Dynamique du génome et de l'épigenome des dommages aléatoires et ciblés sur l'ADN – RanTarDam

Des variations de la structure du génome peuvent être causées après formation de dommages sur l’ADN par des erreurs de réparation, induisant de la variabilité génétique. L’utilisation des dernières techniques de séquençage haut débit de l’ADN et des ARN permettent d’identifier de façon très précise les altérations chromosomales et les changements fonctionnels associés. Ces technologies offrent la possibilité de cartographier en parallèle les changements structurels et fonctionnels du génome et de pouvoir identifier les mécanismes moléculaires impliqués.

Des plantes d’Arabidopsis thaliana sauvages et déficientes pour l’expression de facteurs impliqués dans la signalisation des dommages sur l’ADN et dans la réparation de l’ADN ont été soumises à différents stress génotoxiques afin d’identifier les changements structurels (i) du génome, (ii) de l’epigenome (méthylation de l’ADN) et (iii) fonctionnels (petits ARN).

Les plantes ont été exposées à des radiations ionisantes (protons), non-ionisantes (UVB et UVC) et à un agent chimio thérapeutique (cisplatine) afin d’induire différentes lésions sur l’ADN.

L’immuno-localisation des différents types de lésions a mis en évidence une localisation préférentielle des dommages au niveau de chromocentres, régions très compactées du génome, appelées également : hétérochromatine constitutive.

Le séquençage de 3ème génération (Nanopore), permettant une lecture de longs fragments d’ADN, a permis d’identifier simultanément les changements structuraux du génome ainsi que de déterminer le niveau de méthylation de l’ADN.

Nous avons mis en évidence que les régions génomiques situées dans l'hétérochromatine constitutive sont plus susceptibles de former des réarrangements chromosomiques que celles situées dans l'euchromatine, soulignant que l’efficacité de réparation et donc la stabilité du génome diffère le long du chromosome. Ceci est vrai chez les plantes Arabidopsis sauvages mais aussi chez les plantes déficientes pour la signalisation des dommages sur l’ADN et dans la réparation de l’ADN.

L'analyse fine des régions réarrangées du génome a permis de déterminer que l'exposition aux différents agents génotoxiques induisait un mécanisme de réparation médié par la micro homologie de séquence (MMEJ) et que des facteurs de signalisation des dommages sur l’ADN réprimaient cette voie de réparation. De plus, nous a avons identifié qu’un facteur de remodelage de la chromatine protégeait les régions géniques contre des réarrangements structuraux majeurs.

Cette partie des résultats suggèrent l'existence de processus de surveillance indépendants et alternatifs pour maintenir l'intégrité des régions géniques vs l’intégrité des régions hétérochromatiniennes.

L’analyse du niveau de méthylation de l’ADN en réponse aux différents agents génotoxiques chez les plantes Arabidopsis sauvages a révélé des changements majoritairement au niveau de l'hétérochromatine constitutive contenant des régions répétées et des éléments transposables (TE).

Nous avons mis en évidence que la voie de signalisation des dommages sur l’ADN, la biogénèse des petits ARN et des effecteurs du RNA silencing étaient impliqués dans le maintien de l’intégrité du méthylome au niveau des gènes et de certains TE. Grâce à des approches génomiques et biochimiques, les mécanismes moléculaires régulant la dynamique chromatinienne de ces effecteurs du RNA silencing ont été identifiés, démontrant qu’une interconnexion entre la réponse au stress génotoxique, la réparation de l’ADN et la régulation du méthylome existent.

L’utilisation d’approches technologiques novatrices avec des ressources génétiques originales ont permis d’élargir les champs de connaissances et de renforcer les notions émergentes relatives aux interconnexions entre les voies de maintenance de l’intégrité du génome et de l’épigénome. L’identification de nouvelles interconnexions, de nouveaux processus moléculaires permettent de mieux comprendre la manière avec laquelle les mécanismes de reconnaissance des dommages, de réparation de l’ADN et de l’(épi)génome interagissent après exposition à différents stress génotoxiques. Ces résultats permettent de pouvoir anticiper les variations (épi)génomique pouvant être causées par des stress environnementaux important et ouvrent également des perspectives au-delà du modèle végétal, notamment dans la santé humaine en relation avec l’instabilité génomique héréditaire ou induite.

Les plantes possèdent des mécanismes sophistiqués d’adaptation aux stress environnementaux affectant l’intégrité de leur génome et interférant avec leurs programmes développementaux. L’objectif du projet RanTarDAm est d’identifier, les mécanismes moléculaires régulant l’intégrité du génome, de l’épigénome et du transcriptome après induction aléatoire (stress génotoxique) ou ciblée (CRISPR/Cas9) de dommages sur l’ADN. L’expertise du consortium en réparation de l’ADN-biologie des ARN, combinée à de nombreux résultats préliminaires, offre une opportunité unique de caractériser de nouvelles interconnexions entre les mécanismes impliqués dans la maintenance de l’intégrité du génome, de l’épigénome et du transcriptome en réponse à des dommages, aléatoires ou ciblés, sur l’ADN. Nos résultats pourront être applicables dans des programmes de sélection agronomiques et également transposables à d’autres organismes, incluant les vertébrés.