ADN polymérases et acides nucléiques endommagés chez les Archaea : maintenance génonique et Biotechnologies

by Céline Ralec

Doctoral thesis in Biochimie.Microbiologie

Under the supervision of Ghislaine Henneke.

  • Alternative Title

    DNA polymerases and damaged nucleic acids in archaea : genome maintenance and Biotechnology


  • Abstract

    Hyperthermophilic Archaea that thrive under harsh environments (elevated temperature, pH shifts, andionizing radiations) are supposed to be exposed to massive DNA damages. However, the mutations frequencies in hyperthermophilic Archaea are comparable with those of other microorganisms (1) indicating they are equipped with unique and efficient molecular mechanisms to ensure their genome integrity. DNA replication is an essential and conserved process among the three domains of life. DNA polymerases are central enzymes involved in the joining of deoxyribonucleoside 5′-triphosphates (dNTPs) to form the growing DNA chain. In Pyrococcus abyssi (Pab), two familiesDNA polymerases have been described as replicases, one family B (PabPol B) with structural diversity and common mechanisms among all organisms in the three domains of life, and one family D found exclusively in Euryarchaea. All members of archaeal family B DNA polymerases possess a unique structural feature involved in the recognition of deaminated bases (uracil and hypoxanthine) called uracil-pocket. During my PhD, it has been shown that not only deaminated but also canonical bases (A, T, C, G) could enter this pocket in PabPolB. We therefore renamed it as the base-checking pocket and proposed a role in the high fidelity of PabPolB. High-resolution crystal structures of PabPolBhig hlighted the presence of divalent metal ion to the proximity of the base-checking pocket. It has been suggested that thismetal ion may modulate the recognition of deaminated bases and the translocation of PabPolB on DNA during DNAsynthesis. Moreover, the crucial role of metal ion on DNA synthesis and exonuclease activity by PabPolB has beenevaluated. DNA polymerisation in the presence of calcium was as effective as the universal magnesium ion while showing different time-course kinetics. For the first time, intracellular concentrations of nucleotides (dNTPs and NTPs) have been determined in an archaeal microorganism. dNTPs and NTPs concentrations seem rather elevated for Pab than in the eukaryotic Saccharomyces cerevisiae cells, suggesting a constitutive mechanism for protecting the genome from DNAdamage. Overall, these results contributed to unravel specific molecular mechanisms involved in the maintenance of the genome integrity with a particular emphasis on molecules (DNA polymerases, dNTPs and NTPs) crucial for cellular life.


  • Abstract

    Les Archaea hyperthermophiles sont des micro-organismes particulièrement adaptés à la vie à très haute température. Les températures élevées sont responsables de la création de diverses lésions à l’ADN. Pourtant, le taux de mutations spontanées chez l’Archaea Sulfolobus solfataricus est proche de celui mesuré chez des organismes mésophiles. Ceci laisse suggérer que les Archaea doivent être équipées de mécanismes spécialisés efficaces dans la reconnaissance et réparation des dommages à l’ADN. La réplication de l’ADN est un mécanisme fonctionnellement conservé dans les trois domaines du Vivant assuré par des enzymes clefs, les ADN polymérases. A ce jour, chez Pyrococcus abyssi (Pab), Euryarchaea hyperthermophile, deux familles de pol ont été identifiées, une pol réplicative de la famille B, présente dans les trois règnes du Vivant et une pol réplicative la famille D, spécifique de l’embranchement des Euryarchaea. Tous les membres de la famille B des pols archéennes possèdent une signature structurale unique impliquée dans la reconnaissance spécifique des bases endommagées (uracile et hypoxanthine). Ce doctorat a permis de démontrer que cette poche pouvait également accommoder les bases canoniques (A, T, C, G) contribuant ainsi à la haute fidélité de ces enzymes. Des structures cristallographiques à très haute résolution de l’ADN polymérase B (PabPolB) ont permis d’identifier la présence d’un ion métallique divalent situé à proximité de cette poche de reconnaissance. Il a été suggéré que cet ion modulerait la reconnaissance des bases désaminées et le glissement de l’ADN polymérase au cours de la synthèse d’ADN. De plus, nous avons montré que les ions catalytiques divalents ont un rôle central dans la modulation des propriétés intrinsèques de PabPolB. L’ion calcium est utilisé par PabPolB pour mener à bien la synthèse d’ADN mais engendre des caractéristiques cinétiques différentes de celles conférées par l’ion magnésium universel. D’autre part, nous avons déterminé pour la première fois chez un organisme archéen la concentration intracellulaire de dNTPs et NTPs. Leurs concentrations sont relativement plus élevées que celles mesurées par exemple chez l’eucaryote Saccharomyces cerevisiae, suggérant un mécanisme constitutif de réaction de protection à des agressions de l’ADN. L’ensemble de ces résultats participe à la compréhension des mécanismes moléculaires qui régissent la maintenance de l’intégrité du génome et, donc, de la vie des organismes hyperthermophiles.


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