Interplay Between Senataxin and FANCD2 in Genome Maintenance
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Genomic instability is an enabling characteristic of cancer and a common feature of neurodegenerative diseases. In the scientific community, there is a general consensus that DNA replication stress (RS), which arises following the cell’s exposure to various exogenous and endogenous genotoxic agents, is a key driver of genomic instability.Interestingly, the genome organization and dynamics per se can also favor RS under some circumstances. Examples of genomic regions where completion of replication is particularly challenging are common fragile sites (CFS), genomic loci that tend to form breaks, gaps, or constrictions on mitotic chromosomes under RS conditions. Recently, a plethora of proteins that guard the genome from RS, which if mutated can induce genome instability have been identified. In more recent years, scientists have discovered that a key source of RS, and subsequently genomic instability, is transcription, especially if not spatially and temporally separated from replication. Fanconi Anemia (FA) is a rare inherited bone marrow failure disease characterized by congenital abnormalities and cancer predisposition, caused by mutations in any of the 22 identified FANC genes. FA is characterized by chromosome fragility and hypersensitivity to DNA interstrand-crosslinking (ICL) agents. Furthermore, the FA proteins play roles in resolving DNA damage arising during replication and transcription, and in coordinating both processes. Interestingly, breakpoints occurring in FA cells frequently overlap CFS. At CFS, FANCD2 is recruited with structure-specific endonucleases SLX4, XPF–ERCC1 and MUS81–EME1 to process replication intermediates that can lead to chromosome segregation defects. In addition, FANCD2 at CFSs limits the formation of R-loops. R-loops play key regulatory roles, but may also pose a threat to the genome when they occur in an unscheduled manner. R-loops are monitored by resolving factors such as senataxin (SETX), a RNA:DNA helicase mutated in neurodegenerative diseases. SETX is implicated in several genome maintenance pathways analogous to those regulated by FANC proteins. Prominent functions shared by SETX and FANC proteins include the coordination of replication with transcription and the repair of ICLs. In addition, SETX functions in concert with BRCA1 (FANCS) to allow faithful transcription termination, and forms nuclear foci in response to replication stress, both critical for the maintenance of the genome. Loss-of-function of SETX also causes infertility in mice (a phenotype common to FA mice and patients). Taking into account the common cellular processes that the FANC pathway and SETX participate in, we asked whether there is a functional relationship between them in the maintenance of the genome stability. I show that the absence of SETX induces spontaneous breaks on mitotic chromosomes. The regions involved in these breaks are targeted by FANCD2, which participates in resolution of under-replicated DNA during mitosis, preventing chromosome mis-segregation and allowing cells to continue proliferating. I also show that FANCD2 promotes mitotic DNA synthesis that is dependent on MUS81 and XPF. Co-depleting FANCD2 and SETX impairs cell proliferation, an effect that appears specific to transformed cells. Therefore, I uncovered a synthetic lethal interaction between SETX and FANCD2 that may be exploited in cancer therapy.
Abstract FR:
L'instabilité du génome est une caractéristique du cancer et est associée aussi à des maladies neurodégénératives. Dans la communauté scientifique, il existe un consensus général que le stress de réplication de l’ADN (SR), qui peut survenir à cause de l’exposition de la cellule à divers agents génotoxiques exogènes ou endogènes, est un facteur clé de l’instabilité génomique. L'organisation et la dynamique du génome peuvent également favoriser le SR dans certaines circonstances.Des exemples de régions génomiques où l'achèvement de la réplication est particulièrement difficile sont les sites fragiles communs (SFC), des loci qui ont tendance à former des cassures ou des discontinuités dans les chromosomes mitotiques, notamment dans des conditions de SR. Récemment, une pléthore de protéines qui protègent le génome du SR qui, lorsqu’elles sont mutées, peuvent conduire à l’instabilité du génome a été identifiée. Ces dernières années, les scientifiques ont découvert qu'une source de SR, et d'instabilité génomique par la suite, est la transcription surtout si elle n’est pas séparée au niveau spatio-temporel de la réplication. L'anémie de Fanconi (AF) est une maladie héréditaire rare caractérisée par une insuffisance de la moelle osseuse, des anomalies congénitales et une prédisposition au cancer, causée par des mutations dans l'un des 22 gènes FANC identifiés. l'AF est caractérisée par une fragilité chromosomique et une hypersensibilité aux agents pontants de l'ADN (inter-strand crosslinks, ICL). En outre les protéines FANC ont un rôle dans la résolution des dommages de l'ADN survenant durant la réplication et la transcription, et dans la coordination des deux processus. De manière intéressante, les points de cassure chromosomiques dans les cellules des patients AF chevauchent fréquemment le SFC. Aux SFC la protéine FANCD2 est recrutée avec les endonucléases spécifiques de structure SLX4, XPF–ERCC1 et MUS81–EME1, pour résoudre des intermédiaires de réplication qui peuvent causer des défauts de ségrégation chromosomique. De plus, FANCD2 au niveau des SFC limite la formation des boucles à ARN (R-loops). Les R-loops ont des fonctions régulatrices, mais constituent également une menace pour la stabilité du génome lorsqu'elles se produisent de manière non contrôlée. Les R-loops sont surveillées par des facteurs de résolution comme la sénataxine (SETX), une ARN:ADN hélicase mutée chez des patients atteints de pathologies neurologiques. SETX est impliquée dans plusieurs voies de maintien du génome analogues à celles régulées par les protéines FANC, telles que la coordination de la réplication avec la transcription et la réparation des ICL.En outre, SETX agit de concert avec BRCA1 (FANCS) au niveau des sites de terminaison de la transcription pour permettre une terminaison fidèle, et forme des foyers nucléaires en réponse au SR, fonctions critiques pour le maintien du génome. La perte de fonction de SETX est liée l’infertilité chez les souris (une caractéristique également présente chez les souris et les patients AF). Compte tenu des processus cellulaires et moléculaires communs auxquels participent la voie FANC et SETX, nous avons émis l’hypothèse qu’il existe une relation fonctionnelle entre les deux dans le maintien de la stabilité du génome. Je montre que l'absence de SETX induit des cassures spontanées des chromosomes. Les régions impliquées dans ces ruptures sont ciblées par FANCD2, qui participe à la résolution de l'ADN sous-répliqué pendant la mitose, empêchant ainsi la mauvaise ségrégation des chromosomes et permettant aux cellules de continuer à proliférer. Je montre également que FANCD2 favorise la synthèse d'ADN mitotique qui dépend des MUS81 et XPF. La déplétion concomitante de FANCD2 et SETX inhibe la prolifération cellulaire, un effet qui semblerait spécifique des cellules transformées. Par conséquent, l’interaction létale synthétique entre SETX et FANCD2 que j'ai découverte pourrait être exploitée dans le traitement du cancer.