Insights into the mechanism of DNA double-strand breaks and classic NHEJ by single-molecule magnetic tweezers
Institution:
Université de Paris (2019-....)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Repairing DNA double-strand breaks (DSBs) by non-homologous end-joining (NHEJ) requires multiple proteins to recognize and bind DNA ends, process them for compatibility, and ligate them together. We constructed novel DNA substrates for single-molecule nano-manipulation allowing us to mechanically detect, probe, and rupture in real-time DSB synapsis by specific human NHEJ components. DNA-PKcs and Ku allow DNA end synapsis on the sub second timescale, and addition of PAXX extends this lifetime to ~2s. Further addition of XRCC4, XLF and Ligase IV resulted in minute-scale synapsis and led to robust repair of both strands of the nanomanipulated DNA. In contrast with PAXX, a long non-coding RNA LINP1 can also help DNA-PK to tether DNA ends together, which could be more required when DNA ends falling apart in distance. Moreover, we also interrogate the bacteria Bacillus subtilis NHEJ system, which just composed Ku and Ligase D, bacteria Ku also can tether DNA together and introducing the Ligase D strengthen the synapsis and lead to ligation. The energetic contribution of the different components to synaptic stability is typically small, on the scale of a few kCal/mol. Our combined results define assembly rules for NHEJ machinery and unveil the importance of weak interactions, rapidly ruptured even at sub-picoNewton forces, in regulating this multicomponent chemomechanical system for genome integrity. Moreover, we also identify a novel the DNA double strand cleavage pattern regulated by Cas9 PAM. In sum, this PhD work investigates the DSB generation and the detailed process from DNA end tethering to ligation.
Abstract FR:
La réparation des coupures de double brin (DSB) de l'ADN par une jonction d'extrémité non homologue (NHEJ) nécessite de multiples protéines pour reconnaître et lier les extrémités de l'ADN, les traiter pour des raisons de compatibilité et les lier ensemble. Nous avons construit de nouveaux substrats d'ADN pour la nano-manipulation à une seule molécule nous permettant de détecter, de sonder et de rompre mécaniquement la synapsis du DSB en temps réel par des composants spécifiques du NHEJ humain. DNA-PKcs et Ku permettent la synapsis des extrémités de l'ADN à une échelle de temps inférieure à la seconde, et l'ajout de PAXX étend cette durée de vie à ~ 2 secondes. Une addition supplémentaire de XRCC4, XLF et Ligase IV a entraîné une synapsis à l'échelle minute et conduit à une réparation robuste des deux brins de l'ADN nanomanipulé. Contrairement à PAXX, un long ARN non codant LINP1 peut également aider la DNA-PK à attacher ensemble les extrémités de l'ADN, ce qui pourrait être plus nécessaire lorsque les extrémités de l'ADN se séparent. De plus, nous interrogeons également le système bactérien Bacillus subtilis NHEJ, qui vient de composer Ku et la ligase D, la bactérie Ku peut également lier l’ADN et introduire la Ligase D renforcer la synapsis et conduire à la ligature. La contribution énergétique des différents composants à la stabilité synaptique est généralement faible, à l’échelle de quelques kCal / mol. Nos résultats combinés définissent les règles d’assemblage des machines NHEJ et révèlent l’importance des interactions faibles, rapidement rompues même sous des forces sous-picoNewton, dans la régulation de ce système chimico-mécanique à plusieurs composants pour l’intégrité du génome. De plus, nous identifions également un nouveau modèle de clivage à double brin d’ADN régulé par Cas9 PAM. En résumé, ce travail de thèse porte sur la génération DSB et le processus détaillé allant de la connexion de l’ADN à la ligature.