Les télomères sont répliqués à la fin de la phase S par les mécanismes de la réplication semi-conservative conventionnelle, mécanisme qui réplique usuellement le reste du génome (McCarroll et Fangman, 1988; Raghuraman et al., 2001). Chez S. cerevisiae et chez d’autres organismes, tels que les mammifères, le passage de la fourche de réplication au travers des répétitions télomériques s’effectue plus lentement que dans le reste du génome (Ivessa et al., 2002; Miller et al., 2006; Sfeir et al., 2009; Bah et al., 2011). Le ralentissement des fourches de réplication peut conduire à leur arrêt et à la formation de DSBs à l’intérieur des répétitions télomériques (Ivessa et al., 2002; Miller et al., 2006; Anand et al., 2012; Aksenova et al., 2013).
Chez les cellules de mammifères, les répétitions télomériques colocalisent a des sites de cassure à l’intérieur du chromosome menant à un certain nombre de réarrangements chromosomiques (évènements de recombinaison, insertions et/ou délétions de séquences) qui peuvent conduire à la formation de cellules cancéreuses ou à des maladies congénitales, comme le syndrome de Di-Georges autrement appelé syndrome vélocardiofacial, caractérisé par une délétion dans le locus 22q11 du chromosome 22 (Lin et Yan, 2008; Aksenova et al., 2013).
Chez S. cerevisiae, il a été émis l’hypothèse que la nature riche en GC des répétitions télomériques du fait de sa capacité à former des structures secondaires hautement stables, de type G-quadruplex, serait à l’origine de l’arrêt des fourches de réplication dans les répétitions télomériques (Lopes et al., 2011; Paeschke et al., 2011). Cependant, une étude visant à déterminer si l’arrêt des fourches était relatif à la présence de GC ou bien à la liaison de Rap1 dans les répétitions était réalisée et n’appuyait pas les observations précédentes (Makovets et al., 2004). Pour cela, une analyse par gel 2-D des fourches de réplication au travers d’une séquence de 355 pb de répétitions télomériques de levure et
d’une séquence de 360 pb de répétitions télomériques de Tetrahymena (G4T2) a été réalisée.
Les deux séquences ont chacune été insérées dans le chromosome IV de la levure à 8 kb de l’ARS1. Les répétitions télomériques chez le cilié Tetrahymena sont riches en G et forment également des structures G-quadruplex. En revanche, elles ne sont pas liées par la protéine Rap1 de levure qui reconnait des séquences consensus. Il a été observé, au site d’insertion, une augmentation de l’arrêt de la fourche de réplication en présence des répétitions TG1-3, mais pas en présence des répétitions G4T2. De plus, une délétion de
l’extrémité C-terminale de la protéine Rap1, rap1Δc, suffit à diminuer l’arrêt des fourches dans les répétitions TG1-3. La délétion du C-terminal de Rap1 diminue probablement
l’encombrement stérique lié à la liaison des protéines Sir et Rif à cette extrémité. Finalement, une délétion du gène SRS2 qui encode pour une hélicase d’ADN nécessaire à une réplication efficace au travers des structures G-quadruplex (Kerrest et al., 2009) n’affecte pas le passage de la fourche de réplication dans les répétitions TG1-3 (Anand et al.,
2012). L’ensemble de ces observations appuie le fait que la protéine Rap1 agit davantage comme une barrière à la réplication au travers des répétitions télomériques chez la levure que la nature riche en GC de ces répétitions.
Aux télomères la synthèse du nouveau brin 3’ à partir du brin parental 5’C est prise en charge par la machinerie de réplication du brin précoce de façon continue et la synthèse du nouveau brin 5’ à partir du brin parental 3’G est prise en charge par la machinerie de réplication du brin retardé de façon discontinue. Lorsque la fourche de réplication rencontre une molécule Rap1, elle s’arrête. Cet arrêt de la fourche de réplication conduit à un recul de cette dernière et à la formation d’une structure particulière qui est dite en « patte d’oie ». Ce type de structures sont particulièrement fragiles et peuvent être exposées à des attaques par des nucléases par exemple. Ces attaques par les nucléases va mener à un effondrement de la fourche et à la génération d’une coupure double-brin de type « one-sided DSB » c’est-à- dire une cassure double-brin avec une seule extrémité (figure 5).
Figure 5. Arrêt de la fourche de réplication aux répétitions TG1-3
Aux télomères, la synthèse du nouveau brin 5’C (bleu en cours de formation) est prise en charge par la machinerie de réplication du brin retardé, qui se fait de façon discontinue. La synthèse du nouveau brin 3’G (rouge en cours de formation) est prise en charge par la machinerie de réplication du brin précoce de façon continue. Lorsque le complexe de réplication arrive à hauteur d’une protéine Rap1, qui est définie dans ce cas-ci comme une barrière de la fourche de réplication (RFB : Replication Fork Barrier), le complexe polymérases-hélicases s’arrête conduisant à un recul de la fourche. Ce type de structures en « patte d’oie » sont particulièrement fragiles et peuvent être notamment exposées à des attaques par des nucléases (triangle noir) conduisant à des cassures de type « one-sided DSB ».
La progression normale des fourches au travers des répétitions télomériques est soutenue par un certain nombre de facteurs. Les hélicases d’ADN Rrm3 et Pif1 sont nécessaires à une réplication efficace des répétitions télomériques. La délétion des gènes encodant ces deux hélicases mène à une augmentation de l’arrêt de la fourche (Ivessa et al., 2002; Makovets et al., 2004; Azvolinsky et al., 2009; Anand et al., 2012). De même que la délétion du gène SML1. SML1 encode pour un inhibiteur de réductases de ribonucléotides, sa délétion entraîne une dérégulation de la production de dNTP, qui doit donc altérer l’ajout de dNTP lors de la réplication et conduire à un arrêt des fourches. Finalement la délétion du gène TOF1, est responsable d’une diminution de l’arrêt des fourches. La protéine Tof1 interagit avec Mrc1 et Csm3 pour former le complexe de stabilisation des fourches de
réplication. Ce complexe est connu pour être nécessaire à un arrêt normal des fourches aux barrières à la réplication (Anand et al., 2012).
L’ensemble de ces observations démontre qu’une réplication efficace des répétitions télomériques est dépendante de plusieurs facteurs, permettant à la fois de contourner les barrières à la réplication et de marquer des arrêts des fourches nécessaires au maintien de l’intégrité de celle-ci, ce qui est donc essentiel à la stabilité du génome.
2.2 Problème de réplication des fins et la télomérase