Lien entre l'activation de PARP-1 et FUS, une protéine de liaison à l'ARN, dans la réponse aux dommages à l'ADN

The link between PARP1-mediated signaling and RNA-binding protein FUS in response to DNA damage

• Auteur / Autrice : Anastasiya Singatulina
• Direction : David Pastre, Olga Lavrik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 11/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Structure et activité des biomolécules normales et pathologiques (Evry, Essonne ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Namy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefania Millevoi, Françoise Dantzer, Philippe Savarin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefania Millevoi, Françoise Dantzer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines de liaison à l'ADN

ADN -- Réparation

Maladies neurodégénératives

Mots clés libres

Cancer

Traduction

Cancer

Translation

Résumé

La stabilité du génome est contrôlée par une machinerie complexe qui répare les dommages causés à l'ADN, le principal responsable du cancer et des maladies associées au vieillissement. En effet, Les cellules humaines sont exposées à différentes sources de stress oxydatif qui entraînent des dommages de l'ADN, notamment les cassures simple brin et les cassures double brin. Les sources de cassures de l’ADN peuvent être exogènes (lumière ultraviolette, pollution, rayonnements ionisants) ou endogènes (métabolisme cellulaire et inflammation). Après un stress génotoxique, les cellules de mammifères déclenchent une cascade d'événements qui commencent par le recrutement des membres de la famille de protéines (ADP-ribosyl) transférase, PARP-1 et -2, aux dommages de l'ADN. Lorsque les PARP se lient à un ADN endommagé, une activité catalytique est activée pour synthétiser un polymère négativement chargé appelé poly (ADP-ribose) ou PAR. Les polymères PAR résultants sont liés de manière covalente aux PARP eux-mêmes (autoPARylation) ou également à de nombreuses autres protéines. Les polymères de PAR liés de manière covalente aux protéines accepteurs peuvent ensuite être hydrolysés pour former du PAR libre ou du mono (ADP-ribose) par la PAR glycohydrolase (PARG). Un niveau excessif de PAR endogène dû à une hydrolyse altérée du PAR induit également la présence de nucléoles supplémentaires présentant des anomalies ultrastructurales. La synthèse et la dégradation des polymères de PAR sont parmi les événements clés de la réponse cellulaire aux dommages de l'ADN chez les eucaryotes supérieurs et sont impliqués dans de nombreux aspects de la réponse au stress, tels que le remodelage chromosomique, la régulation de la transcription et l'assemblage de granules de stress.Le polymère PAR a une charge hautement négative et peut donc concurrencer efficacement l'ARN pour la liaison aux protéines de liaison à l'ARN, ce qui permet de redistribuer les protéines de liaison à l'ARN dans la cellule. En accord avec cela, la synthèse de PAR après un endommagement de l'ADN entraîne la relocalisation nucléaire de protéines de liaison à l'ARN telles que THRAP3, un facteur d'épissage, TAF153, et la translocation nucléocytoplasmique de HuR, une protéine de liaison à l’ARN, après une longue exposition au lipopolysaccharide. Récemment, une accumulation de certaines protéines de liaison à l'ARN dans des régions du noyau exposées à un faisceau laser a été détectée, ce qui soulève des questions quant à leur rôle présumé dans la réparation de l'ADN. En particulier, le FUS a retenu l’attention du fait qu’il s’agit de l’une des protéines de liaison à l’ARN nucléaire la plus abondante et la plus hautement PARylée. Cependant, les rôles de l'accumulation de FUS et de sa PARylation au niveau de l'ADN endommagé dans la réponse cellulaire au stress génotoxique restent à découvrir.Par une approche combinée cellulaire, biochimique et de molécule unique, nous montrons que la liaison du FUS au PAR induit la formation de compartiments dans lesquels l’ADN endommagé est concentré. Des assemblages moléculaires transitoires déclenchés par le FUS lors de l'activation de PARP-1 peuvent faciliter la réparation de l'ADN par la compartimentation des sites de dommages de l'ADN. Cette fonction dans la réparation de l'ADN était précédemment attribuée au poly (ADP-ribose) lui-même, mais la présence de protéines de liaison à l'ARN pourrait être nécessaire pour augmenter la capacité du PAR à recruter des facteurs de réparation de l'ADN en formant des compartiments regroupant l'ADN endommagé. L'hydrolyse de ces compartiments par PARG permet la réversibilité de l'ensemble du processus en dissociant ces compartiments. PARG permet ainsi la translocation du FUS du noyau au cytoplasme. Dans le cytoplasme, FUS peut participer à la réponse traductionnelle au stress ou s’accumuler dans les agrégats, comme dans les neurones de patients atteints de maladies neurodégénératives spécifiques.

The stability of the genome is controlled by a complex DNA repair machinery that counteracts DNA damage, the major guilty in cancer and ageing related diseases. Human cells are exposed to different sources of oxidative stress that lead to DNA damages including single strand breaks (SSBs) and double strand breaks (DSBs). Sources of the damaging reactive oxygen species can be exogenous (UV light, pollution, ionizing radiation) or endogenous (cellular metabolism and inflammation). After genotoxic stress, mammalian cells trigger a cascade of events that start from the recruitment of the members of the (ADP-ribosyl) transferase protein family, PARP-1 and -2, to DNA damage. Upon PARPs binding to damaged DNA, a catalytic activity is turned on to synthesize a highly negatively charged polymer called poly(ADP-ribose) or PAR using NAD+ as substrate. The resulting PAR polymers are covalently attached to PARPs itself (autoPARylation) or also to many other acceptor proteins. The protein poly(ADP-ribosyl)ation (PARylation) is a reversible post-translational modification. PAR polymers covalently attached to acceptor proteins and can be subsequently hydrolyzed to form free PAR or mono(ADP-ribose) by PAR glycohydrolase (PARG). An excess level of endogenous PAR due to an impaired PAR hydrolysis also induces the presence of additional nucleoli with ultrastructural abnormalities in PARG knockout flies. Synthesis and degradation of PAR polymers is among the key events in the cellular response to DNA damages in higher eukaryotes and is involved in many aspects of the response to stress like chromosome remodelling, transcription regulation and stress granule assembly.PAR polymer has a highly negative charge density and thus can effectively compete with nuclear DNA- and RNA-binding proteins for the binding to nucleic acids, which provides a mean to redistribute RNA-binding proteins in the cell. In agreement with this, PAR synthesis after DNA damage leads to the nuclear relocation of RNA-binding proteins such as THRAP3, a splicing factor, TAF153, and the nucleocytoplasmic shuttling of HuR, a 3’UTR mRNA-binding protein, after long lipopolysaccharide exposure. Recently, a PAR-dependent accumulation in DNA regions damaged by short laser beam exposures has been detected for some RNA binding proteins, raising issues about their putative role in DNA repair. In particular, FUS (FUS/TLS, Fused in Sarcoma) has received some attention since it is one of the most abundant and most highly PARylated nuclear RNA-binding protein. However, the roles of the PAR dependent FUS accumulation and its PARylation at damaged DNA in the cellular response to genotoxic stress remain unclear.By a combined cellular, biochemical, and single molecule approach, we show that the binding of FUS to PAR induces the formation of compartments in which damaged DNA is concentrated. Transient molecular assemblies triggered by FUS upon PARP-1 activation may facilitate DNA repair through compartmentalization of DNA damage sites. This function in DNA break repair was previously attributed to poly(ADP-ribose) itself but the presence of RNA-binding proteins might be required to increase the capacity of PAR to recruit DNA repair factors by formation of DNA-damaged rich compartments. The hydrolysis of these compartments with PARG provides reversibility of the whole process by dissociating these compartments. PAR hydrolysis by PARG then enables the shuttling of FUS from the nucleus to the cytoplasm. In the cytoplasm, FUS can participate in the translational response to stress or accumulate in the aggregates, as found in neurons of patients affected by specific neurodegenerative diseases.