Abstract
Telomeres, the natural ends of chromosomes, need to be protected from chromosome end fusions, aberrant homologous recombination and degradation. In humans, chromosome ends are specified through arrays of tandemly repeated 5'-TTAGGG-3' hexamers, ending in a 3' overhang. A complex formed by the six proteins TRF1, TRF2, hRap1, TIN2, TPP1 and POT1 specifically assocìates with and protects telomeres. Telomeres are maintained by semiconservative DNA replication and by a specialized reverse transcriptase, telomerase, that carries an RNA subunit which templates new telomeric repeat synthesis. The telomeric single stranded (ss) DNA binding protein POT1 protects the telomeric 3' overhang and modulates telomerase-mediated telomere elongation. It is possible that POT1 also influences DNA synthesis during semiconservative DNA replication, which is initiated by the DNA polymerase alpha-primase complex. The heterotrimeric ss DNA-binding protein RPA plays essential roles during DNA replication. RPA binds to ss DNA with high affinity in order to stabilize ss DNA and facilitate nascent strand synthesis at the replication fork. Here we investigate how the two proteins RPA and POT1 contribute to telomere maintenance by regulating semi-conservative DNA replication and telomerase. Using chromatin immunoprecipitation experiments, we show that RPA associates with telomeres during S-phase. Analysis of telomere structure in cells shRNA-depleted for RPA and POT1 reveals that loss of RPA and POT1 causes exposure of single-stranded DNA at telomeres, suggestive of incomplete DNA replication. Biochemical experiments using purified recombinant POT1 and RPA show that saturating telomeric oligonucleotides with POT1 or RPA reduces the primase activity of the DNA polymerase alpha-primase complex and the overall activity of telomerase. POT1 and RPA also increase the primer extension by DNA polymerase alpha-primase complex and the processivity of telomerase under certain conditions, although POT1 increases the activities to a greater extent than RPA.
We propose that POT1 is required for proper replication of the lagging strand of telomeres and that some phenotypes observed in POT1-depleted cells may stern from incomplete DNA replication rather than de-protection of the single-stranded overhang.
Résumé
Les télomères, les extrémités normales des chromosomes linéaires, doivent être protégés des fusions chromosomiques, d'événements de recombinaison homologue aberrants et de phénomènes de dégradation. Chez l'Homme, les extrémités des chromosomes sont constitués d'ADN double brin répétitif de séquence 5'-TTAGGG-3', d'une extension simple brin 3' sortante et d'un complexe protéique formé des six facteurs TRF1, TRF2, hRap1, TIN2, TPP1 et POT1 qui, s'associant à cette séquence, protègent l'ADN télomèrique. Les télomères sont maintenus par la télomérase, une transcriptase inverse capable d'allonger l'extension 3' sortante télomérique. POT1 lie l'ADN simple brin télomérique et module l'élongation des télomères par la télomérase. POT1 pourrait en théorie également influencer la réplication semi-conservative de l'ADN. L'ADN-polymérase Pal alpha-primase amorce et initie la synthèse d'ADN. Pendant la réplication, l'ADN simple brin est stabilisé par RPA, un complexe hétérotrimèrique qui lie l'ADN simple brin. RPA facilite la synthèse du brin naissant à la fourche de réplication. Ici nous avons étudié comment ces deux protéines qui lient l'ADN simple brin, RPA et POT1, régulent la réplication des télomères par la télomérase et la machinerie classique de réplication de l'ADN.
Par immunoprécipitation de chromatine (ChIP), nous montrons que RPA est localisé aux télomères lors de la phase S du cycle cellulaire. De plus, l'analyse de la structure des télomeres indique que !a perte de RPA ou de POT1 conduit à l'apparition d'ADN simple brin télomérique, suggérant une réplication incomplète de l'ADN télomérique in vivo. Par une approche complémentaire biochimique utilisant les protéines POT1 et RPA recombinantes purifiées, nous montrons également que la liaison de POT1 ou de RPA à des oligonucléotides télomériques bloque l'activité primase du complexe polymérase alpha/primase et réduit l'activité télomérase sur ces substrats. En revanche, leur liaison augmente l'activité ADN-polymérase du complexe polymérase alpha/primase, ainsi que fa processivité de la télomérase dans certaines conditions, POT1 étant le plus efficace des deux facteurs.
Nous proposons que POT1 est nécessaire à la réplication du brin retardé au niveau des télomères, ce qui suggère que certains phénotypes des cellules déplétés en POT1 puissent résulter d'une réplication incomplète de l'ADN télémétrique plutôt que d'une déprotection de l'extrémité sortante des télomères.