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

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

Résumé : Les télomères sont des structures nucléoprotéiques spécialisées qui assurent la stabilité du génome en protégeant les extrémités chromosomiques. Afin d’empêcher des activités indésirables, la réparation des dommages à l’ADN doit être convenablement régulée au niveau des télomères. Pourtant, il existe peu d’études de la réparation des dommages induits par les ultraviolets (UVs) dans un contexte télomérique. Le mécanisme de réparation par excision de nucléotides (NER pour « Nucleotide Excision Repair ») permet d’éliminer les photoproduits. La NER est un mécanisme très bien conservé de la levure à l’humain. Elle est divisée en deux sous voies : une réparation globale du génome (GG-NER) et une réparation couplée à la transcription (TC-NER) plus rapide et plus efficace. Dans notre modèle d’étude, la levure Saccharomyces cerevisiae, une forme compactée de la chromatine nommée plus fréquemment « hétérochromatine » a été décrite. Cette structure particulière est présente entre autres, au niveau des régions sous-télomériques des extrémités chromosomiques. La formation de cette chromatine particulière implique quatre protéines nommées Sir (« Silent Information Regulator »). Elle présente différentes marques épigénétiques dont l’effet est de réprimer la transcription. L’accès aux dommages par la machinerie de réparation est-il limité par cette chromatine compacte ? Nous avons donc étudié la réparation des lésions induites par les UVs dans différentes régions associées aux télomères, en absence ou en présence de protéines Sir. Nos données ont démontré une modulation de la NER par la chromatine, dépendante des nucléosomes stabilisés par les Sir, dans les régions sous-télomériques. La NER était moins efficace dans les extrémités chromosomiques que dans les régions plus proches du centromère. Cet effet était dépendant du complexe YKu de la coiffe télomérique, mais pas dépendant des protéines Sir. La transcription télomériques pourrait aider la réparation des photoproduits, par l’intermédiaire de la sous-voie de TC-NER, prévenant ainsi la formation de mutations dans les extrémités chromosomiques. Des ARN non codants nommés TERRA sont produits mais leur rôle n’est pas encore clair. Par nos analyses, nous avons confirmé que la transcription des TERRA faciliterait la NER dans les différentes régions sous-télomériques. / Abstract : Telomeric DNA is made of short tandem repeats located at the ends of chromosomes and their maintenance is critical to prevent genome instability. DNA lesions constitute a serious risk to genome integrity. Thus, DNA repair mechanisms are required for continuous and unabridged cell divisions. The nucleotide excision repair (NER) pathway removes bulky DNA lesions such as UV-induced photoproducts, like the cyclobutane pyrimidine dimers (CPD). NER is divided in two sub-pathways: global genome repair (GGR) and the faster transcription-coupled repair (TCR), which only differ in how they recognize UV-induced lesions. In eukaryotes, NER must find and repair DNA lesions that are buried in nucleosomes. In the yeast S. cerevisiae, genes positioned close to telomeres are silenced by a heterochromatin-like structure that is formed by silent information regulator proteins (Sir). To determine if nucleosomes and chromatin in subtelomeric regions affect the efficiency of NER, we studied the repair of photoproducts in different telomere-associated regions in both, WT and SIR genes deleted cells (sirΔ). We found that NER efficiency was modulated by the presence of nucleosomes on the subtelomeric type X element. In addition, in absence of Sir proteins, NER efficiency increased and was not modulated by nucleosomes, indicating that nucleosome positioning was less defined in sirΔ cells. Remarkably, in telomeric restriction fragment, NER was less efficient at telomeres than in the subtelomere type Y’ element. We suggest that low NER efficiency at the very end of chromosomes results from attachment sites to the nuclear periphery. Our data indicate that NER in sub-telomeric chromatin is modulated by Sir proteins stabilized-nucleosomes, and that NER is inhibited in telomeric chromatin by the presence of YKu, independently from the presence of Sir proteins. It was recently shown that the chromosome ends are transcribed and a non-coding RNA, called TERRA, is produced. Currently the precise functions of TERRA are not understood. Our second goal is to help understand the function of TERRA. We think that transcription at the chromosome ends could facilitate the removal of DNA lesions from heterochromatin by TCR, which would prevent the formation of mutations and, ultimately, chromosome shortening. Our data showed that TC-NER is effective in Y’ element and the telomere. Without Sir proteins, TERRA transcription is found in a particular region at the end of the X element. The transcription of TERRA could improve the repair of UV-induced lesions.

La réparation par excision de nucléotides (NER) retire une grande variété de lésions à l’ADN. Elle s’opère grâce à la participation de plusieurs complexes multi-protéiques afin d’identifier et de réparer l’ADN endommagé dans divers contextes de chromatine et domaines nucléaires. Le nucléole est le domaine le plus transcriptionnellement actif et contient les gènes de l’ARN ribosomal, nécessaires à la formation de ribosomes fonctionnels. La structure de la chromatine particulière de ce locus, où des gènes d’ARN ribosomal ouverts et fermés coexistent, permet d’analyser l’impact de l’accessibilité aux dommages sur l’efficacité de la réparation par la NER. Les travaux présentés dans cette Thèse ont initialement analysés le rôle des gènes RAD4 et RAD34, pendant la NER dans les gènes ouverts et fermés de l’ADNr. Il a été observé que RAD4 est essentiel pour la réparation globale du génome dans ce locus. À l’inverse, RAD34 n’est nécessaire que pour la réparation couplée à la transcription des gènes de l’ARN ribosomal. En somme, malgré que ces deux protéines partagent des homologies de séquences, leurs rôles dans le processus de la NER au niveau du locus de l’ADNr sont distincts et complémentaires. La somme des observations de ce travail fourni des preuves que l’ADNr ouvert est réparé plus rapidement que l’ADNr fermé, ce qui implique qu’une forme ouverte de chromatine peut favoriser la réparation NER in vivo. Par la suite, l’impact des dommages sur la transcription par la polymérase à ARN I (pARN-I) fut aussi analysé afin de définir le destin de ces polymérases suite à la rencontre d’un dommage. En fait, des travaux in vitro tendaient à démontrer que la pARN-I est bloquée à un site de dommage de façon très stable. Les travaux de cette Thèse démontrent, par diverses techniques, qu'in vivo, la pARN-I tombe suite à la rencontre d’une lésion et est dégradée. Finalement, l’étude de l’impact de l’acétylation des histones sur l’efficacité de la réparation par la NER en utilisant le locus de l’ADNr comme modèle fut entamée. En fait, il a été postulé que l’acétylation des histones permettrait un déplacement des nucléosomes de la région endommagée afin d’initier la NER. En augmentant l’acétylation des histones dans l’ADNr, grâce à la délétion du gène SIR2, cette hypoThèse fut analysée.

Les mélanomes malins (MM) constituent le deuxième type de cancer le plus fréquent chez les jeunes adultes canadiens (entre 20 et 44 ans) ainsi qu’un des rares cancers dont l’incidence augmente annuellement. À moins que les MM ne soient excisés à temps par chirurgie, les chances de survie des patients sont pratiquement nulles puisque ce type de tumeur est très réfractaire aux traitements conventionnels. Il est bien connu que l’exposition aux rayons ultraviolets (UV), induisant des photoproduits génotoxiques, est une déterminante majeure dans l’acquisition de MM. À cet effet, la réparation par excision de nucléotides (NER) est la ligne de défense principale contre le développement des mélanomes puisqu’elle est la voie de réparation prépondérante en ce qui a trait aux dits photoproduits. Malgré cela, la contribution potentielle de défauts de la NER au développement des MM dans la population normale n’est toujours pas bien établie. Notre laboratoire a précédemment développé une méthode basée sur la cytométrie de flux qui permet de mesurer la NER en fonction du cycle cellulaire. Cette méthode a déjà mise en évidence qu’une déficience de l’activité de la protéine ATR peut mener à une déficience de la NER exclusive à la phase S dans des fibroblastes humains. Pareillement, nous avons démontré que plusieurs lignées cellulaires cancéreuses modèles comportent une déficience en NER en phase S, suggérant qu’une telle déficience puisse caractériser certains types de cancers. Nous avons voulu savoir si une déficience en NER en phase S pouvait être associée à une proportion significative de mélanomes et si le tout pouvait être attribuable à une diminution de l’activité d’ATR. Nos objectifs ont donc été de : (i) mesurer l’efficacité de la NER en fonction du cycle cellulaire dans les MM en comparaison avec les mélanocytes primaires, (ii) vérifier si le niveau d’activité d’ATR corrèle avec l’efficacité de la NER en phase S dans les lignées de MM et (iii) voir si un gène fréquemment muté dans les mélanomes (tels PTEN et BRAF) pouvait coopérer avec ATR pour réguler la NER en phase S dans les mélanomes. Nous avons démontré que 13 lignées de MM sur 16 ont une capacité grandement diminuée à réparer les photoproduits induits par UV spécifiquement en phase S. De plus, cette déficience corrèle fortement avec une réduction de l’activation d’ATR et, dans plusieurs lignées de MM, avec une phosphorylation d’Akt plus importante. L’utilisation d’ARN interférent ou d’un inhibiteur du suppresseur de tumeurs PTEN, a permis, en plus d’augmenter la phosphorylation d’Akt, de réduire la réparation des photoproduits et l’activation d’ATR dans les cellules en phase S. En addition, (i) l’expression ectopique de la protéine PTEN sauvage dans des lignées déficientes en PTEN (mais pas d’une protéine PTEN sans activité phosphatase) ou (ii) l’inhibition pharmacologique d’Akt a permis d’augmenter la réparation en phase S ainsi que l’activation d’ATR. En somme, cette étude démontre qu’une signalisation d’ATR dépendante de PTEN/Akt amenant à une réparation déficiente des photoproduits génomiques causés par les UV en phase S peut être déterminante dans le développement des mélanomes induits par UV. / Malignant melanoma (MM) is the second most frequent neoplasia among young Canadian adults (aged 20-44); moreover the incidence of this disease continues to rise annually at an alarming rate. Unless primary melanoma is diagnosed early and promptly resected the patient prognosis is dismal since this deadly tumour type metastasizes extremely aggressively and is highly refractory to conventional treatment protocols. It is well established that exposure to UV light, and subsequent induction of genotoxic DNA photoproducts, is a primary determinant in the initiation of MM. Furthermore nucleotide excision repair (NER) clearly represents a critical frontline defence against MM because it is the only human pathway designed to remove the aforementioned DNA photoproducts. Despite this, the potential contribution of NER defects to sporadic MM development in the general population has remained unclear. Our laboratory previously developed a novel flow cytometry-based assay to evaluate the efficiency of NER as a function of cell cycle. This method was employed to demonstrate that functional ATR kinase is strictly required for NER during S phase in primary human fibroblasts. Intriguingly we also reported that many model tumour cell lines are deficient in NER uniquely in S phase populations, raising the possibility that such a defect might be characteristic of certain types of cancers. We therefore hypothesized that a significant proportion of human MM cell lines may exhibit reduced NER capacity specifically during S phase, and that this in turn might be attributeable to reduced ATR signaling. To test this hypothesis, three major specific aims were proposed: (i) To measure the efficiency of NER as a function of cell cycle among a panel of human MM cell lines and in primary melanocytes; (ii) To investigate whether any correlation exists between NER status and ATR activity during S phase in human MM cell lines; (iii) To investigate whether frequently mutated genes in melanoma (eg., PTEN, BRAF) might cooperate with ATR to regulate S phase-specific NER in MM cell lines. We were able to demonstrate that, in fact, 13/16 MM cell lines display remarkably diminished capacity to remove UV-induced DNA photoproducts specifically during S phase. Furthermore this defect correlates strongly with reduced activation of ATR kinase and, for a majority of MM, higher Akt phosphorylation levels. RNAi-mediated knockdown of the PTEN tumour suppressor, while stimulating Akt phosphorylation as expected, also engenders reductions in both photoproducts repair and ATR activation in S phase cells. In addition, (i) ectopic expression in PTEN-null strains of wild type PTEN but not of PTEN variants deficient in phosphatase activity, or (ii) pharmacological inhibition of Akt, significantly rescue S phase-specific repair as well as ATR activation. Our data indicate that reduced PTEN/Akt-dependent ATR signaling leading to defective repair of UV DNA photoproducts uniquely during S phase may represent an heretofore unrecognized major determinant in sunlight-induced melanoma development.

Introduction Les lésions induites par les rayons UV peuvent causer des blocages dans la réplication de l'ADN. Ces dommages sont éliminés par le processus moléculaire très conservé de réparation par excision de nucléotides (NER). Nous avons précédemment démontré que la protéine ATR, une kinase majeure impliquée dans le stress réplicatif, est requise pour une NER efficace, et ce exclusivement durant la phase S. Des résultats subséquents ont suggéré que ce prérequis n’était pas lié à la réponse induite par ATR, mais plutôt d’une conséquence globale causée par la présence de stress réplicatif. En ce sens, nous mettons l’emphase qu’après irradiation UV, le complexe RPA joue un rôle crucial dans l'activation des mécanismes de NER ainsi que dans le redémarrage des fourches de réplication bloquées. Hypothèses: En général, les mutations qui confèrent une augmentation du stress réplicatif engendrent une séquestration excessive du facteur RPA aux fourches de réplication bloquées ce qui réduit son accessibilité pour le NER. Méthodes et résultats: Le modèle de la levure a été choisi pour vérifier cette hypothèse. Nous avons développé un essai de NER spécifique à chacune des phases du cycle cellulaire pour démontrer que les cellules déficientes en Mec1, l’homologue d’ATR, sont défectives dans la réparation par excision de nucléotides spécifiquement en phase S. De plus, plusieurs autres mutants de levure, caractérisés par un niveau de dommages spontanés élevé, ont aussi exhibé un défaut similaire. Ces mutants ont démontré une fréquence et une intensité de formation de foyers de RPA plus élevée. Finalement, une diminution partielle de RPA dans les levures a induit un défaut significatif dans le NER spécifiquement durant la phase S. Conclusion: Nos résultats supportent la notion que la séquestration de RPA aux fourches de réplication endommagées durant la phase S prévient son utilisation pour la réparation par excision de nucléotides ce qui inhibe fortement l'efficacité de réparation. Cette étude chez la levure facilite l’élucidation du phénomène analogue chez l’humain et, ultimement, comprend des implications majeures dans la compréhension du mécanisme de développement des cancers UV-dépendants. / Introduction Replication-blocking UV-induced DNA adducts are removed by the highly-conserved nucleotide excision repair (NER) pathway. We previously demonstrated that ATR kinase, a preeminent responder to replicative stress, is required for efficient NER exclusively during S phase. Subsequent data suggested that this requirement is not a manifestation of ATR signaling per se, but rather more broadly reflects some consequence of replication stress. In this respect we emphasize that after UV treatment, heterotrimeric RPA plays essential and independent roles in both NER and restart of blocked replication forks. Hypothesis: In general, mutations which confer increased replicative stress engender excessive sequestration of RPA at blocked replications forks which in turn reduces the availability of this factor for NER. Methods and Results: The powerful yeast model was chosen to address this hypothesis. We developed a cell-cycle-specific DNA repair assay to demonstrate that cells deleted for Mec1, the yeast ATR homolog, are defective in S phase-specific NER. Moreover several other yeast mutants, i.e., ones characterized by elevated levels of spontaneous DNA damage, exhibited a similar defect. These mutants also displayed increased frequency and intensity of RPA focus formation. Finally, degron-mediated depletion of RPA in wild-type cells resulted in significant inhibition of NER uniquely during S. Conclusion: Our data support the notion that RPA sequestration at blocked replication forks in yeast undergoing high levels of replication stress abrogates NER during S phase. This work in yeast facilitates elucidation of the analogous phenomenon in humans and, ultimately, harbours implications for undestanding the mechanism of UV-associated skin cancer development.

Les mélanomes malins (MM) constituent le deuxième type de cancer le plus fréquent chez les jeunes adultes canadiens (entre 20 et 44 ans) ainsi qu’un des rares cancers dont l’incidence augmente annuellement. À moins que les MM ne soient excisés à temps par chirurgie, les chances de survie des patients sont pratiquement nulles puisque ce type de tumeur est très réfractaire aux traitements conventionnels. Il est bien connu que l’exposition aux rayons ultraviolets (UV), induisant des photoproduits génotoxiques, est une déterminante majeure dans l’acquisition de MM. À cet effet, la réparation par excision de nucléotides (NER) est la ligne de défense principale contre le développement des mélanomes puisqu’elle est la voie de réparation prépondérante en ce qui a trait aux dits photoproduits. Malgré cela, la contribution potentielle de défauts de la NER au développement des MM dans la population normale n’est toujours pas bien établie. Notre laboratoire a précédemment développé une méthode basée sur la cytométrie de flux qui permet de mesurer la NER en fonction du cycle cellulaire. Cette méthode a déjà mise en évidence qu’une déficience de l’activité de la protéine ATR peut mener à une déficience de la NER exclusive à la phase S dans des fibroblastes humains. Pareillement, nous avons démontré que plusieurs lignées cellulaires cancéreuses modèles comportent une déficience en NER en phase S, suggérant qu’une telle déficience puisse caractériser certains types de cancers. Nous avons voulu savoir si une déficience en NER en phase S pouvait être associée à une proportion significative de mélanomes et si le tout pouvait être attribuable à une diminution de l’activité d’ATR. Nos objectifs ont donc été de : (i) mesurer l’efficacité de la NER en fonction du cycle cellulaire dans les MM en comparaison avec les mélanocytes primaires, (ii) vérifier si le niveau d’activité d’ATR corrèle avec l’efficacité de la NER en phase S dans les lignées de MM et (iii) voir si un gène fréquemment muté dans les mélanomes (tels PTEN et BRAF) pouvait coopérer avec ATR pour réguler la NER en phase S dans les mélanomes. Nous avons démontré que 13 lignées de MM sur 16 ont une capacité grandement diminuée à réparer les photoproduits induits par UV spécifiquement en phase S. De plus, cette déficience corrèle fortement avec une réduction de l’activation d’ATR et, dans plusieurs lignées de MM, avec une phosphorylation d’Akt plus importante. L’utilisation d’ARN interférent ou d’un inhibiteur du suppresseur de tumeurs PTEN, a permis, en plus d’augmenter la phosphorylation d’Akt, de réduire la réparation des photoproduits et l’activation d’ATR dans les cellules en phase S. En addition, (i) l’expression ectopique de la protéine PTEN sauvage dans des lignées déficientes en PTEN (mais pas d’une protéine PTEN sans activité phosphatase) ou (ii) l’inhibition pharmacologique d’Akt a permis d’augmenter la réparation en phase S ainsi que l’activation d’ATR. En somme, cette étude démontre qu’une signalisation d’ATR dépendante de PTEN/Akt amenant à une réparation déficiente des photoproduits génomiques causés par les UV en phase S peut être déterminante dans le développement des mélanomes induits par UV. / Malignant melanoma (MM) is the second most frequent neoplasia among young Canadian adults (aged 20-44); moreover the incidence of this disease continues to rise annually at an alarming rate. Unless primary melanoma is diagnosed early and promptly resected the patient prognosis is dismal since this deadly tumour type metastasizes extremely aggressively and is highly refractory to conventional treatment protocols. It is well established that exposure to UV light, and subsequent induction of genotoxic DNA photoproducts, is a primary determinant in the initiation of MM. Furthermore nucleotide excision repair (NER) clearly represents a critical frontline defence against MM because it is the only human pathway designed to remove the aforementioned DNA photoproducts. Despite this, the potential contribution of NER defects to sporadic MM development in the general population has remained unclear. Our laboratory previously developed a novel flow cytometry-based assay to evaluate the efficiency of NER as a function of cell cycle. This method was employed to demonstrate that functional ATR kinase is strictly required for NER during S phase in primary human fibroblasts. Intriguingly we also reported that many model tumour cell lines are deficient in NER uniquely in S phase populations, raising the possibility that such a defect might be characteristic of certain types of cancers. We therefore hypothesized that a significant proportion of human MM cell lines may exhibit reduced NER capacity specifically during S phase, and that this in turn might be attributeable to reduced ATR signaling. To test this hypothesis, three major specific aims were proposed: (i) To measure the efficiency of NER as a function of cell cycle among a panel of human MM cell lines and in primary melanocytes; (ii) To investigate whether any correlation exists between NER status and ATR activity during S phase in human MM cell lines; (iii) To investigate whether frequently mutated genes in melanoma (eg., PTEN, BRAF) might cooperate with ATR to regulate S phase-specific NER in MM cell lines. We were able to demonstrate that, in fact, 13/16 MM cell lines display remarkably diminished capacity to remove UV-induced DNA photoproducts specifically during S phase. Furthermore this defect correlates strongly with reduced activation of ATR kinase and, for a majority of MM, higher Akt phosphorylation levels. RNAi-mediated knockdown of the PTEN tumour suppressor, while stimulating Akt phosphorylation as expected, also engenders reductions in both photoproducts repair and ATR activation in S phase cells. In addition, (i) ectopic expression in PTEN-null strains of wild type PTEN but not of PTEN variants deficient in phosphatase activity, or (ii) pharmacological inhibition of Akt, significantly rescue S phase-specific repair as well as ATR activation. Our data indicate that reduced PTEN/Akt-dependent ATR signaling leading to defective repair of UV DNA photoproducts uniquely during S phase may represent an heretofore unrecognized major determinant in sunlight-induced melanoma development.

La voie de réparation par excision de nucléotides (NER) répare les lésions qui distordent la double hélice d’ADN notamment ceux induits par l’irradiation UV. Le NER est subdivisé en deux sous-voies : GG-NER (Global Genome Repair) et TC-NER (Transcription-Coupled Repair). La sous-voie GG-NER enlève les dommages à l’ADN dans l’ensemble du génome. La sous-voie TC-NER répare les dommages sur le brin transcrit qui interfèrent avec la progression de l’ARN Pol II. Les défauts de la voie NER peuvent conduire à l’apparition de pathologies graves. Par exemple, des mutations dans le gène XPG, codant une 3’ endonucléase impliquée dans la voie NER, peuvent mener au xeroderma pigmentosum (XP) associé ou non au syndrome de Cockayne (CS).Récemment, le laboratoire a découvert un lien fonctionnel entre Rad2, homologue chez la levure Saccharomyces cerevisiae de la protéine XPG humaine, et le Médiateur (Eyboulet et al., 2013). Le Médiateur est un complexe multiprotéique nécessaire à la régulation de la transcription dépendante de l’ARN Pol II. Cette étude a suggéré que le Médiateur est impliqué dans la sous-voie TC-NER en facilitant le recrutement de Rad2 au niveau des régions transcrites.Mon projet de thèse visait à étudier les mécanismes moléculaires qui lient la transcription et la réparation de l’ADN. Plus précisément, d’investiguer le lien fonctionnel entre le Médiateur et la machinerie du NER chez S. cerevisiae.Lors du TC-NER, l’ARN Pol II est le premier facteur signalant le dommage à l’ADN. De plus, le Médiateur et Rad2 interagissent avec l’ARN Pol II. Pour déterminer le lien fonctionnel entre ces composants, nous avons utilisé des approches de génétique et génomique dans les mutants de TFIIH (kin28), de l’ARN Pol II (rpb9) and du Médiateur (med17). Nos résultats nous ont permis de proposer un modèle dans lequel Rad2 est recruté au niveau des régions régulatrices enrichies par le Médiateur, et Rad2 est ensuite transféré au niveau des régions transcrites de manière dépendante à l’ARN Pol II. De plus, ces résultats suggèrent que le rôle du Médiateur dans la transcription est fortement lié à son rôle dans la réparation de l’ADN.Ensuite, nous avons montré que le lien entre le Médiateur et la machinerie du NER peut être étendu à d’autres protéines du NER notamment en démontrant une interaction physique entre le Médiateur et Rad1/XPF, Rad10/ERCC1 ou Rad26/CSB, en l’absence des UV. Tout comme Rad2, nous avons démontré que Rad1 et Rad10 n’ont pas de rôle majeur dans la transcription. Pour approfondir le lien entre ces protéines du NER et le Médiateur, des expériences de ChIP-sequencing ont été réalisées. Nous avons observé que le Médiateur est présent au niveau de certaines régions qui sont aussi enrichies par ces protéines du NER. Après l’induction des dommages par UV, les interactions entre le Médiateur et la machinerie du NER reste inchangées par rapport aux conditions en l’absence des UV. De plus grâce à nos expériences de ChIP, nous avons observé un changement de la liaison à la chromatine des protéines du NER et du Médiateur après l’irradiation aux UV. Des expériences de ChIP-sequencing seront réalisées pour avoir une vue globale de ces changements.En conclusion, nous avons solidifié le lien fonctionnel entre Rad2, le Médiateur et l’ARN Pol II par rapport à la réparation couplée à la transcription. Nous avons aussi démontré que le Médiateur interagit avec d’autres protéines du NER (Rad1/XPF, Rad10/ERCC1 et Rad26/CSB) et colocalise avec eux sur certaines régions de la chromatine. En somme, notre projet place le Médiateur à l’interface de la transcription et de la réparation de l’ADN, deux processus essentiels dont les défauts peuvent mener à des pathologies graves. / Nucleotide excision repair (NER) is a well conserved pathway that removes helix-distorting DNA lesions such as those arising upon UV irradiation. Global genome repair subpathway (GG-NER) removes the DNA lesions in the genome overall, and transcription-coupled repair (TC-NER) removes the DNA lesions interfering with Pol II progression through actively-transcribed regions. Defects in the NER pathway may lead to severe human pathologies. For instance, mutations in human XPG gene, encoding a 3’ endonuclease essential for NER, give rise to xeroderma pigmentosum (XP) sometimes associated with Cockayne syndrome (CS). Recently, the laboratory discovered a functional link between Rad2/XPG and Mediator in Saccharomyces cerevisiae (Eyboulet et al., 2013). Mediator is a large multisubunit complex essential for transcription regulation. We suggest that Mediator is involved in TC-NER by facilitating Rad2 recruitment to transcribed genes.My PhD work aimed at addressing the molecular mechanisms of this link between transcription and DNA repair, especially by investigating the functional interplay between Mediator and the NER machinery in yeast Saccharomyces cerevisiae.RNA Pol II is the first complex of TC-NER that encounters the DNA damage. Moreover, both Mediator and Rad2/XPG interact with Pol II. However, a functional interplay between all these components related to TC-NER remained to be determined. Using genetic and genomic approaches, in particular ChIP-sequencing in TFIIH (kin28), RNA Pol II (rpb9) and Mediator (med17) mutants, our work led us to propose a model where Rad2 shuttles between Mediator on upstream activating sequence (UAS) and RNA Pol II on transcribed regions (Georges, Gopaul et al., under review). Our results also suggest that Mediator functions in transcription and DNA repair are closely related.Moreover, we showed that Mediator’s link to NER can be extended to other NER proteins. Indeed, we identified a physical interaction between Mediator and other NER proteins, including Rad1/XPF, Rad10/ERCC1 and Rad26/CSB in the absence of UV irradiation. Similarly to Rad2, we demonstrated that Rad1 and Rad10 do not have a major role in yeast transcription. To further study the functional link between Mediator and the NER machinery, we obtained the genomic distribution of different NER proteins by ChIP-sequencing. We found that some promoter regions are co-occupied by Mediator and these NER proteins, and that relationships between Mediator and these NER proteins are more complex than between Mediator and Rad2. We also investigated if physical interactions between Mediator and NER proteins are modified after UV, we did not observe any significant change. Furthermore, we observed that the chromatin binding profiles of NER proteins and Mediator are modified after UV-irradiation. ChIP-sequencing will be carried out to get a genome-wide view of their chromatin binding profiles.In conclusion, we have strengthened the link between Rad2/XPG, Mediator and RNA Pol II, providing mechanistic insights into functional interplay between these components related to transcription-coupled repair, and showed that the link between Mediator and the NER machinery can be extended to other proteins. Taken together, our results suggest a close relation between Mediator functions in transcription and in NER, two fundamental processes dysfunction of which leads to human diseases.

La réparation par excision de nucléotides (NER) est une voie critique chez l'homme pour enlever des lésions qui déforment l’hélice d'ADN et qui bloquent à la fois la réplication et la transcription. Parmi ces lésions, il y a les dimères cyclobutyliques de pyrimidines (CPDs) et les adduits pyrimidine (6-4) pyrimidone (6-4PPs) induient par les rayons ultraviolets. L'importance physiologique de la NER est mise en évidence par l’existence de la maladie Xeroderma pigmentosum (XP), causée par des mutations affectant des gènes impliqués dans cette voie de réparation. Les personnes atteintes sont caractérisées par une photosensibilité extrême et une forte prédisposition à développer des tumeurs cutanées (plus de 1000 fois). Les patients atteints du type variant de la maladie Xeroderma pigmentosum (XPV), apparemment compétents en réparation, portent plutôt des mutations dans le gène codant pour l'ADN polymérase η (polη). Polη est une ADN polymérase translésionnelle capable de contourner avec une grande fidélité certaines lésions telles que les CPDs, qui autrement bloquent les polymérases réplicatives. Ainsi, la polη prévient la formation de mutations et permet la reprise de la synthèse d'ADN. L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer le rôle potentiel de voies de signalisation majeures dans la régulation de la NER, dont celles régulées par la kinase ATR (Ataxia Télangiectasia and Rad3-related kinase). Suite à l'irradiation UV, ATR est rapidement activée et phosphoryle des centaines de protéines qui régulent les points de contrôle du cycle cellulaire et joue un rôle notoire dans le maintient de la stabilité génomique. Nous avons postulé qu’ATR puisse réguler la NER de manière dépendante du cycle cellulaire. Cependant, tester cette hypothèse représente un grand défi car, pour des raisons techniques, les méthodes conventionnelles n’ont pas à ce jour été adaptées pour l'évaluation de la cinétique de réparation au cours des différentes phases du cycle cellulaire. Nous avons donc développé une méthode novatrice basée sur la cytométrie en flux permettant de quantifier avec grande précision la cinétique de réparation des 6-4PPs et CPDs dans chacune des phases G0/G1, S et G2/M. Avec cette nouvelle méthode, nous avons pu démontrer que l'inhibition d'ATR ou polη résulte en une très forte inhibition de la NER exclusivement durant la phase S du cycle cellulaire. Ces études ont révélé, pour la première fois, une fonction critique pour ces protéines dans le retrait des lésions qui bloquent la réplication. En outre, nous avons démontré que la synthèse d'ADN est indispensable pour l’inhibition de la réparation en phase-S, reflétant un lien potentiel entre la NER et la réplication. Curieusement, nous avons également montré que parmi six lignées cellulaires tumorales choisies aléatoirement, trois présentent une abrogation totale de la NER uniquement pendant la phase S, ce qui indique que de nombreux cancers humains pourraient être caractérisés par un tel défaut. Nos observations pourraient avoir d'importantes implications pour le traitement du cancer. En effet, le statut de la NER semble constituer un déterminant majeur dans la réponse clinique aux médicaments chimiothérapeutiques tels que le cisplatine, qui inhibent la croissance des cellules cancéreuses via l'induction de lésions à l’ADN. / Nucleotide excision repair (NER) is a critical pathway in humans for repairing highly genotoxic helix-distorting DNA lesions that strongly block both replication and transcription. Among these lesions are ultraviolet-induced 6-4 photoproducts (6-4PPs) and cyclobutane pyrimidine dimers (CPDs). The physiological importance of NER is highlighted by individuals afflicted with Xeroderma pigmentosum (XP), who carry mutations in NER pathway genes and as such exhibit extreme photosensitivity and remarkable predisposition to cutaneous tumorigenesis (1000-fold increase). On the other hand patients with the variant form of Xeroderma pigmentosum (XPV) are considered proficient in NER, and rather carry germline mutations in the gene encoding DNA polymerase η (polη). Polη is a specialized translesion DNA polymerase able to accurately bypass certain lesions including CPDs which otherwise completely inhibit the progression of normal replicative polymerases, thereby preventing mutations and allowing the resumption of DNA synthesis. The main goal of this thesis was to elucidate the potential role in NER of major DNA damage signalling cascades, including that regulated by the ataxia telangiectasia and rad 3-related kinase (ATR). Following UV irradiation, ATR is rapidly activated and phosphorylates hundreds of proteins that regulate cell cycle checkpoints and maintain genomic stability. We postulated that ATR might regulate NER in a cell cycle-specific manner. However testing this presented a great challenge, as (for technical reasons) traditional NER assays have to date not been adapted for evaluation of repair kinetics during individual phases of the cell cycle. We therefore developed a novel flow cytometry-based assay for sensitive quantification of 6-4PPs and CPDs repair efficiency during each of G0/G1, S, and G2/M. With this new assay, we were able to show that inhibition of either ATR or polη results in strong inhibition of NER capacity exclusively during S phase of the cell cycle. This revealed, for the first time, a critical function for these proteins in removal of replication-blocking DNA adducts. In addition, we demonstrated that active DNA synthesis is required for S phase-specific repair inhibition, reflecting a potential relationship between NER and replication. Intriguingly, we also showed that among six tumor cell lines, three exhibit total abrogation of NER uniquely during S phase, indicating that many human cancers may be characterized by such a defect. Our findings therefore could harbour important implications for cancer treatment. Indeed, NER status of tumors clearly appears to constitute a major determinant in the clinical response to chemotherapeutic drugs such as cisplatin, which inhibit the growth of rapidly proliferating cancer cells through induction of replication-blocking DNA lesions.

La réparation par excision de nucléotides (NER) permet l'élimination des lésions provoquant une distorsion de la double hélice de l’ADN. Ces lésions sont induites par plusieurs agents environnementaux comme les rayons UV, ainsi que par certaines drogues chimio- thérapeutiques tel que le cisplatine. Des défauts dans la NER conduisent à de rares maladies autosomiques héréditaires : La xérodermie pigmentaire (XP), le syndrome de Cockayne (CS), le syndrome de sensibilité aux UVSS et la trichothiodystrophie (TTD). Ces maladies sont associées soit à une prédisposition élevée au cancer de la peau et / ou à de graves anomalies du développement neurologique. Le groupe de patients XP-A représente le deuxième groupe (XP) le plus fréquent, et possède la forme la plus sévère combinant cancer de la peau avec un haut risque de dégénérescence neurologique. À date, aucune explication n`a été proposée pour les symptômes neurologiques observés chez ces patients. Nous avions suggéré ainsi que la protéine XPA possède d`autres fonctions dans d`autres processus cellulaires, ceci en interagissant avec des partenaires protéiques différents de ceux déjà connus. Afin de confirmer cette hypothèse nous avions réalisé une étude protéomique à grande échelle en combinant la spectrométrie de masse à une immunoprécipitation en Tandem d`affinité (TAP), afin d`identifier de nouvelles protéines interagissant directement avec XPA. Nous avions montré que XPA peut interagir avec MRE11, la protéine clé de la réparation par recombinaison homologue. Des études additionnelles sont requises pour confirmer cette interaction et comprendre sa fonction / To maintain genome integrity and ensure the continuation of transcription, helix distorting DNA lesions induced by UV and other environmental mutagens are eliminated through a highly-versatile DNA repair pathway: nucleotide excision repair (NER). Mutations in 11 genes (XPC, XPE, XPB, XPD, XPG, XPA, XPG, TTD-A, CSA, CSB and UVSSA), among the 30 genes directly involved in NER, have been associated with the human genetic disorders: xeroderma pigmentosum (XP), cockayne syndrome (CS), trichothiodystrophy (TTD), and UV-sensitive syndrome (UVSS). Patients of these syndromes display a wide variety of clinical features that range from normal development with extreme predisposition to cancer, to neurodevelopmental defects associated with premature aging abnormalities. The connection between DNA damage and neurodegeneration remains unclear, i.e. cannot be explained by a DNA-repair deficiency alone, implying that various repair factors perform other functions beyond the repair process. XP-A is the second most common form of XP. XP-A cells have very low levels of NER activity and are sensitive to killing by UV light. It is one of the most severely affected XP groups, with the onset of cutaneous features, skin cancer, ocular features, and severe early onset neurological disease. Therefore we hypothesize that XPA interacts with cellular proteins that regulate its functions either in UV damage repair or in neurological development. To test this, our major aim was to carry out a large-scale proteomics investigation to identify novel interacting partners for XPA in the absence or presence of genotoxic stress, thus providing clues on the origins of neurodegeneration observed in many XP-A patients. We provide evidence that XPA can interact with MRE11, the key factor in repair of double strand breraks by homologous Recombination. Future experiments will be aimed at determining the impact of the XPA/MRE11 interaction functions in cells.