Programme de réplication et instabilité du génome

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Chunlong Chen Chef d'équipe Tél :

Le programme de réplication doit s’adapter aux changements d’organisation de la chromatine associés à la différenciation cellulaire et au développement. Ses dérèglements peuvent nuire à la stabilité du génome et conduire à des mutations, des cancers ainsi qu’à de nombreuses autres maladies génétiques. Cependant, les règles qui régissent l’emplacement, l’efficacité et la période d’activation des origines de réplication chez l’homme sont encore très mal connues. Notre équipe utilise des approches génomiques pour étudier le programme spatio-temporel de réplication du génome humain et son impact sur la stabilité du génome.

Figure 1: Le programme Spatio-temporel de réplication du génome humain révélé par Ok-Seq (la directionalité des fourches de réplication, RFD) et Repli-Seq (le « Timing » de réplication). Les segments ascendants et descendants sur les profils RFD indiquent les emplacements des zones d’initiation et terminaison de réplication, respectivement.
Figure 1: Le programme Spatio-temporel de réplication du génome humain révélé par Ok-Seq (la directionalité des fourches de réplication, RFD) (Petryk 2016) et Repli-Seq (le « Timing » de réplication) (Chen 2010). Les segments ascendants et descendants sur les profils RFD indiquent les emplacements des zones d’initiation et terminaison de réplication, respectivement.

En collaboration avec des biologistes expérimentaux, nous avons développé une méthode (Repli-Seq) qui nous a permis de générer un des premiers profils de « timing » de réplication à haute résolution du génome humain (Fig. 1). L’étude des profils de timing de différents types cellulaires humains a montré que le génome est organisé en domaines de réplication associés à des unités structurales de la chromatine. Par des analyses des patrons de substitution nucléotidique, nous avons établi que le programme de réplication est un processus important de conduite le paysage mutationnel du génome dans les cellules normales et cancéreuses. Nous appliquons à présent la technique Repli-Seq en vu d’analyser de manière globale l’effet de stress réplicatifs sur la dynamique de réplication afin de comprendre comment les dérèglements du programme de réplication affectent la stabilité du génome, et en particulier, l’activité des sites fragiles communs (Fig 2).

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Figure 2: OK-Seq, Repli-Seq (for Non-Treated and Aph treated cells), and GRO-Seq profiles are shown along regions around the indicated genes hosting Common Fragile Sites (CFSs) fine-mapped by FISH (black bars) in lymphocytes. The initiation and termination zones are highlighted by orange and purple boxes. Replication initiation poor regions nested in large gene body leads to under-replication upon fork slowing and causes CFS instability (Brison 2019).

Plus récemment, nous avons développé une nouvelle méthode basée sur le séquençage des fragments d’Okazaki (OK-Seq) pour déterminer la directionalité des fourches de réplication (Replication fork directionality, RFD) à l’échelle génomique. Nous avons ainsi déterminé les proposions de fourches de réplication se déplaçant vers la droite (R) ou vers la gauche (L) à chaque locus du génome, et d’établir des profils de directionalité des fourches (RFD=R-L). La transition de la direction des fourches de réplication de la gauche vers la droite se produit aux positions des origines de réplication, ce qui engendre un saut positif dans le profil de RFD (Fig. 1). La qualité et la nouveauté de ces données, permettent d’avoir une meilleure compréhension sur le programme de réplication du génome humain et de démêler les liens entre la réplication, l’expression des gènes, les modifications épigénétiques et de l’organisation tridimensionnelle de la chromatine.

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Figure 3: Study human replication program at single molecule/cell resolution. (a) Map early initiation events in human cells by a high-throughput single-molecule approach, called Optical Replication Mapping (ORM) that combines the Bionano Genomics approach to mapping long individual DNA molecules (green labels) with in vivo fluorescent nucleotide pulse-labeling (red) (Klein 2017). (b) Heatmap shows the single cell replication timing (scRT) profiles based on single cell copy number variation (scCNV) detection. The pseudo bulk RT computed from the scRT and the population RT have a very high correlation (Pearson correlation R=0.9), and the cell-to-cell heterogeneity of replication within a cell population can be further investigated.

Notre étude du programme de réplication servira de base pour la compréhension de sa dynamique au cours du développement et du vieillissement, et permettra de mieux comprendre comment sa dérégulation contribue à de nombreuses pathologies.

Publications clés

Année de publication : 2019

Brison O., EL-Hilali S., Azar D., Koundrioukoff S., Schmidt M., Naehse-Kumpf V., Jaszczyszyn Y., Lachages A.M., Dutrillaux B., Thermes C., Debatisse M., Chen C.L. (2019 Jul 1)

TRANSCRIPTION-MEDIATED ORGANIZATION OF THE REPLICATION INITIATION PROGRAM ACROSS LARGE GENES SETS UP COMMON FRAGILE SITES GENOME-WIDE

bioRxiv : 714717 : DOI : 10.1101/714717

Année de publication : 2017

Klein K., Wang W., Borrman T., Chan S., Zhang D., Weng Z., Hastie A., Chen C., Gilbert D.M., Rhind N. (2017 Jan 1)

Genome-Wide Identification of Early-Firing Human Replication Origins by Optical Replication Mapping

bioRxiv : 214841 : DOI : 10.1101/214841

Année de publication : 2016

Nataliya Petryk, Malik Kahli, Yves d'Aubenton-Carafa, Yan Jaszczyszyn, Yimin Shen, Maud Silvain, Claude Thermes, Chun-Long Chen, Olivier Hyrien (2016 Jan 12)

Replication landscape of the human genome.

Nature communications : 10208 : DOI : 10.1038/ncomms10208

Année de publication : 2011

Marion Dubarry, Isabelle Loïodice, Chunlong L Chen, Claude Thermes, Angela Taddei (2011 Jul 5)

Tight protein-DNA interactions favor gene silencing.

Genes & development : 1365-70 : DOI : 10.1101/gad.611011
Chun-Long Chen, Lauranne Duquenne, Benjamin Audit, Guillaume Guilbaud, Aurélien Rappailles, Antoine Baker, Maxime Huvet, Yves d'Aubenton-Carafa, Olivier Hyrien, Alain Arneodo, Claude Thermes (2011 Mar 4)

Replication-associated mutational asymmetry in the human genome.

Molecular biology and evolution : 2327-37 : DOI : 10.1093/molbev/msr056

Année de publication : 2010

E L van Dijk, C L Chen, Y d'Aubenton-Carafa, S Gourvennec, M Kwapisz, V Roche, C Bertrand, M Silvain, P Legoix-Né, S Loeillet, A Nicolas, C Thermes, A Morillon (2010 Dec 31)

XUTs are a class of Xrn1-sensitive antisense regulatory non-coding RNA in yeast.

Nature : 114-7 : DOI : 10.1038/nature10118
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