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Olivier Hyrien

La réplication des chromosomes eucaryotes

Contexte


Dans tous les organismes, une réplication précise et complète est essentielle à la stabilité et l’intégrité du génome. La réplication des chromosomes eucaryotes démarre à des milliers de sites appelés origines qui sont activés à différents temps au cours de la phase de synthèse (phase S) du cycle cellulaire. Chez les mammifères, les cartes génomiques des origines de réplication réalisées par différentes équipes concordent mal et les règles qui définissent la position et le moment d’activation des origines de réplication restent obscures. L’activation des origines semble perturbée au cours de l’oncogénèse, et la plupart des médicaments anticancéreux perturbent la progression des fourches de réplication.

L’équipe consacre ses recherches à l’étude du déroulement spatio-temporel de la réplication. Elle tente : (i) d’identifier l’ensemble des sites d’initiation et de terminaison de la réplication du génome humain et de mesurer précisément leur efficacité ; (ii) de comprendre comment le choix des origines change au cours du développement embryonnaire, de la différenciation cellulaire et de l’évolution, et l’impact des profils de réplication sur la stabilité du génome ; et (iii) de comprendre comment la cellule répond aux perturbations des fourches de réplication afin d’achever la réplication en temps utile.

Principaux résultats


Cette équipe a utilisé le séquençage massif d’ADN néo répliqué pour déterminer le profil temporel de réplication du génome humain entier et analyser le rôle de la réplication dans la survenue de mutations neutres. Ce profil a permis de confirmer des prédictions bioinformatiques d’un millier d’origines de réplication sur le génome humain, de démontrer qu’il existe une asymétrie mutationnelle entre les deux brins de l’ADN liée à la polarité des fourches de réplication, et d’expliquer les profils de biais de composition nucléotidique observés à l’échelle du génome entier. En combinaison avec la visualisation de l’activation des origines en molécule d’ADN unique, ceci a permis de proposer un modèle d’activation en cascade des origines de réplication pour la réplication de grands domaines (1-2 Mb), au profil de biais en forme de N, qui correspondent à des domaines topologiques de la fibre de chromatine, et recouvrent la moitié du génome. Ce modèle en cascade est soutenu par l’analyse mathématique de profils de réplication chez la levure.
Récemment, cette équipe a généré dans plusieurs lignées cellulaires un profil de directionalité des fourches de réplication par séquençage de fragments d’Okazaki, ce qui permet de définir avec une précision et une fiabilité sans précédents la position de 12 000 zones d’initiation et de terminaison dans la totalité du génome humain. Ces résultats résolvent les controverses antérieures, définissent de nombreux domaines chromosomiques dont le mode de réplication est constitutif ou spécifique d’un type cellulaire, et ouvrent la voie à l’identification des déterminants génétiques et épigénétiques des zones d’initiation.

Par ailleurs, l’utilisation d’un système in vitro dérivé d’oeufs de xénopes a permis (i) de découvrir un nouveau rôle de la topoisomérase IIα dans le contrôle du chargement de l’hélicase réplicative sur la chromatine avant l’entrée en phase S et de la cinétique d’activation des origines au cours de la phase S suivante ; (ii) de démontrer que la surexpression de l’oncoprotéine Myc suractive les origines de réplication en début de phase S ce qui déstabilise le génome ; (iii) d’analyser comment les pontages double-brin de l’ADN par le psoralène bloquent la progression des fourches et comment celles-ci sont réparées afin d’achever la réplication.

Chen CL, Duquenne L, Audit B, Guilbaud G, Rappailles A, Baker A, Huvet M, d’Aubenton-Carafa Y, Hyrien O, Arneodo A, Thermes C Replication-associated mutational asymmetry in the human genome. Mol Biol Evol, (2011) 28, 2327-2337.

Guilbaud G*, Rappailles A*, Baker A, Chen CL, Arneodo A, Goldar A, d’Aubenton-Carafa Y, Thermes C, Audit B, & Hyrien O Evidence for sequential and increasing origin activation along replication timing gradients in the human genome. PLoS Comput. Biol. (2011) 7(12) : e1002322. * co-premiers auteurs.

Srinivasan S, Wang LC, Hyrien O, Gautier J Cdc45 is a critical effector of Myc-dependent DNA replication stress. Cell Reports, (2013) 3, 1629-39.

Gaggioli V*, Le Viet B*, Germe T, Hyrien O DNA topoisomerase IIα controls replication origin cluster licensing and firing time. Nucleic Acids Res., (2013) 41, 7313-7331.
 * co-premiers auteurs.

Hyrien O, Rappailles A, Guilbaud G, Baker A, Chen CL, Goldar A, Petryk N, Kahli M, Ma E, d’Aubenton-Carafa Y, Audit B, Thermes C, Arneodo A (2013) From simple bacterial and archaeal replicons to replication N/U-domains. J. Mol. Biol., 425, 4673-89.