that plant organelles can repair double-strand breaks using a MMBIR-like pathway. Plants lacking Whirly proteins accumulate elevated levels of microhomology-mediated DNA rearrangements upon double-strand break induction, indicating that Whirlies also contribute to the accurate repair of plant organelle genomes. Using biological and structural data, we propose a working model in which Whirlies modulate the access of repair proteins and complementary DNA to single-stranded regions, thereby regulating the choice of repair pathways and maintaining plant organelle genome stability. The various aspects of this model will be tested in future experiments which should allow a better understanding of the mechanisms underlying genome stability in plant organelles.