Modélisation de la recherche d’homologie lors de la réparation des cassures double brin de l’ADN par recombinaison homologue

Résumé de la thèse

La recombinaison homologue répare les cassures double brin de l'ADN en utilisant une séquence homologue intacte comme modèle. Ce donneur peut être la chromatide sœur, le chromosome homologue, ou l'une des nombreuses répétitions dispersées dans le génome. C'est une voie très conservée et centrale pour l'intégrité du génome. Quand elle devient défectueuse, elle peut recombiner avec des séquences répétées et produire des réarrangements structuraux, une instabilité qui peut être à l'origine de tumeurs.

Le point sensible de cette voie est la recherche d'homologie, qui se joue à deux niveaux. Au niveau moléculaire, un filament de protéines Rad51 assemblé sur l'ADN simple brin parcourt le génome à la recherche de séquences homologues. Il doit écarter une séquence sans homologie, ne pas se laisser piéger par un donneur quasi-homologue, et engager la réparation sur le seul donneur réellement homologue. Au niveau cytologique, il faut que la cassure et un donneur potentiel se retrouvent physiquement dans un noyau très encombré. Ce sont ces deux contraintes réunies qui décident quel donneur l'emporte. Le Hi-C et les approches moléculaires développées dans son laboratoire d'accueil permettent aujourd'hui de suivre en parallèle l'organisation spatiale du génome et certains intermédiaires stables de cette recherche.

Le projet de Nicolas MENDIBOURE vise à décrire ce mécanisme de façon quantitative, en mesurant le poids respectif des facteurs moléculaires et cytologiques dans le choix du donneur. Concrètement, il est premier auteur d'un logiciel dédié aux expériences de Hi-C spécifiques de l'ADN simple brin (Mendiboure et al., 2026, Bioinformatics), qui fait suite au travail expérimental de Dumont et al., 2024 (Molecular Cell), dont il est deuxième auteur. Il est aussi premier auteur d'un article (Mendiboure et al., 2026, bioRxiv, soumis) montrant comment les paralogues de Rad51 et la translocase Srs2 régulent l'engagement, la coordination et la portée de la recherche d'homologie, appuyé par un modèle stochastique du filament qu'il a développé.

Ces travaux alimentent le cœur de sa thèse. Il y développe SHERPA, un modèle de simulation qui réunit une quinzaine de paramètres pour représenter la recherche d'homologie du filament de Rad51 jusqu'à l'organisation du noyau, à plusieurs échelles et résolutions. Rejouer un grand nombre de fois le même processus permet d'isoler l'effet propre de chaque paramètre autant que leurs effets combinés, et de simuler des événements trop rapides ou trop rares pour être observés expérimentalement.

Ce travail devrait éclairer comment la cellule arbitre entre les donneurs disponibles pour réparer son génome, et comment cet arbitrage, une fois dérégulé, ouvre la voie à l'instabilité génomique.

Modelling homology search during DNA double-strand break repair by homologous recombination

Homologous recombination repairs DNA double-strand breaks by using an intact homologous sequence as a template. This donor can be the sister chromatid, the homologous chromosome, or one of the many dispersed repeats found throughout the genome. It is a highly conserved pathway that is central to genome integrity. When it becomes defective, it can recombine with repeated sequences and generate structural rearrangements, a form of genome instability that can contribute to tumor development.

One important step in this pathway is the search for homology, which takes place at two levels. At the molecular level, a filament of Rad51 proteins assembled on single-stranded DNA scans the genome for homologous sequences. It must reject a non-homologous sequence, avoid being trapped by a near-homologous donor, and engage repair with the truly homologous donor. At the cellular level, the DNA break and a potential donor must also come into physical proximity within a highly crowded nucleus. These two constraints together determine which donor is ultimately selected. Hi-C and the molecular approaches developed in his host laboratory now make it possible to study genome organization and some stable intermediates of the homology search in parallel.

Nicolas MENDIBOURE's project aims to describe this process quantitatively by measuring the respective contributions of molecular and cellular factors to donor selection. Specifically, He is the first author of a software package dedicated to single-strand DNA-specific Hi-C experiments (Mendiboure et al., 2026, Bioinformatics), which builds on the experimental work of Dumont et al., 2024 (Molecular Cell), on which he is a second author. He is also the first author of a manuscript (Mendiboure et al., 2026, bioRxiv, submitted) showing how Rad51 paralogs and the Srs2 translocase regulate the engagement, coordination, and reach of the homology search, supported by a stochastic model of the filament that he developed.

These studies form the basis of the core of his thesis. He is developing SHERPA, a simulation model that brings together around twenty parameters to represent the homology search, from the dynamics of the Rad51 filament to the organization of the nucleus, across multiple spatial scales and resolutions. Repeating the same process a large number of times makes it possible to isolate the effect of each parameter as well as their combined effects, and to simulate events that are too rapid or too rare to be observed experimentally.

This work should help clarify how the cell chooses among the available donors to repair its genome, and how this decision-making process, when disrupted, can lead to genome instability.