La recombinaison homologue (RH) est une réaction universelle qui assure la maintenance des génomes. Elle participe aussi à leur variabilité. De fait, dans les trois domaines du vivant elle est au centre de nombreux processus biologiques tels que la réparation des dommages à l'ADN ou encore le brassage génétique au cours de la méiose. Chez les bactéries, la RH est également impliquée dans les processus de transferts horizontaux qui favorisent les échanges génétiques entre les espèces. La transformation génétique est l'un de ces processus largement répandus parmi les bactéries. Celle-ci a spécifiquement lieu lorsque les cellules entrent dans un état physiologique particulier nommé la compétence. Comparativement aux autres types de transferts horizontaux, la transformation génétique à la caractéristique d'être entièrement contrôlée par la cellule receveuse qui dirige l'intégration d'ADN exogène capturé dans son milieu extérieur. Le but de ma thèse a été d'améliorer notre compréhension moléculaire de la voie de RH spécifique de la transformation génétique de Streptococcus pneumoniae qui permettrait à ce pathogène non seulement d'échapper aux vaccins mais également d'acquérir de nouvelles résistances aux antibiotiques. Bien qu'elle présente des variations d'un organisme à l'autre, la RH peut fondamentalement être décomposée en trois phases successives catalysées par la recombinase RecA chez les bactéries. La phase présynaptique consiste en la polymérisation de la recombinase sur l'ADN simple brin (sb) générant un nucléofilament. L'étape synaptique comprend l'appariement du nucléofilament avec celui des deux brins de la séquence homologue qui lui est complémentaire. Elle aboutit à l'apparition d'une D-loop, intermédiaire de recombinaison résultant de la jonction entre les deux molécules ADN engagées. Enfin, la phase postsynaptique constitue l'étape finale durant laquelle les jonctions entre les molécules ADN sont maturées puis clivées de manière à maintenir l'intégrité double brin du génome. L'action optimale de la recombinase au cours de ces trois étapes nécessite l'assistance de partenaires protéiques spécifiques au processus au sein duquel la réaction de RH intervient. Dans le cadre de la transformation génétique, la RMP (recombination mediator protein) DprA et la protéine de liaison à l'ADNsb SsbB sont deux partenaires de RecA spécifiquement produits par les cellules en état de compétence. Nous avons révélé in vitro que leurs actions conjuguées permettent d'améliorer l'efficacité de la RH catalysée par RecA en facilitant l'étape présynaptique de la réaction. De plus, nous avons montré que contrairement à SsbB, la protéine SsbA constitutive et essentielle ne stimule pas la RH spécifique de la transformation génétique de S. pneumoniae. Ce résultat suggère que les deux paralogues n'interviennent pas au cours des mêmes processus biologiques. La protéine RadA, ubiquitaire et très conservée parmi les bactéries, est un autre partenaire de RecA constitutivement produit par les cellules mais spécifiquement induit lors de la transformation génétique de S. pneumoniae. Par une combinaison d'approches in vivo, in vitro et structurale, nous avons mis en évidence d'une part, l'appartenance de RadA à la famille SF4 d'hélicases de type DnaB, et d'autre part son rôle clef dans la phase postsynaptique de la RH. Ce travail a permis de proposer un modèle inédit du mécanisme de migration de branches permettant la maturation des intermédiaires de recombinaison. Via son interaction avec RecA, nous proposons que RadA accède aux deux brins de l'ADN receveur de part et d'autre de la D-loop. Ainsi chargé symétriquement, RadA transloquerait de manière divergente le long des deux ADNsb dans le sens 5'-3' permettant ainsi l'ouverture du duplex receveur. L'incorporation de l'ADNsb envahissant serait ainsi facilitée par l'action de RadA tant au cours de la transformation génétique que des processus de maintenance faisant intervenir la RH / Homologous recombination (HR) is a central biological process in living organisms across all three domains of life. Crucial both for genomic maintenance and genetic plasticity, HR acts either to repair harmful DNA breaks or to produce new DNA combinations on chromosomes. In bacteria, HR is also used to exchange genetic material between different strains or species through horizontal gene transfers processes. Genetic transformation is one of those processes, widely distributed among species. Genetic transformation, occurring during a distinct physiological state called competence, is entirely directed by the recipient cell which uses exogenous DNA as a source of transferred genetic material. The goal of my PhD was to provide a molecular understanding of the specific HR pathway operating during the genetic transformation process of Streptococcus pneumoniae which enables this human pathogen to escape vaccine by capsular serotype switching as well as to acquire new antibiotics resistance genes. Although HR mechanisms vary among different organisms and cell types, the same three basic steps are conserved. During the pre-synaptic phase, the highly conserved recombinase named RecA in bacteria polymerises along ssDNA. The synaptic step proceeds through invasion of this nucleofilament into complementary duplex DNA, promoting the formation of joint molecules called D-loops. Finally, the post-synaptic phase corresponds to the maturation and clivage of thoses branched structures to preserve genomic integrity. To complete this strand exchange reaction, RecA requires the assistance of several specific partners depending on the context of the HR event. During genetic transformation, the recombination mediator protein DprA and the ssDNA binding protein SsbB are such partners specifically produced in the competence state. We have shown in vitro that their interplay with RecA improves HR efficiency by facilitating the pre-synaptic step of the reaction. Moreover, we have shown that, contrary to SsbB, the essential SsbA protein does not stimulate this specific HR reaction, suggesting that the two paralogous proteins could be implicated in different processes. The ubiquitous bacterial RadA in an other RecA partner constitutively produced by the cells and specifically induced during genetic transformation of S. pneumoniae. Using a combination of in vivo, in vitro and structural approaches, we have shown that RadA is a DnaB-like helicase implicated in the post-synaptic phase of HR. This structural and functional analysis of RadA leads to an unprecedented model of DNA branch migration acting to maturate D-loops structures. Through its interaction with RecA, RadA gains access to both strands of the recipient duplex DNA on both sides of the D-loop. Once symmetricaly loaded RadA could translocate divergently thereby unwinding the complementary duplex DNA thus facilitating the incorporation of ssDNA during genetic transformation as well as in genomic maintenance processes.

L’ADN est constamment exposé à des insultes génotoxiques endogènes et exogènes. Plusieurs mécanismes de réparations de l’ADN sont mis en œuvre pour préserver la stabilité du génome et de l’épigénome. La recombinaison homologue (RH) joue un rôle central dans la réparation des cassures double brin de l’ADN (DSBs) et le redémarrage des fourches de réplication en réponse à un stress réplicatif. Ces deux processus sont tous deux couplés à l’assemblage de la chromatine. Le facteur d’assemblage de la chromatine 1 (CAF-1) est un chaperon d’histone conservé au cours de l’évolution qui fonctionne dans le processus d’assemblage des nucléosomes couplé à la réparation de l’ADN et à la réplication, en déposant sur l’ADN les tétramères d’histones (H3-H4)2 nouvellement synthétisés. Chez la levure Schizosaccharomyces pombe, le complexe CAF-1 est constitué de trois sous-unités, Pcf1, Pcf2 et Pcf3. Il a été montré que CAF-1 agit dans l’étape de synthèse de l’ADN durant le processus de réplication dépendante de la recombinaison (RDR) et protège le désassemblage des D-loop par l’hélicase Rqh1, membre de la famille des hélicases RecQ. Dans cette étude, nous avons adressé le rôle de CAF-1 pendant la réparation de l’ADN par recombinaison homologue chez la levure Schizosaccharomyces pombe. Par l’utilisation d’approches in vivo et in vitro, nous avons validé des interactions protéines-protéines au sein d’un complexe contenant Rqh1, CAF-1, PCNA, et l’Histone H3. Nous avons montré que Rqh1 interagit avec Pcf1 et avec Pcf2 indépendamment l’un de l’autre, et que l’interaction Rqh1-Pcf1 est stimulée par des dommages à l’ADN. Nous avons mis en place une méthode d’analyse de liaison à la chromatine pour suivre l’association de CAF-1 à la chromatine en réponse aux dommages à l’ADN. Nous avons observé qu’un stress réplicatif, mais pas l’induction de cassures double brin de l’ADN, favorise l’association de CAF-1 à la chromatine. Nous avons identifié plusieurs facteurs de la RH nécessaire pour l’association de CAF-1 à la chromatine en réponse à un stress réplicatif. De plus, nous avons mis en évidence des interactions physiques entre Pcf1 et des facteurs de la recombinaison homologue, parmi lesquels RPA et Rad51. Nos données suggèrent que CAF-1 pourrait s’associer aux sites de synthèse d’ADN dépendent de la recombinaison via son interaction avec des facteurs de la RH. L’ensemble des données de cette étude contribuent à renforcer le role de CAF-1 couplé à réparation de l’ADN, et révèlent une interconnexion entre les facteurs de la RH et l’assemblage de la chromatine. / DNA is constantly exposed to both endogenous and exogenous genotoxic insults. Multiple DNA repair mechanisms are exploited to guard the genome and epigenome stability. Homologous recombination (HR) plays a major role in repairing DNA double strand breaks (DSBs) and restarting stalled replication forks under replicative stress. These two processes are both coupled to chromatin assembly. Chromatin assembly factor 1 (CAF-1) is a highly conserved histone chaperone known to function in a network of nucleosome assembly coupled to DNA repair and replication, by depositing newly synthesized histone (H3-H4)2 tetramers onto the DNA. The fission yeast CAF-1 complex consists of three subunits Pcf1, Pcf2 and Pcf3. CAF-1 has been previously reported to act at the DNA synthesis step during the process of recombination-dependent replication (RDR) and protects the D-loop from disassembly by the RecQ helicase family member, Rqh1. In this study, we addressed the role of CAF-1 during homologous-recombination-mediated DNA repair in fission yeast.Using in vivo and in vitro approaches, we validated interactions within a complex containing Rqh1, CAF-1, PCNA, and Histone H3. We showed that Rqh1 interacts with both Pcf1 and Pcf2 independently of each other, and the Pcf1-Rqh1 interaction is stimulated by DNA damage. We developed an in vivo chromatin binding assay to monitor the association of CAF-1 to the chromatin upon DNA damage. We observed that replication stress but not double strand break favors CAF-1 association to the chromatin. We identified that several HR factors are required for CAF-1 association to the chromatin upon replication stress. In support of this, we have identified physical interactions between Pcf1 and HR factors, including RPA and Rad51. Our data suggest that CAF-1 would associate with the site of recombination-dependent DNA synthesis through physical interactions with HR factors. Put together, this work contributes to strengthening the role of CAF-1 coupled to DNA repair, and reveals the crosstalk between HR factors and chromatin assembly.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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La réplication de l’ADN est un phénomène physiologique essentiel à la transmission du patrimoine génétique mais est aussi une source importante de stress endogène. Le stress réplicatif peut conduire à une instabilité génomique et a été mis en évidence à une étape très précoce du développement tumoral et de la sénescence. La recombinaison homologue (RH) est un processus de réparation qui permet la prise en prise en charge du stress réplicatif. De ce fait, un défaut de RH devrait permettre de révéler les stress réplicatifs endogènes. Ainsi, une progression ralentie des fourches de réplication a été observée dans des cellules déficientes pour la RH (RH-), et ce en absence de tout traitement exogène (Daboussi 2008). De plus, de nombreux travaux ont mis en évidence la présence de défauts mitotiques dans les cellules RH-, en absence de tout traitement exogène (Griffin 2000; Kraakman-van der Zwet 2002; Bertrand 2003; Daboussi 2005; Laulier 2011; Rodrigue 2013). L’origine de ces défauts mitotiques spontanés reste peu claire. En effet, la RH étant un processus préférentiellement actif au cours des phases S et G2, le lien avec la mitose reste à éclaircir. Cette thèse a pour but de comprendre l’impact du stress réplicatif très faible ou endogène sur les phases post-réplicatives du cycle cellulaire. Dans un premier temps, je me suis intéressée à l’impact de ce stress sur la mitose. Les résultats obtenus montrent que le traitement des cellules contrôle à de très faibles doses d’hydroxyurée (HU) n’affecte pas la progression dans le cycle cellulaire mais induit cependant une diminution de la vitesse de réplication, comparable à celle observée dans les cellules RH-. De plus le traitement des cellules contrôle à des faibles doses d’HU induit l’apparition de défauts mitotiques, notamment des centrosomes surnuméraires, à la même fréquence que dans les cellules RH- non traitées. Inversement, l’ajout de précurseurs de nucléotides dans les cellules RH- permet de supprimer la diminution de la vitesse de réplication ainsi que les centrosomes mitotiques surnuméraires. Ainsi, un stress réplicatif subtil, qui n’impacte pas de façon détectable la progression dans les phases S et G2 du cycle cellulaire, ni l’entrée en mitose, cause cependant des défauts mitotiques sévères. De façon importante, les centrosomes mitotiques surnuméraires peuvent entrainer des mitoses multipolaires, impactant ainsi l’ensemble du génome. Ces données mettent en évidence la connexion qui existe entre la réplication des chromosomes et leur ségrégation. Dans un second temps, j’ai étudié l’impact du stress réplicatif faible ou endogène en phase G2. Cette étude a été réalisée en utilisant des cellules RH-, ainsi qu’un modèle d’induction de faible stress réplicatif après traitement à très faible dose d’HU. La présence de foyers pRPA-Ser33 en phase G2 a été observée dans ces deux modèles, mettant en évidence des zones de stress réplicatif. Après traitement à très faible dose d’HU, nous observons également la présence en phase G2 de foyers 53BP1 et RAD51 qui colocalisent partiellement avec les foyers pRPA-Ser33. L’analyse en spectrométrie de masse après co-immunoprécipitation de la protéine 53BP1 en phase G2 a permis d’établir un lien avec des protéines impliquées dans le contrôle de l’assemblage du fuseau mitotique ainsi que dans le points de contrôle mitotique, étayant ainsi le lien entre le stress réplicatif et les défauts mitotiques. Pour finir, l’immunoprécipitation de la chromatine liée à la protéine pRPA-Ser33 en phase G2, suivie d’un séquençage (ChIPseq), a permis de révéler l’absence d’enrichissement au niveau des sites fragiles communs et de mettre en évidence un enrichissement au niveau des régions promotrices de certains gènes, notamment de gènes impliqués dans la régulation du cycle cellulaire et de la mort cellulaire. Ces résultats soulignent le lien entre le stress réplicatif très faible ou endogène et l’instabilité chromosomique, qui peut mener à l’initiation tumorale. / DNA replication is a physiological process, essential for genetic information transmission but DNA replication is also an important source of endogenous stress. Replicative stress can lead to genomic instability and has been reported in early-stage malignancies and senescence. Homologous recombination is a repair process which can handle replicative stress. Therefore, a defect in homologous recombination could reveal endogenous replicative stresses. Consistently, a slow down in replication fork progression has been observed in homologous recombination deficient (HR-) cells, in absence of any exogenous treatment (Daboussi et al. 2008). In addition, several studies have shown the presence of mitotic defects in HR- cells, in absence of any exogenous treatment (Griffin 2000; Kraakman-van der Zwet 2002; Bertrand 2003; Daboussi 2005; Laulier et al. 2011; Rodrigue 2013). The origin of these spontaneous mitotic defects is still unclear. Indeed, homologous recombination is preferentially active in S and G2 phases thus, the link with mitosis remains to be elucidated. The aim of this thesis is to understand the impact of a low or endogenous replicative stress on post-replicative phases. First, I studied the impact of a low or endogenous replicative stress on mitosis. Control cells were treated with very low hydroxyurea doses, that did not affected cell cycle progression but did slow down the replication fork progression to the same level than unchallenged HR- cells. Importanntly, exposure of the control cells to these low hydroxyurea doses generated the same mitotic defects, notably extra centrosomes, and to the same extent than in untreated HR- cells. Reciprocally, supplying nucleotide precursors to HR- cells suppressed both their replication deceleration and mitotic extra centrosome phenotypes. Therefore, subtle replication stress that does not impact S and G2 phase progression nor the entry in mitosis, nevertheless causes severe mitotic defects. Importantly, mitotic extra centrosome can lead to multipolar mitosis and then impact the whole genome stability. These data highlight the crosstalk between chromosome replication and segregation. Secondly, I studied the impact of low or endogenous replicative stress on G2 phase. This study was done using HR- cells as well as control cells treated with very low HU doses to induce a very low replicative stress. In both of these models, the presence of pRPA-Ser33 foci was observed in G2 phase, highlighting replicative stress regions. After very low HU treatement, we observed 53BP1 and RAD51 foci in G2 phase. These foci partially colocalized with pRPA-Ser33 foci in G2 phase. Mass spectrometry analyse after 53BP1 coimmunoprecipitation allowed to etablish a link between proteins involved in mitotic spindle assembly control and in mitotic checkpoint. These data support the link between replicative stress and mitotic defects. Lastly, the immmunoprecipitation of the chromatin interacting with pRPA-Ser33 in G2 phase, followed by sequencing (ChIPseq) allowed to reveal the absence of common fragile site enrichment and to highlight an enrichment at promoter regions of genes involved in cell cycle and cell death regulation. These data underline the link between very low or endogenous replicative stress and chromosomal instability, which can lead to tumorigenesis.