La réplication de l’ADN est un processus extrêmement complexe, impliquant des milliers de fourches de réplication progressant le long des chromosomes. Ces fourches sont fréquemment ralenties ou arrêtées par différents obstacles, tels que des structures secondaires de l’ADN, des protéines agissant sur la chromatine ou encore un manque de nucléotides. Ce ralentissement, qualifié de stress réplicatif, joue un rôle central dans le développement tumoral. Des processus complexes, qui ne sont pas encore totalement connus, sont mis en place pour répondre à ce stress. Certaines nucléases, comme MRE11 et DNA2, dégradent l’ADN néorépliqué au niveau des fourches bloquées, ce qui permet le redémarrage des réplisomes.La voie interféron est un mécanisme de défense contre les agents pathogènes qui détecte la présence d’acides nucléiques étrangers dans le cytoplasme et active la réponse immunitaire innée. Des fragments d’ADN issus du métabolisme de l’ADN génomique (réparation, rétrotransposition) peuvent diffuser dans le cytoplasme et activer cette voie. Une manifestation pathologique de ce processus est le syndrome d’Aicardi-Goutières, une maladie rare caractérisée par une inflammation chronique générant des problèmes neurodégénératifs et développementaux. Dans le cadre de cette encéphalopathie, il a été suggéré que la réplication de l’ADN pouvait générer des fragments d’ADN cytosoliques, mais les mécanismes impliqués n'avaient pas été caractérisés.SAMHD1 est fréquemment muté dans le syndrome d’Aicardi-Goutières ainsi que dans certains cancers, mais son rôle dans l’étiologie de ces maladies était jusqu’à présent largement inconnu. Ce facteur de restriction du VIH possède une activité dNTPase impliquée dans la régulation des pools de nucléotides en G1, ainsi qu’une activité 3’-5’ exonucléase qui est, encore aujourd’hui, controversée.Le but de mon projet de thèse était de comprendre les mécanismes moléculaires responsables de l’inflammation dans les cellules déficientes pour SAMHD1.Nous montrons que de l’ADN cytosolique s’accumule dans les cellules déficientes pour SAMHD1, particulièrement en présence de stress réplicatif, activant la réponse interféron. Par ailleurs, SAMHD1 est important pour la réplication de l’ADN en conditions normales et pour le processing des fourches arrêtées, indépendamment de son activité dNTPase. De plus, SAMHD1 stimule l’activité exonucléase de MRE11 in vitro. Lorsque SAMHD1 est absent, la dégradation de l’ADN néosynthétisé est inhibée, ce qui empêche l’activation du checkpoint de réplication et entraine un défaut de redémarrage des fourches de réplication. De plus, la résection des fourches de réplication est réalisée par un mécanisme alternatif qui libère des fragments d’ADN dans le cytosol, activant la réponse interféron.Les résultats obtenus pendant ma thèse montrent, pour la première fois, un lien direct entre la réponse au stress réplicatif et la production d’interférons. Ces résultats ont des conséquences importantes dans notre compréhension du syndrome d’Aicardi Goutières et des cancers liés à SAMHD1. Par exemple, nous avons démontré que MRE11 et RECQ1 sont responsables de la production des fragments d’ADN qui déclenchent la réponse inflammatoire dans les cellules déficientes pour SAMHD1. Nous pouvons donc imaginer que bloquer l’activité de ces enzymes pourrait diminuer la production des fragments d’ADN et, in fine, l’activation de l’immunité innée dans ces cellules. Par ailleurs, la voie interférons joue un rôle essentiel dans l’efficacité thérapeutique de l’irradiation et de certains agents chimiothérapiques comme l’oxaliplatine. Moduler cette réponse pourrait donc avoir un intérêt beaucoup plus large en thérapie anti-tumorale. / DNA replication is an utterly complex process, implicating thousands of replication forks that progress along chromosomes. These forks frequently slow-down or stall when they encounter obstacles such as DNA secondary structures, proteins acting on chromatin or a lack of dNTPs. Such impediment on the progression of replication forks, termed replication stress, plays a major role in tumorigenesis. Intricate processes, still not entirely understood, are established to respond to this stress. For instance, nucleases such as DNA2 and MRE11 degrade nascent DNA at arrested forks to allow their restart.The interferon pathway is a defense mechanism against pathogens that detects non-self-nucleic acids in the cytosol to activate the innate immune response. However, DNA fragments originating from the metabolism of genomic DNA, such as DNA repair and retrotransposition, may also diffuse into the cytosol to activate this pathway. The Aicardi-Goutières Syndrome (AGS), a rare genetic disorder characterized by neurological and developmental defects is caused by chronic inflammation due to the over-production of type I IFNs. It has been proposed that DNA replication may generate cytosolic DNA fragments triggering this encephalopathy. However, the mechanisms involved have remained unexplored.SAMHD1 is frequently mutated in the Aicardi-Goutières Syndrome as well as in some cancers. However, its role in the etiology of these diseases remains poorly understood. This HIV-1 restriction factor has a dNTPase activity involved in the regulation of dNTP pools and a putative 3’-5’ exonuclease activity.The goal of my PhD thesis was to understand the molecular mechanisms responsible for inflammation induced by SAMHD1 deficiency.We show that cytosolic DNA accumulates in SAMHD1-deficient cells, especially in conditions of replication stress, activating the interferon response. In addition, we demonstrate that SAMHD1 is necessary for DNA replication and for the processing of arrested forks, independently of its dNTPase activity. SAMHD1 stimulates the exonuclease activity of MRE11 in vitro. In the absence of SAMHD1, nascent DNA degradation is inhibited, preventing replication checkpoint activation and fork restart. Besides, forks are aberrantly processed by an alternative pathway that generates cytosolic DNA fragments, thereby activating the interferon response.Altogether, we demonstrate for the first time a direct link between the DNA replication stress response and interferon production. This result has important consequences regarding our understanding of the Aicardi-Goutières Syndrome and cancers caused by SAMHD1 mutations, which could be translated into new therapeutic opportunities. For instance, we have shown that MRE11 and RECQ1 are responsible for the production of DNA fragments triggering the pro-inflammatory response in SAMHD1-deficient cells. Inhibiting these enzymes decreases the production of cytosolic nucleic acids and, consequently, reduces the activation of cell-autonomous innate immunity in SAMHD1-depleted cells. Accordingly, inhibiting these enzymes may as well decrease IFN production in AGS in vivo models caused by SAMHD1 mutations. The interferon pathway also plays a major role in tumorigenesis as well as in the clinical efficacy of irradiation and some chemotherapeutic agents such as oxaliplatin. Modulating this response may therefore have much broader implications in anti-cancer therapy.

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.

La kinase dépendante des cyclines 5 (Cdk5) est un facteur de sensibilité aux inhibiteurs de PARP et aux rayonnements ionisants (RI), elle est nécessaire pour le point de contrôle du cycle cellulaire en phase S. Cependant, elle n’est pas directement impliquée dans la réparation des cassures de brin d’ADN, suggérant un rôle dans les étapes plus précoces de la signalisation des dommages. Nous rapportons ici que des cellules HeLa déplétées pour Cdk5 (Cdk5 KD) montrent une grande sensibilité aux RI surtout lorsqu'elles sont irradiées en phase S, au 5-Fluoro-Uracile, à la 6-Thioguanine et à une exposition chronique à l'hydroxyurée (HU). Les cellules Cdk5 KD montrent une altération de la dynamique de la phase S causée par une vitesse de réplication plus lente et une réduction des origines actives par mégabase d'ADN. En revanche, après un traitement au HU, ces cellules sortent plus rapidement du blocage en phase S. Ceci s’accompagne d’une déficience de la phosphorylation de RPA-32 sur les sérines 29 et 33 et de SMC1 sur la sérine 966 ainsi que d’une réduction du niveau de dommages de l'ADN évalués par le test des comètes alcalines, de l’intensité du signal gamma-H2AX, des foyers RPA, Rad51 et RPA sur les sérines 4 et 8 ainsi que du niveau d'échanges de chromatides sœurs. Des essais kinase in vitro couplés à la spectrométrie de masse ont montré que Cdk5 peut phosphoryler RPA-32 sur ses sérines 23, 29, et 33. De plus, des niveaux inférieurs d’expression de Cdk5 ont été associés à une meilleure survie sans métastases chez des patientes atteintes d’un cancer du sein et à une réduction de la survie des cellules de tumeurs du sein déplétées pour Cdk5 après un traitement aux RI et en présence d’un inhibiteur de PARP. Globalement, ces résultats montrent que Cdk5 est nécessaire pour la réplication basale et l'activation du point de contrôle en phase S en réponse à un stress réplicatif, ouvrant des perspectives cliniques intéressantes pour améliorer la destruction des cellules tumorales dans certaines populations de patientes atteintes de cancer du sein grâce à des agents qui génèrent un stress réplicatif. / Cyclin dependent kinase 5 (Cdk5) is a determinant of sensitivity to PARP inhibitors and ionizing radiation (IR) and is required for the intra-S DNA damage checkpoint. It is not however directly implicated in strand break repair suggesting a role in the earlier steps of checkpoint activation. We report here that Cdk5-Depleted (Cdk5-KD) HeLa cells show higher sensitivity to IR when irradiated in S-Phase, and to chronic hydroxyurea (HU) exposure, 5-Fluorouracil and 6-Thioguanine. Cdk5-KD cells show altered basal S-Phase dynamics caused by a slower replication velocity and fewer active origins per megabase of DNA, however they show a faster recovery from an HU block. This was accompanied by impaired RPA-32 priming serine 29 and serine 33 phosphorylations and SMC1-Serine 966 phosphorylation as well as lower levels of DNA damage assessed by the alkaline Comet assay, gamma-H2AX signal intensity, RPA and Rad51 foci and RPA-32 serine 4 and serine 8 phosphorylation and levels of sister chromatid exchanges. In vitro kinase assays coupled with mass spectrometry showed that Cdk5 can phosphorylate RPA-32 on serines 23, 29, and 33. In addition lower Cdk5 levels were associated with longer metastasis free survival in breast cancer patients and lower cell survival in Cdk5 depleted breast tumor cells after treatment with IR and a PARP inhibitor. Taken together, these results show that Cdk5 is necessary for basal replication and replication stress checkpoint activation and opens up interesting clinical opportunities to enhance tumor cell killing in certain populations of breast cancer patients through agents that generate replication stress.

La polyploïdie se caractérise par une duplication du génome entier. Elle inhibe efficacement la prolifération cellulaire et joue pourtant un rôle clé dans les étapes précoces de la tumorigénèse. Comment est-elle capable de promouvoir une instabilité génétique dans les cellules cancéreuses est une question en suspens. J'ai établi un système modèle affectant la cytocinèse pour étudier les conséquences de la polyploïdie dans les cellules souches neuronales (CSN) et dans le disque imaginal de l'aile de drosophile. Les cellules polyploïdes du disque sont rapidement éliminées, les CSN polyploïdes continuent de proliférer. Les CSN polyploïdes sont caractérisées par une instabilité génétique précoce et deux facteurs en sont responsables: les erreurs mitotiques et des dommages à l'ADN. Ces dommages sont issus en partie de l'incapacité des cellules à restreindre leur progression dans le cycle cellulaire après une réplication incomplète de l'ADN. J'ai trouvé que de multiples domaines nucléaires au sein de la même CSN polyploïde pouvaient présenter une asynchronie de leur progression dans le cycle cellulaire. Les domaines nucléaires en retard dans leur progression sont les cibles des lésions à l'ADN au moment de l'entrée en mitose. Les lésions sont réduites après surexpression de Chk1, une kinase de la voie ATR de réponse aux dommages à l'ADN. De plus, la prolifération incontrôlée des CSN polyploïdes génétiquement instables est responsable de leur potentiel tumorigénique dans les essais de transplantation. Mes résultats montrent que la tolérance à la polyploïdie dépend du tissu et qu'une série d'événements contribue à l'instabilité génétique dans les CSN polyploïdes. / Polyploidy, which derives from whole-genome duplication events, is normally a potent inhibitor of cell proliferation, but plays important roles during the early steps of tumorigenesis. However, how the gain of multiple sets of chromosomes promotes the generation of unbalanced karyotypes typical of cancer cells remains to be investigated. Using a number of conditions that affect cytokinesis, I established a model system to study the consequences of polyploidy in the neural stem cells (NSCs) of Drosophila and in the wing disc (WD). Importantly, while polyploidy is rapidly eliminated from the WD, polyploid NSCs continue to proliferate. Polyploid NSCs are characterized by early-onset genetic instability and two sources account for the generation of unstable karyotypes: mitotic errors and high-levels of DNA damage. DNA damage in polyploid NSCs arises, at least in part, from the inability of polyploid cells to restrain cell cycle progression in response to incomplete DNA replication. Surprisingly, I found that multiple nuclear domains in the same polyploid NSC can exhibit asynchrony in cell cycle progression, with delayed nuclear domains experiencing acute DNA damage at mitotic entry. I show that DNA damage in polyploid NSCs can be reduced over-expressing Chk1, the main downstream kinase engaged by ATR in the DNA damage response. I also show that uncontrolled proliferation of genetically unstable polyploid NSCs holds tumorigenic potential in transplantation assays. Overall, my results show that the tolerance to polyploidy is tissue dependent and that a complex network of events contributes to the generation of unbalanced karyotypes in polyploid NSCs.

Les trois complexes SMC Cohésine, Condensine et SMC5/6 sont principalement étudiés pour leurs rôles mitotiques, cependant tous trois sont localisés à proximité des fourches de réplication en condition de stress réplicatif. Au cours de cette thèse, nous nous sommes particulièrement intéressés aux complexes Cohésine et Condensine. Dans une première partie, nous décrivons un nouveau rôle des condensines dans la progression des fourches de réplication en condition de stress réplicatif à l’hydroxyurée (HU) et au Méthyl-Méthane-Sulfonate (MMS). Nos données montrent que dans ces conditions, les condensines limitent l’accumulation de la protéine de liaison à l’ADN simple-brin RPA (Replication Protein A) à proximité des fourches de réplication. Ces résultats révèlent que les condensines limitent l’exposition d’ADN simple brin et pourraient ainsi protéger l’intégrité des fourches de réplication et la stabilité du génome. Dans une seconde partie nous décrivons le mécanisme de recrutement du complexe Cohésine aux fourches de réplication en condition de stress réplicatif. Dans ces conditions, les cohésines renforcent la cohésion des chromatides sœurs afin de faciliter le redémarrage des fourches de réplication par recombinaison homologue. Nous montrons que le complexe SMC-like MRX (Mre11-Rad50-Xrs2), l’histone méthyle-transférase Set1 et l’histone acétyle-transférase Gcn5 sont requis pour le recrutement des cohésines aux fourches de réplication. Nos données révèlent qu’en réponse au stress réplicatif, Gcn5, Set1 et MRX modifient la dynamique des histones. Gcn5 et MRX réduisent la densité d’histone sur l’ADN répliqué alors que Set1 maintient la mobilité des nucléosomes. La modification de la dynamique des histones semble importante pour une réponse cellulaire efficace au stress réplicatif et pour le chargement de complexes SMC aux fourches de réplication. / The three SMC complexes Cohesin, Condensin and SMC5/6 are mainly studied for their role in mitosis, nevertheless they all localize at replication forks in replicative stress conditions. During this thesis, we focused on Cohesin and Condensin. In the first part we describe a new role for the condensin complex in response to replicative stress. In the presence of Hydroxyurea (HU) and Methyl-Methan-Sulfonate (MMS), condensin is required for cell growth and replication fork progression. Moreover, our results show that condensin limits the accumulation of the specific single-strand DNA (ssDNA) binding protein RPA (Replication Protein A) in the vicinity of replication forks under HU treatment, revealing that condensin limits ssDNA accumulation during replicative stress. In this way, Condensin could protect replication fork integrity and genome stability in response to replicative stress. In the second part, we decipher the cohesin recruitment mechanisms at replication fork under replicative stress. In that context, cohesin reinforces sister chromatid cohesion and facilitates homologous recombination (HR) dependent replication fork restart pathways. We show here that the SMC-like MRX complex, the histone methyl transferase Set1 and the histone acetyl transferase Gcn5 are required for cohesin recruitment at stalled replication forks. Our results show that these three proteins affect histone H3 dynamics on replicated DNA in response to replicative stress. Gcn5 and MRX reduce H3 density whereas Set1 maintains nucleosome mobility. These two parameters seem to be important for efficient response to replicative stress and for SMC complexes loading close to stressed replication forks.

L'environnement des organismes vivants est par définition fluctuant, toutes variations aléatoires du milieu de vie constituent un stress pour les cellules. Au fil de l'évolution, une forte pression de sélection a façonné le fonctionnement cellulaire jusqu'aux réponses complexes élaborées par les organismes vivants. Mes travaux s'inscrivent autour des mécanismes moléculaires de la réponse au stress et plus particulièrement les stress génotoxiques. La première partie de l'étude décrit finement la réplication de l'ADN en condition de stress réplicatif. Ainsi, nous avons montré que les pools de dNTPs sont limitants pour la progression des fourches de réplication en phase S normale et en stress, et que leurs niveaux conditionnent le programme temporel de réplication. De plus, nous avons mis en évidence un mécanisme d'adaptation au stress réplicatif et aux dommages constitutifs dans des mutants caractérisés par de l'instabilité génétique (CIN) via l'activation du checkpoint de dommage conduisant à l'expansion des pools de dNTPs. Pour finir, nous montrons que l'augmentation des niveaux de dNTPs facilite la réplication en présence de lésions de l'ADN, d'une manière indépendante des ADN polymérases translésionnelles. Le second projet apporte de nouveaux éléments sur le rôle de Crt10 in vivo, préalablement identifié comme un régulateur transcriptionnel des gènes de la Ribonucléotide Réductase (RNR). Nos données indiquent que les mutants crt10Δ ont des niveaux de dNTP similaires à ceux des cellules sauvages, et que cette mutation a un très faible impact sur l'expression des gènes RNR, malgré un phénotype de vitesse de progression des fourches accrue. Nous montrons que le mutant crt10Δ est caractérisé par un défaut d'entrée en phase S et d'initiation des origines de réplication. L'origine de ce défaut pourrait résider dans les fonctions de Crt10 impliquant la régulation de la biosynthèse des ribosomes au sein du complexe Rtt101-Mms1. Le troisième projet identifie MRX (Mre11-Rad50-Xrs2) comme un acteur de la voie de terminaison des ARN non codants. MRX s'associe à des loci recrutant également le complexe de terminaison Nrd1-Nab3-Sen1 à l'échelle du génome entier. L'inactivation de RAD50 se traduit par une perte d'efficacité de terminaison et l'accumulation de transcrits bicistroniques, ainsi qu'une dérégulation du niveau d'ARNs non codants instables (CUT) et de leurs gènes associés. Tout comme Sen1, MRX pourrait intervenir dans la résolution des collisions entre les machineries de transcription et de réplication. / A fluctuating environment is a powerful mean of selection for living organisms, which evolved complex signaling networks to integrate these variations and direct swift and efficient cellular responses. The aim of my work is the identification and characterization of molecular mechanisms involved in the tolerance of replicative stress and DNA damage. First, we show that changes in dNTP pools affect several aspects of replication dynamics in budding yeast. dNTP levels are limiting for normal S-phase progression and determine the temporal program of replication during a replicative stress. Interestingly, we also observed that chromosomal instability (CIN) mutants display expanded dNTP pools due to the constitutive activation of the DNA damage checkpoint. Since increased dNTP levels promote forks progression in the presence of DNA lesions, we propose that CIN mutants adapt to chronic replicative stress by upregulating dNTP pools. Secondly, we bring new lights on the role of Crt10 in vivo, which has been initially identified as a negative regulator of Ribonucleotide Reductase (RNR) genes expression. Deletion of CRT10 neither leads to expanded dNTP pools, nor to a massive deregulation of RNR genes, although crt10Δ cells exhibit faster fork progression. The crt10Δ mutant accumulates at the G1/S transition and exhibits a strong defect of origin firing that could account for its replication phenotype. Moreover, we observed a global decrease in ribosome biogenesis in crt10Δ. The physical interaction of Crt10 with several members of the ribosome biogenesis pathway and its role in the Rtt101-Mms1 complex suggest that Crt10 may regulate ribosome levels in vivo. At last, we identified MRX (Mre11-Rad50-Xrs2) as a bona fide member of the transcription termination of non-coding RNA (ncRNA). ChIP-seq reveals that MRX localized at the same loci than the Nrd1-Nab3-Sen1 complex in vegetative growth. rad50Δ cells exhibit transcriptional read-through and upregulation of unstable cryptic transcripts (CUTs) leading to a misregulation of their associated gene. Finally, MRX seems to be involved in the resolution of branched structures emanating from collision between transcription and replication machineries, as it is the case for Sen1.

L’ubiquitylation est une modification post-transcriptionelle qui est nécessaire pour la dégradation des protéines mais aussi pour la régulation et la localisation de nombreux facteurs. Un grand nombre de protéines impliquées dans la réplication de l’ADN et dans la réponse aux lésions de l’ADN sont ubiquitylées. L’ubiquitylation durant la réponse aux dommages de l’ADN dépend de l’enzyme d’activation de l’ubiquitine UBA1 qui est située au sommet de la cascade d’ubiquitination. Durant ma thèse, j’ai mis à jour le mécanisme de recrutement d’UBA1 au niveau de l’ADN endommagé ainsi qu’un rôle majeur de l’ubiquitylation dans la voie de signalisation ATR.A l’aide d’une approche in vitro qui mime la voie de signalisation ATR, j’ai montré qu’UBA1 est recrutée au niveau de molécules d’ADN linéaire et qu’elle est nécessaire à l’ubiquitylation des protéines recrutées sur ce substrat. J’ai également découvert que l’ubiquitylation et le recrutement d’UBA1 in vitro sont dépendants de la kinase DNA-PKcs et de la poly(ADP-ribose) polymérase PARP1, deux senseurs majeurs des lésions de l’ADN. Il apparait que PARP1 régule le recrutement d’UBA1 via la formation de chaines de poly(ADP)-ribose (PAR). De plus, j’ai montré qu’UBA1 est capable de se lier aux chaines PAR. J’ai identifié la région d’UBA1 capable d’interagir avec les chaines PAR : il apparait que cette région est désorganisée et riche en acide aminés hydrophobes. La comparaison de la protéine UBA1 de levure et la protéine UBA6 humaine qui ne lient pas PAR nous a permis d’identifier les acides aminées hydrophobes nécessaires pour la lésion à PAR.J’ai aussi démontré qu’UBA1 est nécessaire pour la réponse aux lésions de l’ADN. En effet, l’inhibition ou la déplétion d’UBA1 conduit à une perte de la phosphorylation de Chk1 dans notre système in vitro. De même, le traitement avec des molécules induisant des lésions de l’ADN telles que le CPT, le MMS et la bléocine conduit à une phosphorylation moindre de Chk1 lorsqu’UBA1 est inhibée. Afin de démontrer que la liaison d’UBA1 aux chaines PAR est cruciale pour la réponse aux dommages, j’ai mis en place un système in vivo permettant d’exprimer des mutants d’UBA1 incapable de lier les chaines PAR.Globalement mes résultats indiquent qu’UBA1 est recrutée au niveau de l’ADN endommagé à l’aide de PARP1 et DNA-PKcs. Plus précisément, il apparait que la liaison avec les chaines PAR et l’ubiquitylation de protéines spécifiques est nécessaire pour la mise en place de la voie de signalisation ATR. L’importance d’UBA1 dans le processus est soulignée par le fait que son inhibition ou son inactivation conduit à une phosphorylation moindre de Chk1. Il est raisonnable de penser que des inhibiteurs d’UBA1 puissent être utilisés pour cibler la voie ATR dans les cellules cancéreuses. Finalement, cette étude devrait permettre de mieux comprendre comment les interactions entre les processus d’ubiquitylation et de PARylation permettent de réguler la réponse aux dommages. / Ubiquitylation is an important posttranslational modification that is necessary for protein degradation as well as for the regulation and the localization of many cellular factors. A number of proteins implicated in DNA replication and DNA damage response are ubiquitylated. Ubiquitylation during the DNA damage response is selectively dependent on the ubiquitin-activating enzyme UBA1, which functions at the apex of the ubiquitylation cascade. In this thesis, I describe the mechanism of UBA1 recruited at damaged sites and uncover the role of ubiquitylation in ATR signaling.Using a cell free system developed in the lab that recapitulates ATR kinase-signaling pathway, I present evidence that, UBA1 is recruited to linear DNA substrates and mediate ubiquitylation of DNA-bound proteins. I found that protein ubiquitylation and the recruitment of UBA1 to DNA in cell-free extracts was dependent on the kinase DNA-PKcs and on the poly ADP-ribose polymerase PARP1, two sensors of DNA lesions. PARP1 regulates UBA1 recruitment in large part through poly (ADP)-ribose (PAR) chain formation. UBA1 exhibited affinity for PARP1 and for PAR chains. Furthermore, we have identified minimal region on UBA1 which is prominently hydrophobic and disordered region of UBA1 which are required for its PAR binding activity. Through comparison with yeast UBA1 and human UBA6 which failed to bind with PAR chains, we identified hydrophobic amino acid residues which are critical for PAR binding.I also show evidence that UBA1 is required for efficient DNA damage signaling. In a cell free system, chemical inhibition or siRNA depletion of UBA1 led to the loss of ChK1 phosphorylation, suggesting that UBA1 activity is required for efficient DNA damage response. Consistent with these observations, when cells were treated with DNA lesion inducing drugs like CPT, MMS and Bleocin, we observed less efficient Chk1 phosphorylation. I have developed UBA1 replacement system to demonstrate functional significance of mutation in PAR binding residues of UBA in DNA damage response.Collectively, these results indicate that UBA1 is recruited to DNA damaged sites in a DNA-PKcs and PARP1 dependent-manner, in a larger part through its interaction with PAR chains and that protein ubiquitylation on DNA damages is necessary for the assembly of a productive ATR signaling complex. The importance of role of UBA1 in DNA damage response is underscored by the finding that UBA1 inhibition leads to inefficient Chk1 phosphorylation which is required for efficient DNA damage response. Thus, UBA1 inhibitors could be used to target ATR signaling in cancer cells. This study should eventually lead us to provide more insights on how cell maintains genome integrity through crosstalk between posttranslational modifications including ubiquitylation and PARylation.

Les cellules sont constamment exposées à des agents endommageant de l'ADN d'origine exogène, notamment les rayons ultraviolets, les irradiations γ, et l'exposition aux agents chimiques génotoxiques, mais également d'origine endogène générés par le métabolisme cellulaire. De plus en plus d'évidences montrent que la transcription est un processus biologique qui peut mettre en péril l'intégrité du génome. Un mécanisme actuellement très étudié qui lie la transcription à l'instabilité génomique est la formation des boucles R (R-loops), des structures hybrides ARN:ADN qui exposent un ADN simple brin déplacé. Ces structures aberrantes se présentent en tant que sous-produits de la transcription et/ou lors de l'interférence entre la réplication et la transcription, et plus récemment ils ont été montrées s'accumuler lorsque la biogénèse de l'ARNm est perturbée. La persistance des boucles R est une source importante d'instabilité génomique car elle peut générer des cassures double brin de l'ADN et favoriser la recombinaison. Pour faire face aux conséquences néfastes des endommagements de l'ADN, les cellules activent une cascade élaborée de voies de signalisation qui permet de coordonner la prolifération cellulaire avec la réparation de l'ADN. L'ensemble de ces acteurs moléculaires constitue un réseau de réponse aux dommages de l'ADN qui est indispensable pour la stabilité génomique. Récemment chez la levure, l'activation transitoire de ce réseau a été également proposée être important dans la coordination de la transcription et de la réplication, afin d'éviter d'une part des contraintes topologiques et d'autre part la formation de structures aberrantes générées lors de conflits entre ces deux processus cellulaires essentiels. Dans la perspective d'identifier des nouveaux gènes impliqués dans ce réseau de signalisation, un crible fonctionnel in vitro précédemment établi au laboratoire a conduit à l'identification de Ddx19, une hélicase à motif DEAD-box, en tant que nouvel élément répondant à l'endommagement de l'ADN. Ddx19 interagit avec le pore nucléaire via CAN/Nup214, et il est impliqué dans l'export des ARNm grâce à son activité hélicase et ATPase, stimulé par les facteurs IP6 et Gle1. Le présent travail de thèse dévoile une nouvelle fonction de Ddx19 distincte de son rôle connu dans l'export de l'ARNm. Je pu montrer que, lors de l'induction des dommages à l'ADN par les rayons UV, Ddx19 se relocalise transitoirement de la face cytoplasmique du nucléopore vers le noyau de façon dépendant d'ATR. L'inactivation de Ddx19 entraîne des endommagements spontanées dépendant de la prolifération, démontré par l'activation de la voie de signalisation d'ATM-Chk2 et la formation de foyers nucléaires de γH2AX et 53BP1. Ces phénotypes sont concomitants avec le ralentissement des fourches de réplication qui ne peuvent plus redémarrer après leur blocage par la camptothécine. En outre, les cellules déplétées de Ddx19 présentent une forte accumulation des boucles R nucléaires, enrichi dans le compartiment nucléolaire, et aussi autour de la périphérie nucléaire. Par ailleurs, ces cellules présentent une viabilité réduite et une létalité synthétique lorsque la déplétion de Ddx19 est combinée avec l'inhibition de l'expression de la topoisomérase I. Je propose Ddx19 comme deuxième hélicase nécessaire pour la résolution des boucles R, et qui fonctionne à côté mais de façon indépendante de la Senataxin, l'hélicase précédemment connue pour résoudre ces structures in vivo chez les cellules de mammifères. Je démontre que cette nouvelle fonction de Ddx19 ne dépend pas de son interaction avec le pore nucléaire, mais plutôt de son activité hélicase et d'un résidu de sérine phosphorylée par Chk1 qui stimule sa relocalisation vers le noyau. Ces données proposent Ddx19 en tant que nouvelle ARN hélicase qui facilite la coordination de la réplication et la transcription, médiée par ATR à travers de la résolution des boucles R, préservant ainsi l'intégrité du génome. / Cells are continuously challenged by DNA damage resulting from external cues as UV light, γ-irradiation and exposure to genotoxic chemicals, as well as from endogenous stress caused by cellular metabolism. Growing evidence points to transcription as a biological process that could adversely affect genome integrity. One currently highly investigated mechanism by which transcription can induce genome instability is through the formation of R-loops, RNA:DNA hybrid structures exposing a displaced single-stranded DNA tract. These aberrant structures occur as byproducts of transcription and/or upon interference between replication and transcription, and more recently were also shown to accumulate upon disruption of mRNA biogenesis and processing. Persistent unresolved R-loops are a potent source of genomic instability as they ultimately generate double strand breaks and promote recombination events. To deal with the deleterious consequences of DNA damage, cells activate elaborate DNA damage response (DDR) pathways to delay cell division and stimulate repair of lesions, thus preserving genome stability. Recently in yeast transient DDR activation has also been proposed to be important in the coordination of transcription and replication, in order to avoid topological constraints and the formation of aberrant structures generated upon collision of their machineries. By means of an in vitro screen aimed at identifying new DDR genes, we isolated Ddx19, a DEAD-Box helicase known to be involved in mRNA export, as a novel DNA damage responsive gene. Ddx19 interacts with the nucleopore complex via nucleoporin CAN/Nup214, and is involved in mRNA remodelling and export through its ATPase and helicase activities, stimulated by IP6 and the Gle1 factor. My present thesis work unravels a novel function of Ddx19 in preserving genome stability in mammalian cells, distinct from its known role in mRNA export. I show that upon UV-induced damage, Ddx19 transiently relocalizes from the cytoplasmic face of the nucleopore to the nucleus in an ATR-dependent manner. Downregulation of Ddx19 gives rise to spontaneous, proliferation-dependent DNA damage, as determined by the specific activation of the ATM-Chk2 pathway and formation of γH2AX and 53BP1 nuclear foci. This is concomitant with the slowing down of replication forks that are unable to restart after being stalled with camptothecin. In addition, cells depleted of Ddx19 display strong accumulation of nuclear R-loops, enriched in the nucleolar compartment, and around the nuclear periphery. Moreover, these cells show low viability and exhibited synthetic lethality when combined with inhibition of topoisomerase I expression. I propose Ddx19 as a second helicase required for R-loops resolution, functioning alongside but independently of Senataxin, the first known RNA helicase to resolve these structures in vivo in mammalian cells. I provide evidence that this new function of Ddx19 does not depend on its interaction with the nuclear pore, but rather on its helicase activity and on a serine residue phosphorylated by Chk1 which promotes its relocalization into the nucleus upon damage. These data put forward Ddx19 as a novel RNA helicase that facilitates ATR-dependent coordination of DNA replication and transcription through R-loops resolution, thus preserving genome integrity.

Des stress réplicatifs sont rencontrés à chaque phase S du cycle cellulaire et différents mécanismes permettent leur prise en charge. La recombinaison homologue (RH) tient un rôle important dans le maintien de la stabilité du génome au cours de la réplication. En effet, la RH escorte la progression des fourches et prévient les défauts mitotiques. Toutefois, le lien moléculaire entre le stress réplicatif et les défauts mitotiques n’est pas élucidé. De façon générale, les fourches de réplication bloquées peuvent être sauvées grâce à leur fusion avec la fourche convergente ou au redémarrage de fourche par la RH. Le laboratoire a développé un essai génétique reposant sur l’utilisation d’une barrière de réplication conditionnelle afin d’étudier le mécanisme par lequel la RH contribue au sauvetage des fourches de réplication bloquées. L’équipe a montré que le redémarrage des fourches bloquées par la RH est conditionné par l’exposition d’un ADNsb et non d’une cassure double-brin. Ainsi, les fonctions de la RH au cours de la gestion du stress réplicatif peuvent être adressées indépendamment de sa fonction de réparation des cassures (fonction relativement bien documentée). Les travaux décrits dans ce manuscrit s’inscrivent autour des mécanismes que la RH engage afin d’assurer la stabilité génétique en réponse au stress réplicatif. Plus précisément, je me suis intéressée à l’implication des facteurs de la RH dans la protection des fourches de réplication bloquées au niveau moléculaire et cellulaire. En absence de la recombinase Rad51 ou de son chargeur Rad52, le blocage d’une seule fourche de réplication est suffisant pour induire des défauts mitotiques, incluant des ponts anaphasiques (lien physique entre chromatides sœurs). Il s’avère que les fourches bloquées sont extensivement dégradées par la nucléase Exo1 en absence de Rad51/Rad52. De manière intéressante, l’accumulation excessive d’ADNsb à la fourche est à l’origine de la non-disjonction des chromatides sœurs en mitose et ce malgré l’arrivée de fourches convergente. Ainsi, les fourches de réplication non protégées sont le siège de terminaison pathologique mettant à mal la ségrégation des chromosomes. La RH étant impliquée dans la protection et le redémarrage des fourches de réplication, l’utilisation du mutant de séparation de fonction Rad51-3A a permis de montrer que ces deux fonctions sont génétiquement séparables. Les fourches de réplication protégées et incapables d’être redémarrées par la RH ne présentent pas de symptômes de terminaison pathologique. Ainsi, au-delà de sa capacité à redémarrer les fourches inactivées, les facteurs de la RH assurent la complétion de de la réplication en maintenant les fourches de réplication dans une conformation propice à une fusion avec la fourche convergente. Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires invoqués par la RH afin de maintenir la stabilité génétique au cours du stress réplicatif. / At each cell cycle, cells undertaking the DNA replication process face several sources of replication stress (RS) compromising the progression of the replicating forks and threatening both chromosome duplication fidelity and their correct segregation during mitosis. Replication stresses emerged as a major source of genetic instability and cancer development. Several mechanisms, among which homologous recombination (HR), operate to buffer the deleterious effects of RS. HR acts as an escort to fork progression and prevents mitotic defects. Nonetheless, the molecular connection between replication stress and mitotic defects remains elusive. A conditional replication fork barrier (RFB) acting in a polar manner was developed in the lab to terminally-arrest fork progression. In this system, HR functions handling replication stress can be assessed independently of its well-known function in double strand break repair. The work described here aims to understanding the mechanism that HR performs to ensure genetic stability in response to replication stress. In general, blocked replication forks can be rescued either by fork convergence or by active HR-mediated fork restart. However, in absence of Rad51 recombinase or it loader Rad52, a single activated RFB is sufficient to induce mitotic abnormalities including anaphase bridges. The involvement of HR factors in fork protection was explored at the molecular and cellular levels. It turns out that terminally-arrested forks are extensively resected by the Exo1 nuclease in the absence of Rad51/Rad52. Interestingly, the excess of ssDNA accumulation at the fork triggers sister chromatid non-disjunction in mitosis despite the arrival of an uncorrupted converging fork to rescue replication. Thus, unprotected replication forks are prone to pathological termination threatening chromosome segregation. HR being involved in fork protection and restart, the use of a Rad51 mutant showed that these two functions are genetically separable. Indeed, protected forks unable to restart by HR do not show any pathological termination. Thus, beyond their ability to restart inactivated forks, HR factors ensure replication completion by maintaining the forks in a suitable conformation for a fusion with the converging fork. Overall, these results shed light on the molecular events engaged by RH to ensure genome stability in response to replication stress.

La surexpression de la lamine B1, un composant majeur de l'enveloppe nucléaire, a été rapportée dans diverses tumeurs. Cependant, les causes et les conséquences de cette augmentation sur la stabilité du génome n'ont pas été étudiées à ce jour. En effet, l'instabilité du génome est considérée comme une caractéristique majeure des cellules cancéreuses. Pour assurer le maintien de la stabilité du génome, les cellules ont développé de multiples et complexes mécanismes parmi lesquels les voies de réparation de l'ADN et la gestion du stress réplicatif sont essentielles. Au cours de ma thèse, l'impact de l'augmentation de niveau de lamine B1 sur la stabilité du génome, en particulier sur la réparation de cassure double-brin (CDB) et sur le contrôle du stress réplicatif a été étudié. En effet, nous montrons qu'une augmentation de la lamine B1 entraîne une accumulation de CDB et leur persistance en réponse à l'irradiation (foyers γH2AX), en plus d'une sensibilité accrue à l'irradiation (formation de colonies et cassures chromosomiques). Les cellules surexprimant la lamine B1 montrent également des défauts de recrutement de 53BP1 aux sites de dommages d’ADN, couplés à une diminution de l'efficacité de la réparation de CDB par NHEJ (Non-Homologous End-Joining). De plus, nous avons identifié une interaction directe entre la lamine B1 et 53BP1 régulant le recrutement de ce dernier aux CDB. Nos résultats supportent un modèle dans lequel l'augmentation de la lamine B1 conduit à la séquestration de 53BP1, modifiant ainsi son recrutement aux CDBs. En parallèle, nous montrons que les cellules surexprimant la lamine B1 présentent des signes accrus de stress réplicatif tels que l'accumulation de foyers spontanés de p-RPA, l'augmentation des figures radiales lors du traitement par mitomycine C, et une sensibilité accrue au traitement par camptothécine. Nous avons en outre cherché à identifier les causes de l'augmentation du stress réplicatif dans ces cellules, et les conséquences potentielles, en particulier sur l'induction de phénotypes inflammatoires. En fait, nous montrons que la surexpression de la lamine B1 conduit à une diminution de l'efficacité de la réparation de CDB par la recombinaison homologue, couplée à un défaut de formation de foyers BRCA1 après irradiation. De plus, nous avons obtenu des données préliminaires suggérant une induction de l'inflammation lors de la surexpression de la lamine B1. En résumé, ce travail de Thèse a permis d’identifier un nouveau mécanisme régulant le recrutement de 53BP1 aux CDB par son interaction avec la lamine B1, et souligne le rôle de l'augmentation de la lamine B1 dans la promotion de l'instabilité génomique au moins partiellement par des défauts de réparation de CDB et une augmentation de stress réplicatif. Après confirmation de l'induction de phénotypes inflammatoires, nous aurions identifié des rôles de l'augmentation de la lamine B1 dans la promotion de deux caractéristiques majeures du cancer - l'instabilité génomique et l'inflammation - favorisant ainsi le rôle de la lamine B1 dans le développement tumoral et proposant cette dernière comme une cible thérapeutique antitumorale potentielle. / The overexpression of lamin B1, a major component of nuclear envelope, has been reported in various tumors. However, the causes and consequences of this increase on the genome stability have not been studied to date. Indeed, genome instability is considered a major hallmark of cancer cells. To ensure the maintenance of genome stability, cells have developed multiple complex mechanisms among which pathways of DNA repair and replication stress management are essential. Therefore, during my thesis the impact of an increased lamin B1 level on genome stability, in particular on double-strand break (DSB) repair and on the control of replication stress was studied. Indeed, we show that increased lamin B1 leads to an accumulation of DSBs and their persistence in response to irradiation (γH2AX foci), in addition to an increased sensitivity to irradiation (colony formation and chromosomal breaks). Lamin B1 overexpressing cells also show defects in the recruitment of 53BP1 to damage sites, coupled to a decreased efficiency of DSB repair by Non-Homologous End-Joining. Moreover, we identified a direct interaction between lamin B1 and 53BP1 regulating the latter’s recruitment to DSBs. Our results support a model where increased lamin B1 leads to the sequestration of 53BP1, thereby altering its recruitment to DSBs. In parallel, we show that cells overexpressing lamin B1 display increased signs of replication stress such as accumulation of spontaneous p-RPA foci, increased radial chromosomes upon mitomycin C treatment, and enhanced sensitivity to treatment with camptothecin. We further aimed to identify the causes of the increased replication stress in these cells, in addition to the potential consequences, in particular on the induction of inflammatory phenotypes. In fact, we show that lamin B1 overexpression leads to a decreased efficiency of DSB repair by Homologous Recombination, coupled to a defect in irradiation-induced BRCA1 foci formation. In addition, we obtained preliminary data suggesting a possible induction of inflammation upon lamin B1 overexpression. Altogether, this work identifies a novel mechanism regulating the recruitment of 53BP1 to damage sites through its interaction with lamin B1, and highlights the role of increased lamin B1 in promoting genome instability at least partially through defective DSB repair and increased replication stress. Upon confirming the induction of inflammatory phenotypes, we would have identified roles of increased lamin B1 in promoting two major hallmarks of cancer – genomic instability and inflammation - thereby favorizing a role for lamin B1 in tumor development and proposing the latter as a potential anti-tumor therapeutic target.