The Spatiotemporal Program of DNA Replication Is Associated with Specific Combinations of Chromatin Marks in Human Cells

Abstract

The duplication of mammalian genomes is under the control of a spatiotemporal program that orchestrates the positioning and the timing of firing of replication origins. The molecular mechanisms coordinating the activation of about predicted origins remain poorly understood, partly due to the intrinsic rarity of replication bubbles, making it difficult to purify short nascent strands (SNS). The precise identification of origins based on the high-throughput sequencing of SNS constitutes a new methodological challenge. We propose a new statistical method with a controlled resolution, adapted to the detection of replication origins from SNS data. We detected an average of 80,000 replication origins in different cell lines. To evaluate the consistency between different protocols, we compared SNS detections with bubble trapping detections. This comparison demonstrated a good agreement between genome-wide methods, with 65% of SNS-detected origins validated by bubble trapping, and 44% of bubble trapping origins validated by SNS origins, when compared at the same resolution. We investigated the interplay between the spatial and the temporal programs of replication at fine scales. We show that most of the origins detected in regions replicated in early S phase are shared by all the cell lines investigated whereas cell-type-specific origins tend to be replicated in late S phase. We shed a new light on the key role of CpG islands, by showing that 80% of the origins associated with CGIs are constitutive. Our results further show that at least 76% of CGIs are origins of replication. The analysis of associations with chromatin marks at different timing of cell division revealed new potential epigenetic regulators driving the spatiotemporal activity of replication origins. We highlight the potential role of H4K20me1 and H3K27me3, the coupling of which is correlated with increased efficiency of replication origins, clearly identifying those marks as potential key regulators of replication origins.

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.…”

“…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. En fonction des protocoles et des types cellulaires entre 50 000 et 200 000 origines sont identifiées [4][5][6][7][8][9][10]. Leur nombre pourrait toutefois être encore plus important car certaines origines pourraient ne pas être activées de manière suffisamment robuste ou fréquente pour être détectées sans ambiguïté expérimen-talement.…”

“…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].…”

“…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.…”