Détermination de la structure de l’ADN polymérase D par cristallographie aux rayons X et cryo-microscopie électronique

par Pierre Raia

Thèse de doctorat en Biologie structurale

Sous la direction de Ludovic Sauguet.

Le président du jury était Mirjam Czjzek.

Le jury était composé de Sophie Zinn-Justin.

Les rapporteurs étaient Emmanuelle Schmitt, Bruno Franzetti.


  • Résumé

    Dans toutes les formes de vie, les ADN polymérases jouent un rôle central dans la réplication du génome, sa maintenance et sa réparation. Toutes les ADN polymérases ont été classées en sept familles distinctes en se basant sur leur homologie de séquence : PolA, PolB, PolC, PolD, PolX, PolY et les reverse transcriptases. La dernière famille d’ADN polymérase pour laquelle la structure et le mécanisme moléculaire demeurent inconnus est la PolD. La PolD est l’une des ADN polymérases réplicatives des Archées. C’est une polymérase hétérodimérique composée d’une sous-unité DP1, qui catalyse l’activité de relecture exonucléase 3’-5’, et d’une sous-unité DP2, qui catalyse l’activité de polymérisation 5’-3’. Afin de résoudre l’incertitude concernant les origines évolutives de la PolD, j’ai déterminé la structure cristallographique des domaines catalytiques des sous-unités DP1 et DP2 de Pyrococcus abyssi et la structure du complexe DP1-DP2 lié à l’ADN, par cryo-microscopie électronique (cryo-EM). Ces structures révèlent que la PolD est une ADN polymérase atypique qui diffère de celle des autres ADN polymérases caractérisées à ce jour. De plus, DP2 partage une homologie structurale inattendue avec les ARN polymérases à ‘deux-tonneaux-β’. Ces travaux clarifient les relations évolutives entre toutes les ADN polymérases et mettent en lumière le mécanisme d'acquisition et d'échange de domaines qui s'est produit au cours de l'évolution du réplisome eucaryote.

  • Titre traduit

    Crystal and cryo-electron microscopy structures of DNA polymerase D


  • Résumé

    In all forms of life, DNA polymerases play central roles in genome replication, maintenance and repair. All DNA polymerases have been grouped in different families, using sequence alignments: PolA, PolB, PolC, PolD, PolX, PolY and reverse transcriptases. The only class of DNA polymerases left whose structure and molecular mechanism are unknown is PolD. PolD is an archaeal replicative DNA polymerase made of a proofreading exonuclease subunit (DP1) and a larger polymerase catalytic subunit (DP2). To help resolve the uncertainty concerning the evolutionary origins of PolD, I determined the crystal structures of two large fragments of both DP1 and DP2 subunits of the Pyrococcus abyssi PolD. Crystal structures of both DP1 and DP2 subunits revealed that PolD is an atypical DNA polymerase. We also determined the cryo-electron microscopy (cryo-EM) structure of the DP1-DP2 complex bound with DNA. Structures of both polymerase and proofreading active sites differ from other structurally characterized DNA polymerases. In addition, PolD shares an unexpected structural homology with the ‘two-barrel’ family of RNA polymerases. By many aspects, this work provides new insights on the evolutionary history of DNA and RNA polymerases.


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