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Communiqué

L’équipe « Réparation et recombinaison de l’ADN chez Arabidopsis » dirigée par Marie-Pascale Doutriaux a mené de front plusieurs projets de recherche en lien avec le métabolisme de l’ADN, et plus spécifiquement, avec la réparation des cassures double-brin et l’étude de la relation de ces cassures avec la recombinaison homologue. Ces recherches avaient un but à la fois fondamental et plus appliqué, puisque l’un des objectifs du groupe était de comprendre pourquoi le ciblage de gène n’est possible qu’à de très faibles fréquences chez les plantes dites supérieures alors qu’il est efficace chez d’autres organismes.

L’une des thématiques majeures de l’équipe a concerné la caractérisation de protéines impliquées dans la recombinaison méiotique, qui s’initie par la formation de cassures double-brin générée pour l’essentiel par la protéine SPO11, et la réparation d’une partie de ces cassures par un processus de recombinaison entre chromosomes homologues. L’équipe a ainsi été la première à isoler, chez une plante, les protéines RAD51 et DMC1, qui jouent un rôle central dans la réparation des cassures. Une contribution particulièrement importante a été la découverte de la fonction méiotique de la protéine BRCA2, originellement identifiée chez les mammifères pour son rôle dans la prédisposition au cancer du sein. Cette protéine était connue chez les animaux pour interagir avec RAD51, mais étant essentielle à la viabilité de l’organisme, son rôle méiotique n’avait pu être exploré. Les mutants brca2 d’Arabidopsis étant quant-à-eux parfaitement viables, MP Doutriaux et son équipe ont ainsi pu mettre en évidence la fonction méiotique de cette protéine

Ce résultat pionnier (publié dans EMBO J. en 2004) a eu un fort retentissement dans la communauté scientifique. Il a fait l’objet d’un commentaire dans Trends in Cell Biology dès l’année de sa publication, et a conduit à de très nombreuses publications montrant que la fonction de BRCA2, découverte pour la première fois chez les plantes, était conservée chez les animaux, de la drosophile aux mammifères en passant par le Zebrafish.

Ces travaux illustrent de manière éclatante le fait que les plantes représentent des modèles plus que pertinents dans l’étude de processus fondamentaux conservés chez l’ensemble des eucaryotes.
En parallèle, des approches de type « Evo/Devo » ont permis à l’équipe de mettre en évidence des différences dans la machinerie impliquée dans la recombinaison homologue chez la mousse Physcomitrella patens (organisme chez lequel le ciblage de gène est possible) et Arabidopsis thaliana (chez qui comme chez toutes les angiospermes le ciblage de gène est inefficace). Ces recherches ouvrent des pistes prometteuses pour l’amélioration du ciblage génique chez les plantes.
Ainsi, bien que le groupe ait dû interrompre son activité, les connaissances et outils qu’il a générés sont exploités par de nombreux groupes au sein de l’Institut et dans l’ensemble de la communauté scientifique.

Entre 2005 et 2013, ont fait partie de cette équipe, entre autres :
Fabien Delacote (Postdoc), Eloïse Dray (Doctorante), Emeline Dubois (Doctorante), Ariane Gratias-Weill (Maître de Conférences), Lina Lezhneva (Postdoc), Sophie Massot (Technicienne), Nicolas Siaud (Doctorant et Postdoc)…. ainsi que de très nombreux stagiaires !

The « DNA repair and recombination » group headed by Marie-Pascale Doutriaux developed several projects related to DNA metabolism and more specifically with double-strand break repair and homologous recombination. These projects combined basic science and applied goals since one of their objectives was to understand why gene targeting is so difficult to achieve in higher plants.
One of the main topics studied in the group has been the functional analysis of factors involved in the repair of programmed double-strand breaks created by the SPO11 nuclease during meiosis, and allow the repair of some of these breaks via inter-chromosomal homologous recombination. The group was the first to identify plant homologues of the RAD51 and DMC1 proteins that play a central role in this repair process. One major finding has been the discovery of the meiotic role of the BRCA2 protein. Indeed, this factor is essential to cell viability in animals and its meiotic function could thus not be explorer. Because Arabidopsis brca2 mutants are viable, M.P. Doutriaux and her group were able to demonstrate its involvement during meiosis.

This pioneer result (published in EMBO J. in 2004) had an impressive impact in the scientific community : a comment appeared in Trends in Cell Biology shortly after its publication, and several articles have since demonstrated that this meiotic function first identified in plants is conserved in animals from drosophila to mammals. This particular example perfectly demonstrates that plants are relevant models to decipher basic cellular mechanisms in eukaryotes.

In parallel, the group analysed the evolutionary conservation of recombination proteins to determine whether functional differences may explain why gene targeting occurs frequently in the moss Physcomitrella patens but not in the so-called higher plants. Their findings open promising research prospects towards the improvement of gene targeting in plants.
Although the group had to stop its activities, the knowledge and tools they generated are at the basis of research carried out in other groups of the Institute and world-wide.

Former group members include :
Fabien Delacote (Post-doc), Eloïse Dray (PhD), Emeline Dubois (PhD), Ariane Gratias-Weill (Assistant Professor), Lina Lezhneva (Postdoc), Sophie Massot (Technician), Nicolas Siaud (PhD and postdoc)…. And many interns !

Publications

Dumont M, Massot S, Doutriaux MP, Gratias A. (2011) Characterization of Brca2-deficient plants excludes the role of NHEJ and SSA in the meiotic chromosomal defect phenotype. PLoS One. 6(10) : e26696

Dubois E, Córdoba-Cañero D, Massot S, Siaud N, Gakière B, Domenichini S, Guérard F, Roldan-Arjona T, Doutriaux MP. (2011) Homologous recombination is stimulated by a decrease in dUTPase in Arabidopsis. PLoS One. 6(4):e18658.

Schaefer, D.G., Delacote, F., Charlot, F., Vrielynck, N., Guyon-Debast, A., Le Guin, S., Neuhaus, J.M., Doutriaux, M.P., and Nogue, F. (2010). RAD51 loss of function abolishes gene targeting and de-represses illegitimate integration in the moss Physcomitrella patens. DNA Repair (Amst) 9, 526-533.

Siaud N, Dubois E, Massot S, Richaud A, Dray E, Collier J, Doutriaux MP. (2010) The SOS screen in Arabidopsis : a search for functions involved in DNA metabolism. DNA Repair (Amst). 9(5):567-78.

Córdoba-Cañero D, Dubois E, Ariza RR, Doutriaux MP, Roldán-Arjona T. (2010) Arabidopsis uracil DNA glycosylase (UNG) is required for base excision repair of uracil and increases plant sensitivity to 5-fluorouracil. J Biol Chem. 285(10):7475-83.

Ronceret A, Doutriaux MP, Golubovskaya IN, Pawlowski WP. (2009) PHS1 regulates meiotic recombination and homologous chromosome pairing by controlling the transport of RAD50 to the nucleus. Proc Natl Acad Sci U S A. 106(47):20121-6.

Chelysheva L, Gendrot G, Vezon D, Doutriaux MP, Mercier R, Grelon M. (2007) Zip4/Spo22 is required for class I CO formation but not for synapsis completion in Arabidopsis thaliana. PLoS Genet. 3(5):e83.

Dray E, Siaud N, Dubois E, Doutriaux MP. (2006) Interaction between Arabidopsis Brca2 and its partners Rad51, Dmc1, and Dss1. Plant Physiol. 140(3):1059-69.

Mercier R, Jolivet S, Vezon D, Huppe E, Chelysheva L, Giovanni M, Nogué F, Doutriaux MP, Horlow C, Grelon M, Mézard C. (2005) Two meiotic crossover classes cohabit in Arabidopsis : one is dependent on MER3,whereas the other one is not. Curr Biol. 15(8):692-701.

Siaud N, Dray E, Gy I, Gérard E, Takvorian N, Doutriaux MP. (2004) Brca2 is involved in meiosis in Arabidopsis thaliana as suggested by its interaction with Dmc1. EMBO J. 23(6):1392-401.

Horlow, C., and Doutriaux, M.P. (2003). [Molecular mechanisms of meiosis in plants]. Med Sci (Paris) 19, 717-723.

Brun, F., Gonneau, M., Doutriaux, M.P., Laloue, M., and Nogue, F. (2001). Cloning of the PpMSH-2 cDNA of Physcomitrella patens, a moss in which gene targeting by homologous recombination occurs at high frequency. Biochimie 83, 1003-1008.

Ade, J., Belzile, F., Philippe, H., and Doutriaux, M.P. (1999). Four mismatch repair paralogues coexist in Arabidopsis thaliana : AtMSH2, AtMSH3, AtMSH6-1 and AtMSH6-2. Mol Gen Genet 262, 239-249.

Couteau F, Belzile F, Horlow C, Grandjean O, Vezon D, Doutriaux MP. (1999) Random chromosome segregation without meiotic arrest in both male and female meiocytes of a dmc1 mutant of Arabidopsis. Plant Cell. 11(9):1623-34.

Perennes, C., Glab, N., Guglieni, B., Doutriaux, M.P., Phan, T.H., Planchais, S., and Bergounioux, C. (1999). Is arcA3 a possible mediator in the signal transduction pathway during agonist cell cycle arrest by salicylic acid and UV irradiation ? J Cell Sci 112 ( Pt 8), 1181-1190.

Doutriaux MP, Couteau F, Bergounioux C, White C. (1998) Isolation and characterisation of the RAD51 and DMC1 homologs from Arabidopsis thaliana. Mol Gen Genet. 257(3):283-91.

Damagnez, V., Doutriaux, M.P., and Radman, M. (1989). Saturation of mismatch repair in the mutD5 mutator strain of Escherichia coli. J Bacteriol 171, 4494-4497.

Doutriaux, M.P., Wagner, R., and Radman, M. (1986). Mismatch-stimulated killing. Proc Natl Acad Sci U S A 83, 2576-2578.

Radman, M., Dohet, C., Jones, M., Doutriaux, M.P., Laengle-Rouault, F., Maenhaut-Michel, G., and Wagner, R. (1985). Processing of mispaired and unpaired bases in heteroduplex DNA in E. coli. Biochimie 67, 745-752.

Wagner, R., Dohet, C., Jones, M., Doutriaux, M.P., Hutchinson, F., and Radman, M. (1984). Involvement of Escherichia coli mismatch repair in DNA replication and recombination. Cold Spring Harb Symp Quant Biol 49, 611-615.