DNA replication origin activation in space and time

Abstract

DNA replication begins with the assembly of pre-replication complexes (pre-RCs) at thousands of DNA replication origins during the G1 phase of the cell cycle. At the G1-S-phase transition, pre-RCs are converted into pre-initiation complexes, in which the replicative helicase is activated, leading to DNA unwinding and initiation of DNA synthesis. However, only a subset of origins are activated during any S phase. Recent insights into the mechanisms underlying this choice reveal how flexibility in origin usage and temporal activation are linked to chromosome structure and organization, cell growth and differentiation, and replication stress.

Comment l’approche génomique aide à comprendre le processus d’initiation de la réplication

“…Ainsi, fondé sur l'analyse de brins d'ADN ou de radio-marquage, 30 000 origines seraient utilisées à chaque cycle cellulaire pour permettre la réplication du génome humain [3]. Il n'existe, pour l'heure, pas d'explication satisfaisante permettant de rendre compte du fait que seule une infime partie des origines prédites soit utilisée dans chaque cellule [2]. Il est proposé que la cellule active, de manière aléatoire, un nombre limité d'origines ( 30 000) au sein d'une population plus importante d'origines potentielles (> 50 000).…”

“…Ces origines, normalement inactives, seraient ainsi activées en cas de défaut de synthèse de l'ADN, au cours de la phase S, pour permettre une ré-initiation de la réplication en aval d'une fourche de réplication défectueuse. À l'heure actuelle, le débat reste ouvert entre ces deux interprétations qui sont, par ailleurs, mutuellement compatibles [2]. [7] [9]).…”

“…Certaines modifications de ces histones jouent un rôle clé à différentes étapes de (Figure 2A) [5,6,8,10]. Cette observation fait écho à de nombreux travaux démontrant que les régions répliquées au début de phase S sont généralement riches en gènes transcrits et en zones de chromatine ouverte [2,3]. Par une approche de modélisation mathématique, nous avons montré que la distribution hétérogène des sites ORC2 sur le génome et une activation purement aléatoire de l'initiation à certains de ces sites ORC2 au cours de la phase S, permettent de rendre compte du programme temporel de réplication que l'on observe expérimentalement [10].…”

“…De fait, l'extrapolation de nombreuses observations d'un système cellulaire (ou animal) à l'autre se révèle hasar- La réplication de l'ADN dépend de l'assemblage, au niveau de régions particulières du génome appelées origines de réplication, de plusieurs complexes multiprotéiques essentiels au recrutement des polymérases de l'ADN. Cet assemblage se réalise dans un ordre bien précis et de manière finement régulée au cours du cycle cellulaire pour permettre l'initiation de la réplication lors de la phase S, l'activation des origines une seule fois par cycle, et de manière temporelle au cours de la phase S [1,2]. Chez les eucaryotes, l'étape initiale consiste en l'assemblage du complexe de pré-réplication (pré-RC) au cours de la phase G1 du cycle cellulaire.…”

“…Chez les eucaryotes, l'étape initiale consiste en l'assemblage du complexe de pré-réplication (pré-RC) au cours de la phase G1 du cycle cellulaire. Ce complexe est formé par l'assemblage successif du complexe ORC1-6 (origin recognition complex [1][2][3][4][5][6], des protéines CDC6 (cell division cycle 6) et CDT1 (chromatin licensing and DNA replication factor 1), et finalement de deux complexes MCM2-7 (mini-chromosome maintenance 2-7) [1]. À l'entrée en phase S, l'activation des kinases CDK2 (cyclin dependent kinase 2) et CDC7 (cell division cycle 7-related protein kinase) conduit au recrutement des facteurs d'initiation de la réplication et à la duplication de l'ADN [1,2].…”