2. Premier Article: Organelle DNA rearrangement mapping reveals U-turn-like inversions as a
4.5 Les conséquences possibles des demi-tours de réplication
Chez S. cerevisiae et S. pombe, les demi-tours de réplication sont associés à l’apparition d’isochromosomes, constitués de deux séquences en image miroir autour d’une position centrale (19, 94). Un isochromosome est le résultat attendu après un demi-tour sur un chromosome linéaire si la réplication procède de façon ininterrompue jusqu’à l’extrémité. Étant donné la difficulté à observer les courtes inversions par des méthodes biochimiques classiques, cette conséquence était le meilleur marqueur pour les demi-tours. La possibilité de détecter les courtes inversions à grande échelle et à travers le génome permet cependant de comparer la formation d’isochromosomes à d’autres conséquences possibles.
La comparaison des génomes de l’humain et du chimpanzé a révélé l’existence de réarrangements correspondant à un demi-tour de réplication après lequel le brin naissant retourne sur sa matrice originale après une courte élongation en utilisant le brin opposé (95). Étant donné la longueur limitée des lectures de séquençage analysées jusqu’à présent, il demeure difficile de déterminer le contexte exact des inversions à courte distance. Cependant, les résultats obtenus dans les tissus humains sains contiennent un certain nombre de doubles inversions correspondant aux variations de séquences observées entre l’humain et le chimpanzé. La possibilité de détecter une double inversion par séquençage est limitée par la longueur du brin polymérisé sur la mauvaise matrice, qui doit absolument être plus courte que la longueur des
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lectures du séquenceur. Le séquençage SMRT présente ainsi une option intéressante pour déterminer la longueur moyenne des segments polymérisés en utilisant le brin opposé comme matrice. Le séquençage ne permet cependant pas de confirmer la présence d’un isochromosome, et la comparaison de ceux-ci par rapport aux doubles inversions devra être effectuée indirectement en utilisant des méthodes de détection différentes.
L’impact d’un demi-tour sur la viabilité de la cellule peut varier grandement selon le site et la longueur du segment répliqué à partir de la mauvaise matrice. Les isochromosomes possèdent soit aucun ou deux centromères, ce qui nuit à leur ségrégation pendant la division cellulaire et résulte en une monosomie ou trisomie des séquences affectées. Par contre, les doubles inversions séparées par une courte séquence intermédiaire ont contribué à l’évolution du génome humain (95), et se retrouvent également dans les tissus sains (chapitre 3), indiquant que leur impact peut être nul ou faible, particulièrement si elles ont lieu dans les séquences intergéniques. Puisque les demi-tours permettent le redémarrage de la réplication même si la lésion à l’origine du blocage n’est pas réparée, il est donc possible qu’ils agissent comme mécanisme de survie dans certaines situations. Par exemple, les cellules humaines qui ne possèdent pas la protéine BRCA2 sont hypersensibles aux agents qui endommagent l’ADN, mais cette hypersensibilité disparaît en l’absence de MRE11. Puisque MRE11 est impliquée dans la résection des extrémités lors de la réparation de l’ADN, il est surprenant que son absence permette à la cellule de mieux survivre aux dommages à l’ADN. Il semble donc probable que l’augmentation du nombre de demi-tours en l’absence de MRE11 contribue à la survie des cellules lorsque celles-ci sont autrement incapables de terminer la réplication. L’impact d’un demi-tour dépendrait ainsi des conséquences associées à l’impossibilité de redémarrer la fourche de réplication par un mécanisme conservateur.
Le génome des chloroplastes existant en une combinaison de formes circulaires, linéaires et branchées (106), la formation d’isochromosomes est plus difficile à examiner dans ce cas. Puisqu’il n’est toujours pas clair si l’ADN linéaire et les formes branchées sont uniquement le résultat de bris et de réparations aberrantes dans les génomes circulaires, il est difficile de déterminer l’impact d’un isochromosome formé à partir d’une molécule linéaire. Les chloroplastes étant polyploïdes, il est cependant fort probable que la duplication d’une moitié du génome et la délétion de l’autre moitié sur une seule molécule n’ait aucun impact.
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L’augmentation des demi-tours de réplication dans le triple mutant why1why3reca1 d’A. thaliana est pourtant associée à un phénotype de variégation qui indique une déficience dans la biogénèse des chloroplastes. Un demi-tour dans une molécule circulaire a comme conséquences possibles la formation d’une molécule circulaire qui contient deux copies de la séquence originale ou la formation d’un cercle extrachromosomique contenant deux copies d’une partie de la séquence (96). Dans un contexte polyploïde, il est improbable que de telles molécules aient un impact aussi grand sur la viabilité des chloroplastes.
Il est par contre intéressant de noter que les chloroplastes ne sont pas les seules organelles à présenter des génomes branchés. Le génome des mitochondries dans les cellules du cœur et du cerveau humains sont également associés en grand complexes branchés regroupant plusieurs copies du génome (109). Le changement de matrice qui se produit pendant un demi-tour de réplication résulte en une jonction en Y dans la molécule d’ADN. Si cette structure n’est pas clivée par une résolvase ou un endonucléase, elle pourrait résulter en un branchement tel que ceux observés dans les chloroplastes et dans les mitochondries de cerveau et de cœur. Puisque nos données montrent une abondance d’inversions à courte distance dans ces génomes, il serait intéressant d’investiguer la possibilité que les demi-tours soient à l’origine de certains de ces branchements. D’autre part, une trop grande augmentation du nombre de branchements, telle qu’observée dans les chloroplastes de why1why3reca1, pourrait occasionner des problèmes de ségrégation de l’ADN lors de la division des chloroplastes. Les chloroplastes possédant trop peu de copies du génome pourraient avoir de la difficulté à former leurs complexes photosynthétiques.