Chez les spores de bactéries, le photoproduit le plus abondant formé dans l'ADN irradié par les UV est un dimère de thymines appelé Photoproduit des spores (SP, 5-(a-thyminyl)-5,6-dihydrothymine). Au début de la germination, ce photoproduit est spécifiquement réparé par une enzyme, la Spore Photoproduct Lyase (SPL), régénérant les deux résidus thymine originaux. Cette enzyme est une protéine Fe-S qui appartient à la famille des « Radical-SAM ». Les protéines de cette famille d'enzymes possèdent un centre [4Fe-4S], coordiné par 3 cystéines conservées organisées selon le motif CxxxCxxC, et utilisent la SAdénosylméthionine comme cofacteur. Elles fonctionnent toutes selon un mécanisme <br />radicalaire, initié par la formation du radical 5'-désoxyadénosyle issu de la coupure homolytique de la S-Adénosylméthionine par le centre [4Fe-4S] réduit. Dans ce travail, nous avons effectué une caractérisation biochimique et spectroscopique des SPL de Clostridium acetobutylicum et Bacillus subtilis. Par ailleurs, nous avons synthétisé un substrat minimum sous la forme d'un dinucléoside monophosphate appelé SPTpT, pour lequel une caractérisation structurale par RMN a été réalisée. Le SPTpT est reconnu et efficacement réparé par l'enzyme, ce qui nous a permis d'obtenir de nouvelles informations sur le mécanisme enzymatique de réparation. Enfin, la séquence primaire des SPL contient une 4e cystéine conservée, essentielle à la réparation, mais qui n'est pas impliquée dans la coordination du centre [Fe-S]. Nous nous sommes intéressés au rôle de cette cystéine dans le mécanisme de réparation grâce à l'étude biochimique et enzymatique du mutant SPLC141A.

Les protéines impliquées dans les voies de signalisation sont souvent activées et inactivées par des interactions de faible affinité. En particulier, les domaines protéiques liant spécifiquement de courts fragments protéiques permettent une régulation intra- et inter-moléculaire efficace des domaines catalytiques auxquels ils sont associés. Citons par exemple les domaines FHA ou des tandems BRCT fréquemment impliqués dans les réponses aux dommages de l'ADN. Etant donnée leur importance dans les réseaux d'interactions et dans la signalisation cellulaire, la prédiction par bioinformatique des propriétés de liaison de ces petits domaines constitue un enjeu majeur. Toutefois, les stratégies bioinformatiques sont jusqu'à présent limitées par des difficultés méthodologiques associées aux caractéristiques intrinsèques de ces domaines. Leurs séquences sont souvent très divergentes et les affinités pour leurs cibles physiologiques sont généralement faibles malgré une excellente spécificité. Le travail présenté dans cette thèse a donc pour objectif de dépasser les limites actuelles des outils de prédictions pour développer de nouvelles méthodologies bioinformatiques performantes. Trois points ont été plus particulièrement abordés : (i) la prédiction de la structure tridimensionnelle de ces domaines ; (ii) la prédiction des sites reconnus par ces domaines lorsque les partenaires sont connus ; (iii) la prédiction des motifs spécifiquement reconnus par ces domaines sur la base de leur structure tridimensionnelle.

Les oxydations sur les bases nucléiques constituent l'une des sources principale d'apparition de lésions sur l'ADN, qui peuvent être mutagènes ou létales pour les cellules en l'absence de réparation de l'ADN. La Formamidopyrimidine-ADN glycosylase (Fpg), une enzyme procaryote du système de réparation de l'ADN par excision de base (BER), initie la réparation d'un large panel de lésions de ce type via ses activités ADN glycosylase (excision de la base oxydée) et AP lyase (clivage du site abasique par β,δ-élimination). Nous avons réalisé des études fonctionnelles par des techniques biochimiques et structurales par cristallographie des rayons X afin de préciser la spécificité de substrat et le mécanisme catalytique de Fpg. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence des déterminants structuraux permettant à cette enzyme d'accommoder des lésions de tailles très différentes dans son site actif, en l'occurrence des résidus 2,6-diamino-4-hydroxy-5-formamidopyrimidine (FapyG) substitués ou non en N7 par des adduits encombrants. D'autre part, nous avons caractérisé structuralement et fonctionnellement la reconnaissance et l'excision par Fpg d'une lésion pyrimidique, la 5-hydroxy-5-méthyle-hydantoïne (Hyd). Ainsi, nous avons montré que cette lésion appariée à une cytosine était un bon substrat pour l'enzyme, et nous avons précisé structuralement le mode de reconnaissance de l'Hyd par Fpg. D'autre part, nous avons mis en évidence un comportement inattendu de l'enzyme sur ce substrat. En l'occurrence, nous avons montré biochimiquement et structuralement qu'un pontage covalent se formait en quantités non négligeables entre Fpg et l'Hyd dans des conditions physiologiques. Mots clés : Réparation de l'ADN; Réparation par excision de base; Formamidopyrimidine-ADN glycosylase; 2,6- diamino-4-hydroxy-5-formamidopyrimidine; 7,8-dihydro-8-oxo-guanine; 5-hydroxy-5-méthyle-hydantoïne.

La stabilité génomique, qui est essentielle à la vie, est possible grâce à la réplication et la réparation de l’ADN. Une des enzymes responsables de la réplication et de la réparation de l’ADN est la ribonucleotide reductase (RNR), qui est retrouvée chez la levure et chez l’humain. Cette enzyme catalyse la formation de déoxyribonucléotides et maintien le pool de dNTP requis pour la réparation et la réplication de l’ADN. L’enzyme RNR est un tétramère α2β2 constitué d’une grande (R1, α2) et d’une petite (R2, β2) sous-unité. Chez S. cerevisiae, les gènes RNR1 et RNR3 encodent la sous-unité α2 (R1). L’activité catalytique de RNR dépend d’une interaction avec le fer et de la formation d’un complexe entre R1 et R2. L’expression de toutes les sous-unités est inductible par les dommages causés à l’ADN. Dans cette étude, nous démontrons que des cellules qui n’expriment pas une des sous-unités, Rnr4, du complexe RNR sont sensibles à divers agents endommageant l’ADN, tels que le méthyl méthane sulfonate, la bléomycine, le péroxyde d’hydrogène et les rayons ultraviolets (UVC 254 nm). Au contraire, le mutant est résistant au 4-nitroquinoline-1- oxide (4-NQO), un composé qui engendre des lésions encombrantes. Par conséquent, le mutant rnr4Δ démontre une réduction marquée en mutations induites par le 4-NQO comparativement à la souche parentale. Nous voulions identifier la voie de réparation de l’ADN qui conférait cette résistance au 4-NQO ainsi que les protéines impliquées. Les voies BER, NER et MMR n’ont pas aboli la résistance au 4-NQO de la souche rnr4Δ. La protéine recombinante Rad51 ne joue pas un rôle critique dans la réparation de l’ADN et dans la résistance au 4-NQO. La délétion du gène REV3, qui encode une polymérase de contournement, impliquée dans la réparation post-réplication, a partiellement aboli la résistance au 4-NQO dans rnr4Δ. Ces résultats suggèrent que la polymérase Rev3 et possiblement d’autres polymérases translésion (Rev1, Rev7, Rad30) pourraient être impliquées dans la réparation de lésions encombrantes dans l’ADN dans des conditions de carence en dNTP. La réparation de l’ADN, un mécanisme complexe chez la levure, implique une vaste gamme de protéines, dont certaines encore inconnues. Nos résultats indiquent qu’il y aurait plus qu’une protéine impliquée dans la résistance au 4-NQO. Des investigations plus approfondies seront nécessaires afin de comprendre la recombinaison et la réparation post-réplication. / Genomic stability, critical for life, is controlled by DNA replication and repair. DNA replication and repair is mediated through many enzymes, one being ribonucleotide reductase (RNR), an enzyme found in both yeast and humans. RNR catalyzes the reaction involved in the formation of deoxyribonucleotides and is responsible for maintaining dNTP pools required for DNA repair and replication. RNR is an α2β2 tetramer consisting of a large (R1, α2) and small subunit (R2, β2). In S. cerevisiae RNR1 and RNR3 encode α2 (R1). RNR catalytic activity depends on its interaction with iron and on the formation of the complex between R1 and R2. All subunits are inducible by DNA damage. Here we show that cells lacking one subunit, Rnr4, of the RNR complex are sensitive to various DNA damaging agents such as methyl methane sulfonate, bleomycin, hydrogen peroxide, and ultraviolet radiation (UVC 254 nm). In contrast, the mutant is resistant to 4-nitroquinoline-1-oxide (4-NQO), an agent which produces bulky lesions. Consistent with this resistance, the rnr4Δ showed a sharp reduction in 4-NQO-induced mutations as compared to the parent. We wanted to determine which pathway was able to confer resistance to 4-NQO and thus targeted DNA repair proteins. The repair pathways BER, NER and MMR did not abolish 4-NQO resistance in rnr4Δ. Recombination protein Rad51 (NHEJ) was lethal in an rnr4Δ thus indicating no role in DNA repair and 4-NQO resistance. Deletion of the REV3 gene, encoding a DNA bypass polymerase involved in post replication repair, partially abolished 4-NQO resistance in rnr4Δ. These results suggest that Rev3 and possibly other translesion polymerases (Rev1, Rev7, Rad30) could play a role in the repair of bulky DNA lesions under low levels of dNTPs. DNA repair, a complex mechanism in yeast, involves a vast array of proteins, some yet to be discovered. Our results indicate that there is more than one protein involved in 4-NQO resistance and further investigation is required concerning recombination and post replication repair.

Notre génome, véritable mode d'emploi de chaque cellule et organisme, est constamment menacé par de multiples agents endogènes ou exogènes qui endommagent la biomolécule d'ADN. Ces lésions résultantes, de nature diverse, sont notamment impliquées dans les processus de vieillissement cellulaire, de cancérogénèse et de mort cellulaire. Afin de contrer ces effets néfastes, les organismes ont développé différents systèmes de réparation de l'ADN capables de prendre en charge spécifiquement chaque type de dommages. Parmi ces voies métaboliques, la réparation par excision de base (BER) répare chaque jour des dizaines de milliers de dommages, incluant les bases alkylées, oxydées ou désaminées, les sites abasiques ou encore certaines cassures de brin. Dans le présent travail, nous exposons la mise au point d'un nouveau biocapteur pour la détection des activités enzymatiques du BER. L'outil se caractérise par un set de sondes nucléiques autocomplémentaires, fluorescentes ou pro-fluorescentes, immobilisées sur microbilles paramagnétiques. Chaque sonde est modifiée par l'introduction sélective d'une lésion, substrat d'une activité enzymatique ciblée (ADN N-glycosylase, AP-endonucléase). L'activité d'excision/incision de la lésion, conduit à la coupure de la sonde et à la déshybridation de la structure. L'analyse et la quantification du clivage spécifique est réalisée en fluorescence, soit à partir du surnageant par spectrofluorimétrie, soit des billes par cytométrie en flux. Ce dispositif permet la détection multiplexée des activités enzymatiques de protéines purifiées ou au sein d'extraits nucléaires. Egalement, des applications dans le criblage d'inhibiteurs de la réparation de l'ADN sont envisageables dans le cadre de recherches pré-cliniques. L'adaptation de ces tests in vitro à la détection de la réparation de l'ADN in cellulo a fait l'objet de développements préliminaires.

Les HAP sont des polluants ubiquitaires de l'environnement. Certains d'entre eux, comme le benzo[a]pyrène (B[a]P) sont cancérigènes pour l'homme. Il est donc primordial d'évaluer l'exposition des individus au B[a]P. Pour cela, la mesure des adduits de l'ADN est d'un intérêt majeur puisqu'elle permet de quantifier la dose génotoxique. Deux voies métaboliques du B[a]P conduisent à la formation de divers adduits de l'ADN. Afin de définir de nouveaux biomarqueurs d'exposition, nous avons cherché à identifier la nature chimique des adduits majoritairement formés dans des modèles cellulaires de kératinocytes et d'hépatocytes humains exposés au B[a]P. Pour cela, une méthode analytique par chromatographie liquide haute performance couplée à la spectrométrie de masse en mode tandem a été mise au point pour permettre le dosage spécifique de sept adduits, avec une limite de détection de l'ordre de 1 adduit/108 nucléosides normaux. Les adduits majoritaires sont les adduits stables du diol-époxyde du B[a]P (BPDE), et les cinétiques de formation et de réparation sont différentes entre les deux types cellulaires. Chez l'homme, la méthode analytique développée ne nous a pas permis de mettre en évidence ces adduits que ce soit dans l'urine de sujets exposés professionnellement aux HAP ou dans l'ADN lymphocytaire de sujets fumeurs. De plus les nucléosides oxydés dans l'urine s'avèrent ne pas être de bons biomarqueurs d'effet des HAP. Les adduits stables du BPDE apparaissent donc comme des biomarqueurs pertinents de l'exposition au B[a]P, mais il est nécessaire d'améliorer la limite de détection de notre méthode pour permettre leur dosage chez l'homme.

Chaque cellule humaine est constamment soumise à des agressions extérieures comme l'exposition aux rayons Ultra-Violets, agents chimiques, etc. ou endogènes provenant de la production de métabolites par la cellule elle-même. Ces agressions induisent des dommages dans l'ADN. Ces dommages, s'ils ne sont pas réparés correctement, peuvent induire un dérèglement des fonctions de base de la cellule qui peut alors devenir cancéreuse. Pour réparer leur ADN, les cellules activent divers mécanismes de réparation et établissent une signalisation au niveau des sites endommagés. Dans le noyau, l'ADN est associé à des protéines appelées histones pour former la chromatine. La chromatine se caractérise par différents niveaux d'organisation, aboutissant à la formation d'une structure très compacte. Cette compaction élevée de la chromatine peut représenter une barrière pour la machinerie de réparation. En effet, pour être réparé, l'ADN endommagé doit être accessible à la machinerie de réparation. Pour cela, les cellules ont développé des mécanismes permettant d'accéder à l'ADN endommagé. Ces mécanismes de réponse aux dommages à l'ADN impliquent l'activation de voies de signalisation. L'un des signaux précurseurs activés après dommage à l'ADN est la Poly-ADP-Ribosylation (PARylation). La PARylation est une modification post-traductionnelle composée d'une répétition de petites molécules appelées Poly-ADP-Riboses, qui s'accrochent notamment sur les histones pour signaler la présence de cassures dans l'ADN et permettent ainsi de recruter les protéines impliquées dans la réparation des dommages. Lorsque l'ADN est endommagé, l'activation de processus de réparation induit de manière précoce le recrutement de facteurs de remodelage de la chromatine. Le rôle exact de la signalisation via la PARylation durant les étapes précoces de la réponse aux dommages à l'ADN et plus particulièrement lors du remodelage de la chromatine reste encore mal caractérisé. Durant ma thèse, j'ai utilisé des techniques avancées en microscopie pour étudier la dynamique de la chromatine après induction de dommages à l'ADN. J'ai ainsi tenté d'élucider le rôle de la PARylation dans le mécanisme de remodelage de la chromatine au niveau des dommages dans l'ADN, en recherchant des facteurs permettant d'altérer de manière spécifique la dynamique de la chromatine. Cette méthodologie nous a permis d'identifier différents facteurs impliqués dans le remodelage de la chromatine après dommage à l'ADN. / In each human cell, many thousands of DNA lesions arise every day, challenging continuously the genome integrity. The majority of these lesions results from byproducts of normal cell metabolism or DNA replication, but they are also induced by exposure to radiations and genotoxic chemicals. The integrity of the genome is preserved by a plethora of different DNA damage signalling and repair machinery arranged by the cells. In the cell nucleus, DNA associates with scaffolding proteins to form the chromatin. The chromatin is tightly packed in the nucleus through several levels of organization. Such high-packing state poses a significant challenge for the repair machinery. Indeed, the damaged DNA needs to be accessible to repair proteins, and for that, cells have developed several mechanisms to allow the access to the damaged chromatin. The early steps of the DNA damage response involve the activation of proteins that are part of signalling pathways. One of the proteins activated upon DNA damage is PARP1, which synthetizes long and branched chains of ADP-ribose (poly-ADP-ribose or PAR) on itself and other chromatin factors, including histones. The activation of PARP1 leads to the recruitment of several effectors involved in DNA repair and chromatin remodeling. However the exact function of the PAR-signalling during early DNA damage response and in particular during chromatin remodeling at DNA breaks remains unclear. During my PhD, I used advanced fluorescent imaging tools to study in living cells the dynamics of chromatin in the nucleus at a local scale upon DNA damage. I used these tools to study PAR-dependent chromatin relaxation after DNA damage and to screen factors that selectively alter the dynamic behaviour of the damaged chromatin. This methodology allowed us to identify PAR-dependent factors involved in the local chromatin remodeling upon DNA damage.

L'ADN mitochondrial des plantes est dynamique et son expression est complexe. Par la voie naturelle d'import d'ARN de transfert codés par le noyau, nous avons adressé dans les mitochondries d'Arabidopsis l'ARN orf77 caractéristique de la S-CMS du maïs et nous avons analysé les effets sur le transcriptome mitochondrial. Celui-ci s'est avéré strictement régulé durant le développement et fortement tamponné aux stades précoces. L'adressage mitochondrial de l'orf77 a aussi promu un cross-talk avec le noyau. D'autre part, la réplication et la réparation de l'ADN dans les mitochondries de plante impliquent une recombinaison active contrôlée par des facteurs codés par le noyau. Nous avons identifié l'exonucléase 5'-3' potentiellement responsable de la résection des extrémités de l'ADN dans la réparation par recombinaison des cassures double-brin. Nos résultats ouvrent des perspectives pour la génération de diversité génétique mitochondriale et la création de lignées CMS d'intérêt agronomique. / The mitochondrial DNA of plants is dynamic and its expression is complex. Using a strategy based on the natural import of nuclear-encoded transfer RNAs from the cytosol, we targeted to mitochondria in Arabidopsis thaliana the orf77 RNA characteristic for S-CMS in maize and we analyzed the effects on the transcriptome. The results showed that the mitochondrial transcriptome is tighly regulated during plant development and is strongly buffered at early stages. Mitochondrial targeting of orf77 also triggered a cross-talk with the nucleus. On the other hand, DNA replication and repair in plant mitochondria involve active recombination controled by nuclear-encoded factors. We identified a new member of this set of factors, the 5'-3' exonuclease potentially responsible for the resection of DNA ends in recombination-mediated repair of double-strand breaks. As a whole, the results open prospects for generating mitochondrial genetic diversity and creating CMS lines with agronomical interest.

Les répétitions de trinucléotides sont des séquences répétées en tandem pouvant subir, chez l'homme, de larges expansions à l'origine de nombreuses maladies génétiques. La dystrophie myotonique de type 1 (DM1) est due à l'expansion d'une répétition CTG en 3'UTR du gène DMPK. Les mécanismes d'instabilités des répétitions, peu connus, reposeraient sur leur capacité à former des structures secondaires constituant un obstacle aux mécanismes impliquant une synthèse d'ADN. Nous avons montré qu'une TALEN induisant une cassure double brin dans les répétitions CTG à l'origine de la DM1 insérées chez la levure Saccharomyces cerevisiae permettait de manière efficace et spécifique d'aboutir après réparation à leur contraction. Le mécanisme de réparation est dépendant uniquement de deux gènes, RAD50 et RAD52, suggérant la formation de structures aux extrémités de la DSB devant être retirées pour initier la réparation, suivis d'une réaction de SSA entre les répétitions aboutissant à leur contraction. L'efficacité et spécificité d'un système CRISPR-Cas9 à contracter ces répétitions chez la levure ont été comparées à la TALEN. L'induction de CRISPR-Cas9 n'aboutit pas à la contraction des répétitions mais à des réarrangements chromosomiques suggérant un manque de spécificité et un mécanisme de réparation différent de celui de la TALEN. Enfin, nous avons étudié si ces nucléases peuvent contracter ces répétitions CTG à des tailles non pathologiques dans des cellules de mammifères. L'induction de la TALEN dans des cellules de souris transgéniques DM1, puis dans des fibroblastes humains de patients DM1 montre des résultats préliminaires encourageant de contraction des répétitions. / Trinucleotides repeats are a specific class of microsatellites whose large expansions are responsible for many human neurological disorders. Myotonic dystrophy type 1 (DM1) is due to an expansion of CTG repeats in the 3’UTR of DMPK gene, which can reach thousands of repeats. Molecular mechanisms leading to these large expansions are poorly understood but in vitro studies have shown the capacity of these repeats to form secondary structures, which probably interfere with mechanisms involving DNA synthesis. We shown that a TALEN used to induce double-strand break (DSB) in DM1 CTG repeats integrated in the yeast Saccharomyces cerevisiae is specific and leads to highly efficient repeat contractions after repair. Mechanism involved in TALEN-induced DSB only depends of RAD50 and RAD52 genes, suggesting the formation of secondary structures at DSB ends that need to be removed for repair initiation, followed by an intramolecular recombinaison repair such as SSA between repeats leading to their contraction. We compared the efficiency and specificity of a CRISPR-Cas9 and the TALEN to contract CTG repeats in yeast. Surprisingly, CRISPR-Cas9 induction do not lead to repeat contraction but to chromosomal rearrangement, suggesting a lack of specificity and a different repair mechanism than with the TALEN. At last, we studied whether these nucleases could contract CTG repeats to a non-pathological length in mammalian cells. Finally, TALEN induction in DM1 transgenic mice cells, and in DM1 human fibroblasts show promising repeat contractions.

Les facteurs endogènes et exogènes induisent diverses modifications chimiques et structurales dans l’ADN cellulaire et sont à l’origine de nombreuses erreurs lors de la réplication et de la division cellulaire. Elles sont souvent à l’origine de cancers et de maladies chroniques liées à l’âge. Les agents alkylants induisent des lésions complexes de l’ADN. Ils sont utilisés comme des outils efficaces dans les traitements par chimiothérapies. Les deux caractéristiques majeures des lésions complexes de l’ADN sont d’une part l’encombrement et d’autre part la présence de plus d’une modification dans un tour d’hélice. Les données biochimiques et génétiques montrent que l’élimination des dommages complexes de l’ADN nécessitent plusieurs voies de réparation distinctes. Les caractéristiques cliniques des maladies héréditaires caractérisées par des désordres de réparation de l’ADN, comme l’anémie de Fanconi et le syndrome de Cockayne, visent la nature complexe des lésions oxydatives endogène incluant les adduits encombrants et les pontages interbrins (PIBs). D’autre part, les effets biologiques sévères des agents ionisants, des traitements de chimiothérapie et des cancérigènes environnementaux sont impliqués dans la formation de cassures double brins, des PIBs et des adduits encombrants. Bien que ces derniers représentent une faible proportion des dommages de l’ADN induit par stress oxydatif et les agents chimiques dans les cellules, ils sont extrêmement cytotoxiques s’ils ne sont pas réparés. Par exemple, les cellules cancéreuses sont très sensibles aux PIBs et aux cassures double brins. Alors que la consommation de produits contenant de l’acide aristolochique (AA), qui génère des adduits encombrants dans l’ADN cellulaire, peut être à l’origine de neuropathies et a été associé à une cancérogénèse plus élevée que la fumée de cigarette. L’objectif majeur de ce projet est l’étude de la réparation des lésions complexes de l’ADN et leur implication dans le développement des cancers et leur thérapie. Dans cette présente étude, nous nous sommes intéressés aux mécanismes moléculaires de la réparation des PIBs et des adduits encombrants de l’ADN et leurs possibles rôles dans la chimio- et radiorésistance acquise. De plus, nous avons étudié le mécanisme moléculaire impliqué dans la mutagénèse induite par la réparation aberrante des adduits encombrants initiée par des ADN glycosylases de la voie BER dans des cellules bactériennes et de mammifères. Durant les trois années de thèse, (i) j’ai construit et caractérisé différents substrats d’ADN contenant diverses bases oxydées, des PIBs induits par le psoralène, des adduits encombrants aristolactame et des photoproduits issus des UV, (ii) j’ai purifié divers ADN glycosylases recombinantes (TDG, MBD4, NEIL1 et NEIL3), (iii) j’ai reconstruit in vitro la réparation des lésions de l’ADN et (iv) j’ai également étudié les interactions protéine-protéine et les modifications post-traductionnelles des protéines impliquées dans la réparation des PIBs générés par le cisplatine initiée par les ADN glycosylases NEIL1 et NEIL3. En combinant les différentes approches développées dans notre laboratoire, nous avons identifié et caractérisé des voies de réparation alternatives impliquées dans l’élimination des dommages complexes de l’ADN. Les résultats obtenus dans ce travail permettraient de comprendre la mécanistique du développement de certains cancers et à identifier les facteurs associés à la chimio- radiorésistance des cellules cancéreuses et par conséquent contribuer au développement de nouvelles préventions de stratégies thérapeutiques. / Endogenous and exogenous mutagenic factors induce variety of chemical and structural modifications in cellular DNA that are at the origin of errors that occur during DNA replication and cell division and often give rise to cancer and other age-related chronic diseases. Importantly, alkylating agents which induce complex DNA lesions are used as a powerful tool for anti-cancer chemotherapy. Two most important features of complex DNA lesions are their bulky character and presence of more than one modification within one turn of DNA helix. Genetic and biochemical data indicate that the elimination of complex DNA lesions requires several distinct DNA repair pathways. The clinical features of inherited human DNA repair deficient disorders such as Fanconi anemia and Cockayne syndrome point to complex nature of endogenous oxidative DNA damage which include bulky adducts and inter-strand DNA crosslinks (ICLs). On the other hand, severe biological effects of ionizing radiation, anticancer drugs and environmental carcinogens are correlated with formation of dirty DNA strand breaks, ICLs and bulky adducts. Although complex lesions typically constitute relatively small fraction of the total DNA damage induced by oxidative stress and drugs in cells, they are extremely cytotoxic if not repaired. For example, cancer cells are primarily very sensitive to ICLs and dirty DNA strand breaks. While, consumption of products containing aristolochic acid (AA), which generates bulky adenine DNA adducts in cellular DNA, can cause neuropathy and has been associated with higher risk of cancer than cigarette smoking. The major objective of the present project is to study the repair of complex DNA lesions and their implications in cancer development and therapy. Here, we investigated molecular mechanisms of the repair of ICLs and bulky DNA lesions and their possible role in the acquired chemo-resistance of cancer cells. In addition, we studied the molecular mechanism of mutagenesis induced by the aberrant DNA glycosylase-mediated BER towards bulky adducts in bacterial and mammalian cells. During three years of the project, I have (i) constructed and characterized DNA substrates containing various oxidized bases, psoralen-derived ICLs, bulky aristolactam-adenine adducts and UV photoproducts; (ii) purified several recombinant human DNA glycosylases (TDG, MBD4. NEIL1 and NEIL3); (iii) reconstituted in vitro the repair of complex DNA lesions; and finally (iv) studied the protein-protein interactions and post-translational protein modifications involved in the DNA glycosylases NEIL1 and NEIL3 initiated repair of cis-platinum induced ICLs. By combining the approaches developed in our laboratories we have identified and characterized alternative DNA repair pathways involved in the cellular processing of complex DNA damage. The results obtained in present work can provide mechanistic understanding of the development of certain cancer and lead to identification of the factors associated with the acquired chemo- and radio-resistance of tumour cells and therefore would contribute to development of new prevention and therapeutic strategies.