Genome-wide CRISPR screens for the interrogation of genome integrity maintenance networks

Le matériel génétique (l’ADN) d’un organisme contient l’information nécessaire à sa survie, sa croissance et sa reproduction. La perte de cette information affecte grandement la santé de l’organisme et cette altération est l’un des facteurs les plus courants dans le vieillissement ou le cancer. Quasiment toutes les cellules d’un organisme contiennent une copie de ce matériel génétique, communément appelé le génome, et font usage de plusieurs mécanismes pour en réparer les sections endommagées ainsi que pour le copier avec précision lors de la division cellulaire. Nous avons cherché à étudier les processus cellulaires qui maintiennent la stabilité génomique en inactivant systématiquement chacun des gènes avec la technique de criblage par CRISPR afin d’en étudier les rôles. Nous avons effectué ces criblages à l’échelle du génome dans des lignées cellulaires humaines en combinaison avec des perturbations chimiques dans le but d’identifier l’effet du traitement chimique ou le rôle de gènes qui exacerbent ou atténuent la perturbation. Nous nous sommes d’abord concentrés sur le resvératrol, une molécule initialement extraite de plantes qui a démontré des propriétés antivieillissement dans certains organismes modèles ainsi que la capacité d’inhiber la prolifération cellulaire. Notre criblage génétique a révélé que le resvératrol inhibait la réplication de l’ADN. En comparant les effets cellulaires du resvératrol à l’hydroxyurée, un agent connu pour causer du stress réplicatif, nous avons montré que ces deux traitements menaient à une diminution similaire de la progression de la fourche de réplication ainsi qu’à une activation de la signalisation en réponse au stress réplicatif. Nous avons également démontré que l’inhibition de la réplication de l’ADN dans les cellules humaines par le resvératrol est l’un des effets principaux de la molécule sur la prolifération cellulaire et ne requiert pas la présence de la déacétylase d’histone Sirtuin-1, protéine qui a été suggérée comme étant la cible principale du resvératrol pour son effet antivieillissement. Nous avons également étudié la perturbation d’un second processus cellulaire, soit le maintien des télomères. Ces séquences spéciales aux extrémités des chromosomes sont indispensables à la protection du génome et leur érosion graduelle est contrebalancée par l’activité enzymatique de la télomérase. Nous avons effectué un crible génétique par CRISPR à l’échelle du génome dans une lignée cellulaire dont nous avons inhibé la télomérase en utilisant BIBR1532, un inhibiteur spécifique de la télomérase. Nous avons découvert une forte interaction génétique entre la télomérase et C16orf72, un gène non-annoté que nous avons nommé TAPR1. Nous avons montré que les cellules déficientes en TAPR1 possèdent des niveaux élevés de la protéine p53, un facteur de transcription central à la réponse cellulaire aux dommages télomériques et aux dommages à l’ADN. Nous suggérons que TAPR1 agit comme un inhibiteur de la stabilité protéique de p53. En somme, ces travaux mettent en évidence la capacité des cribles génétiques CRISPR à approfondir nos connaissances sur le fonctionnement des processus de maintien de la stabilité génomique chez l’humain. The genetic material (DNA) of an organism contains the necessary information for survival, growth and reproduction. Loss of this information strongly impacts the health of the organism and is the leading factor in aging and cancer. Almost all cells in an organism contain a copy of said genetic material (genome) and employ several mechanisms to repair any damaged section of the genome and to accurately copy it during cell division. We sought to understand the cellular processes by which cells maintain genome stability by systematically inactivating individual genes to uncover their role using pooled CRISPR-Cas9 screening. We employed genome-wide CRISPR screening in human cell lines in combination with specific chemical perturbations to identify gene deletions that enhance or suppress the phenotype of the chemical treatment, thereby shedding light on the effect of the treatment or the role of said enhancer/suppressor genes. We first focused on resveratrol; a small molecule first discovered in plants that has been suggested to extend lifespan in model organisms while also inhibiting cell proliferation ex vivo. Chemical-genetic screening pinpointed a role of resveratrol in inhibition of DNA replication. When we compared the cellular effects of resveratrol to hydroxyurea, a known inducer of replicative stress, we found that both treatments led to slower replication fork progression and activation of signaling in response to replicative stress. Importantly, we showed that the inhibition of DNA replication by resveratrol in human cells is a primary effect on cell proliferation and independent of the histone deacetylase Sirtuin-1, which has been implicated as the primary target in lifespan extension by resveratrol. We then studied the perturbation of a second cellular process, namely telomere maintenance. These specialized sequences at the termini of chromosomes are critical for the protection of chromosome ends and their erosion is counteracted by the enzymatic activity of telomerase. We performed a genome-wide CRISPR screen in cells that were concomitantly treated with a specific telomerase inhibitor, BIBR1532. We uncovered a strong genetic interaction between telomerase and a previously unannotated gene, C16orf72, which we named TAPR1. We found that TAPR1-depleted cells led to elevated p53 levels, a transcription factor central for the cellular response to telomeric and global DNA damage. We propose that TAPR1 is a negative regulator of p53 protein levels by promoting its turnover. Altogether, these studies highlight the power of CRISPR-Cas9 in genetic screening to uncover novel insight into the human genome stability maintenance network.

Keyphrases: criblage génétique, réplication de l’ADN, stress réplicatif, resvératrol, C16orf72, p53, prolifération cellulaire, CRISPR-Cas9, telomères, inhibition de la télomérase, C16orf72, p53, genome-wide screen, DNA replication, telomeres, telomerase inhibition, replicative stress, resveratrol, cell proliferation