Etude structurale et fonctionnelle de complexes multi-protéiques impliqués dans la voie NHEJ humaine

Structural and Functional Study of Multi Protein Complexes Involved in Human non Homologous End Joining Pathway

• Auteur / Autrice : Karima Benferhat
• Direction : Eric Le Cam, Jean-Baptiste Charbonnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 27/09/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cancérologie : biologie-médecine-santé (Villejuif, Val-de-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Signalisation, noyaux et innovations en cancérologie (Villejuif, Val-de-Marne ; 2002-2019) - Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Quevillon-Cheruel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Le Cam, Jean-Baptiste Charbonnier, Sophie Quevillon-Cheruel, Gilles Mirambeau, Emmanuelle Martini, François Lecointe, Sonia Minon-Baconnais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Mirambeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryomicroscopie électronique

Réparation de l'ADN par jonction d'extrémités

Microscopie à force atomique

Polymérisation

Microscopie électronique en transmission

Mots clés libres

Réparation des CDBs d'ADN

NHEJ

Complexe de ligation

DSB repair

NHEJ

Ligation complex

Résumé

Chez les mammifères, la réparation des CDBs par la voie NHEJ (Non Homologous End Joining) implique plusieurs complexes multi-protéines : (i) de reconnaissance (ADN-Ku70/Ku80), (ii) de maturation et (iii) de ligation comprenant XRCC4, XLF et ligase IV. Si les protéines impliquées dans le NHEJ sont connues, leurs propriétés structurales et fonctionnelles le sont moins. Au cours de ma thèse, j’ai combiné des approches biochimiques, de Microscopies Electronique et à Force Atomique, pour caractériser les propriétés de XRCC4, de XLF et leurs interactions avec le complexe de reconnaissance en particulier Ku. J’ai montré que la protéine complète XRCC4 est capable de polymériser et former des filaments alors qu’elle ne peut pas en faire en absence de la région C-terminale. Par Microscopies Electronique et à Force Atomique; nous avons montré que le filament XRCC4 forme une structure hélicoidale de chiralité gauche. XLF seule ne forme pas de filament mais peut être incorporé dans le filament XRCC4, ce que nous avons montré par immunomarquage. L’analyse d’images réalisé en collaboration et avec l’algorithme d’Edward Egelman (Université de Virginie-USA) a permis d’obtenir une reconstruction 3 D du filament XRCC4. Il est composé de 2 filaments enroulés l’un autour de l'autre avec un pas de 54 nm. Des Etudes sont en cours afin d’obtenir une structure 3D en CryoEM à haute résolution. L’étude des propriétés physicochimiques de l’assemblage du filament en fonction de la concentration, la température et le temps d’incubation a permis de montrer la dynamique du filament avec une stabilisation à basse température, et une concentration située entre 50 et 250 nM. L’ADN avec ou sans extrémités interagit avec les filaments. Cette interaction stabilise et promeut l’extension du filament. L’incorporation de XLF stabilise aussi le filament XRCC4. L’analyse des complexes formés entre l’ADN et XRCC4 ou XLF à l’état oligomérique montre des événements de pontage intra ou intermoléculaires. Parallèlement, nous avons étudié les propriétés de reconnaissance de l’ADN par l’hétérodimère Ku70/Ku80 et avons montré que le domaine KBM de XLF interagit avec Ku80 au sein de l’hétérodimère. En conclusion, nous montrons que le filament XRCC4 pourrait jouer un rôle d’architecture en maintenant les extrémités physiquement proches. Le recrutement de XLF dans le filament XRCC4 permettrait d’assembler le complexe de ligation avec le complexe de reconnaissance grâce aux interactions entre Ku et XLF.

In mammals, DSBs repair by the Non Homologous End Joining (NHEJ) pathway involves several multi-protein complexes : (i) the recognition complex (the Ku70 / Ku80 heterodimer), (ii) the maturation complex and (iii) the ligation complex comprising XRCC4, XLF, PAXX and ligase IV. If the proteins involved in NHEJ are identified and characterized, their structural and functional properties are often poorly understood. During my thesis I combined biochemical approaches, and molecular microscopies (Electron Microscopy and Atomic Force Microscopy), to characterize the properties of XRCC4, XLF and their interactions with the recognition complex (Ku-DNA). I have shown that the full length XRCC4 forms oligomers in solution (dimers and tetramers) and it polymerize into filaments whereas it can’t do it when the C-terminal region is absent. We initially characterized the structure of this filament in Electron Microscopy and Atomic Force Microscopy. XRCC4 filament forms a helicoidal structure of left chirality. XLF alone does not forms a filament but can be incorporated into the XRCC4 filament, which we have shown by immunostaining with gold beads. In collaboration with Edward Egelman (University of Virginia-USA), the image analysis performed using his algorithm allowed us to obtain a 3D reconstruction of the XRCC4 filament. It consists of 2 filaments wound around each other in a helical manner with a pitch of 54 nm. Studies in CryoEM are in progress to obtain a 3D high resolution structure. The study of the physicochemical properties of the filament assembly as a function of the concentration, the temperature and the incubation time allowed to show the dynamics of the filament with stabilization at low temperature, and a concentration between 50 and 250 nM. DNA with or without ends interacts with the filaments. This interaction stabilizes and promotes the extension of the filament. Similarly, incorporation of XLF stabilizes the Xrcc4 filament. Analysis of complexes formed between DNA and XRCC4 or XLF in the oligomeric state shows intra- or intermolecular bridging events. In parallel, we have studied the DNA recognition properties of the Ku70/Ku80 heterodimer and we have shown that KBM domain of XLF interacts with Ku80 within the heterodimer. In conclusion, we show that the XRCC4 filament could play an architectural role favoring repair events by keeping the ends physically close. The recruitment of XLF into XRCC4 filaments ans its interaction with Ku allow the link between ligation and recognition complexes.