Genome-wide studies highlight indirect links between human replication origins and gene regulation

Abstract

To get insights into the regulation of replication initiation, we systematically mapped replication origins along 1% of the human genome in HeLa cells. We identified 283 origins, 10 times more than previously known. Origin density is strongly correlated with genomic landscapes, with clusters of closely spaced origins in GC-rich regions and no origins in large GC-poor regions. Origin sequences are evolutionarily conserved, and half of them map within or near CpG islands. Most of the origins overlap transcriptional regulatory elements, providing further evidence of a connection with gene regulation. Moreover, we identify c-JUN and c-FOS as important regulators of origin selection. Half of the identified replication initiation sites do not have an open chromatin configuration, showing the absence of a direct link with gene regulation. Replication timing analyses coupled with our origin mapping suggest that a relatively strict origintiming program regulates the replication of the human genome.chromatin structure ͉ DNA replication origin ͉ ENCODE regions ͉ genome-wide mapping ͉ CpG island C ontrolling the number of origins from which replication begins in a given chromosome is necessary to protect it from instability (1, 2). Mapping DNA replication starting points, known as ''origins of replication,'' would make a large contribution to understanding how genome replication is coordinated. Identification of a large number of replication origins is necessary to decipher the rules of origin specification. However, fewer than 30 origins have been identified in human cells (3), and they were mapped mostly in well-characterized transcribed regions, leaving gene-poor regions unexplored. The Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) project (4), launched to develop high-throughput methods for identifying functional elements, now provides a comprehensive view of gene expression and chromatin structure along 1% of the human genome (30 Mb, 44 regions) (5); it thus provides a powerful model for studying interactions among chromosome organization, gene regulation, and initiation of DNA replication. Origin selection is initiated by the binding of the origin recognition complex (ORC) to origin-proximal DNA sequences (6). In contrast to Saccharomyces cerevisiae, characterized metazoan origins do not conform to a clear consensus sequence, and the ORCs from higher eukaryotes exhibit no sequence specificity in vitro (7). Transcription factors at sites of replication initiation have been shown to stimulate replication in many systems, including viruses, yeast, Drosophila, and Xenopus (8, 9). This stimulation may be a consequence of direct interaction with components of the replication machinery or of facilitating the access of the replication complexes to DNA through recruitment of chromatin remodeling complexes (10-12). Here we present a high-resolution map of replication origins in HeLa cells based on hybridization of short nascent strands (SNS) on DNA microarrays covering ENCODE regions. To construct this map we use one of the most string...

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

“…Il est ainsi possible de purifier les bulles de réplication qui se forment aux origines, lors de l'initiation de la réplication, de purifier les segments d'ADN nouvellement synthétisés dans la bulle (SNS), de purifier les fragments d'Okazaki [41] (➜), ou de purifier les séquences ADN liées par le complexe ORC (Figure 1). Couplées à un séquençage en masse et une analyse informatique, ces approches permettent d'identifier les zones d'initiation de la réplication et de liaison du facteur ORC dans le génome humain, dans différents types cellulaires et en réponse à différentes conditions environnementales [4][5][6][7][8][9][10]. Chez l'homme, l'ensemble des études indique que les origines de répli-cation se présentent sous forme de zones, de quelques kilobases, bien définies sur le génome.…”

“…Ainsi, l'initiation de la réplication se produit dans des régions (ou zones) particulières et de manière bidirectionnelle. Les origines de réplication sont souvent associées à des éléments régulateurs de la transcription, comme les promoteurs et les séquences cis-régulatrices, suggérant que les mécanismes impliqués dans la régulation de la transcription pourraient également s'appliquer à la régulation de l'initiation de la réplication [4][5][6][7][8][9][10]. Une analyse plus approfondie des données démontre, toutefois, que les mécanismes de recrutement du complexe ORC et d'initiation de la réplication diffèrent d'une espèce à l'autre [3].…”

“…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].…”

“…Pourtant aucun motif ADN ne reflète, de manière globale, la distribution de ces origines, suggérant que des facteurs de la chromatine ou de la transcription puissent être impliqués. Il existe ainsi une concordance entre sites d'initiation de la réplication et séquences cis-régulatrices de la transcription, notamment les sites promoteurs des gènes [4][5][6][7][8][9][10]. En effet, près de 30 % des sites d'initiation de réplication et des sites ORC sont retrouvés à proximité de promoteurs ( Figure 3A) ou de séquences cis-régulatrices de gènes ( Figure 3B).…”

“…Une caractéristique commune aux promoteurs, aux régions cis-régulatrices et aux sites d'initiation de la réplication, est la structure chromatinienne retrouvée dans ces régions. Celle-ci est souvent ouverte, les séquences ADN sont donc accessibles et de nombreux facteurs de transcription y sont liés ( Figure 3C) [4][5][6][7][8][9][10]16]. Bien qu'aucun ne soit détecté au niveau de l'ensemble des origines de réplication prédites, les facteurs de transcription pourraient cependant jouer un rôle clé dans l'initiation de la réplication.…”