Role of Senataxin in RNA: DNA Hybrids Resolution at DNA Double
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Role of senataxin in RNA : DNA hybrids resolution at DNA double strand breaks Sarah Cohen To cite this version: Sarah Cohen. Role of senataxin in RNA : DNA hybrids resolution at DNA double strand breaks. Cellular Biology. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2019. English. NNT : 2019TOU30125. tel-02930730 HAL Id: tel-02930730 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02930730 Submitted on 4 Sep 2020 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. 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Those genes are characterized by the formation of secondary structures such as RNA- DNA hybrids. They are formed when nascent RNA exiting RNA polymerase II hybridizes single stranded DNA. Numerous studies have shown that RNA-DNA hybrids accumulation can lead to DNA damages. Among those damages, DNA double strand breaks (DSB) are the most deleterious for cells since they can generate mutations and chromosomal rearrangements. Two major repair mechanisms exist in the cell: Non-Homologous End-Joining (NHEJ) and Homologous recombination (HR). My lab showed recently that DSB occurring in transcribed genes are preferentially repaired by HR. Moreover, multiple studies have shown a cross talk between transcription and DSB repair. Those results led us to propose that actively transcribed genes could be repaired by a specific mechanism implicating proteins associated with transcription: “Transcription-coupled DSB repair”. During my PhD, using the DIvA (DSB Induction via AsiSI) cell line allowing the induction of annotated DSB through the genome, I worked on 2 projects focusing on DSB repair in transcribed genes. First, we showed that DSB repair in transcribed loci requires a known RNA: DNA helicase: senataxin (SETX). After DSB induction in an active gene, SETX is recruited which allows RNA-DNA hybrid resolution (mapped by DRIP-seq). We also showed that SETX activity allows RAD51 loading and limits DSB illegitimate rejoining and consequently promotes cell survival after DSB induction. This study shows that DSB in transcribed loci require specific RNA-DNA hybrids removal by SETX for accurate repair. Second, we showed an interplay between SETX and Bloom (BLM) a G4 DNA helicase in DSB repair induced in transcribed loci. We showed that BLM is also recruited at DSB in transcribed loci where it promotes resection and repair fidelity. Strikingly, we showed that BLM depletion rescued the survival defects observed in SETX depleted cells following DSB induction. Knock down of other G4-helicases (RTEL1, FANCJ) also promoted cell survival in SETX depleted cells upon damage. Those data suggest an interplay between G4 helicases and RNA: DNA resolution for DSB repair in active genes. Altogether, these studies promote a better understanding of the specificity of DSB repair in transcriptionally active genes, and notably identification of proteins involved in “Transcription-coupled DSB repair”. 3 Les gènes transcriptionellement actifs peuvent être la source de l'instabilité du génome via de nombreux mécanismes. Ces gènes sont caractérisés par la formation de structures secondaires telles que les hybrides ADN : ARN. Ils se forment lorsque l'ARN sortant l'ARN polymérase II s'hybride au simple brin d'ADN. De nombreuses études ont montrées que l’accumulation de ces hybrides peut mener à la création de dommages à l'ADN. Parmi ces dommages, les Cassures Double Brins (CDB) sont les plus dangereuses pour la cellule puisqu'elles peuvent produire des mutations et des réarrangements chromosomiques. Il existe deux mécanismes de réparation majeurs dans la cellule : la Jonction Non-Homologue des Extrémités (NHEJ) et la Recombinaison Homologue (HR). Mon équipe a récemment montré que les CDB localisées dans les gènes transcrits sont préférentiellement réparés par HR. De plus, de nombreuses études ont montrées une interaction entre transcription et réparation des CDB. Au vue de ces résultats, nous avons donc émis l'hypothèse que les gènes transcriptionellement actifs pourraient être réparés par un mécanisme spécifique nécessitant l'activité de protéines associées à la transcription : "Réparation couplée à la transcription". Durant ma thèse, je me suis intéressée au rôle de deux protéines dans la réparation des régions transcrites en utilisant la lignée cellulaire DIvA (DSB Induction via AsiSI) qui permet l'induction de cassures annotées sur tout le génome. Premièrement, nous avons montré que la réparation des CDB dans des loci transcrits nécessitent une hélicase ADN : ARN connue : sénataxine (SETX). Après induction d'une cassure dans un gène, SETX est recrutée ce qui permet la résolution d'hybride ADN : ARN (cartographié par DRIP- seq). Nous avons aussi montré que SETX permet le recrutement de RAD51 et limite les jonctions illégitimes des CDB et par conséquent promeut la survie des cellules après induction des cassures. Cette étude montre que les CDB dans les loci transcrits requièrent la résolution spécifique des hybrides ADN : ARN par SETX pour permettre une réparation précise et est absolument indispensable pour la survie cellulaire. Deuxièmement, nous avons montré une interaction entre SETX et Bloom (BLM) une G4 DNA hélicase dans la réparation des CDB dans les régions transcrites. Nous avons montré que BLM est aussi recrutée au CDB dans les loci transcrits où elle est nécessaire à la résection et à la fidélité de réparation. De façon importante, nous avons montré que la déplétion de BLM restaure le défaut de survie cellulaire observé dans les cellules déplétées pour SETX après induction des CDB. La déplétion d'autres hélicases G4 (RTEL1, FANCJ) promeut aussi la survie des cellules déplétées pour SETX après dommages. Ces résultats suggèrent une interaction entre les hélicases G4 et la résolution des hybrides ADN : ARN dans la réparation des gènes actifs. En conclusion, ces études permettent une meilleure compréhension de la spécificité de la réparation des régions transcrites du génome, et notamment l'identification de protéines impliquées dans la "Réparation couplée à la Transcription". 4 Table of contents 5 Table of contents Summaries............................................................................................................................ 2 Table of contents................................................................................................................... 5 Introduction ........................................................................................................................... 9 I. Transcription ...................................................................................................10 A. Steps of transcription................................................................................10 Initiation ...................................................................................................10 Elongation/Splicing ..................................................................................11 Termination..............................................................................................12 B. Non coding RNAs processing...................................................................12 Small RNA ...............................................................................................12 Long non-coding RNA..............................................................................13 C. Secondary structure: R-loops ...................................................................13 Formation.................................................................................................14 Processing ...............................................................................................15 Detection techniques................................................................................16 D. Transcription induces genome instability..................................................17 Common fragile site and replication collapse ...........................................17 Topoisomerase II activity .........................................................................18 R-loops ....................................................................................................19 R-loops in human diseases......................................................................22 II. DNA double strand breaks repair.................................................................25