Role of SAMHD1 in the replication stress response and in the production of type I IFNs

DNA replication is an utterly complex process, implicating thousands of replication forks that progress along chromosomes. These forks frequently slow-down or stall when they encounter obstacles such as DNA secondary structures, proteins acting on chromatin or a lack of dNTPs. Such impediment on the progression of replication forks, termed replication stress, plays a major role in tumorigenesis. Intricate processes, still not entirely understood, are established to respond to this stress. For instance, nucleases such as DNA2 and MRE11 degrade nascent DNA at arrested forks to allow their restart.The interferon pathway is a defense mechanism against pathogens that detects non-self-nucleic acids in the cytosol to activate the innate immune response. However, DNA fragments originating from the metabolism of genomic DNA, such as DNA repair and retrotransposition, may also diffuse into the cytosol to activate this pathway. The Aicardi-Goutières Syndrome (AGS), a rare genetic disorder characterized by neurological and developmental defects is caused by chronic inflammation due to the over-production of type I IFNs. It has been proposed that DNA replication may generate cytosolic DNA fragments triggering this encephalopathy. However, the mechanisms involved have remained unexplored.SAMHD1 is frequently mutated in the Aicardi-Goutières Syndrome as well as in some cancers. However, its role in the etiology of these diseases remains poorly understood. This HIV-1 restriction factor has a dNTPase activity involved in the regulation of dNTP pools and a putative 3’-5’ exonuclease activity.The goal of my PhD thesis was to understand the molecular mechanisms responsible for inflammation induced by SAMHD1 deficiency.We show that cytosolic DNA accumulates in SAMHD1-deficient cells, especially in conditions of replication stress, activating the interferon response. In addition, we demonstrate that SAMHD1 is necessary for DNA replication and for the processing of arrested forks, independently of its dNTPase activity. SAMHD1 stimulates the exonuclease activity of MRE11 in vitro. In the absence of SAMHD1, nascent DNA degradation is inhibited, preventing replication checkpoint activation and fork restart. Besides, forks are aberrantly processed by an alternative pathway that generates cytosolic DNA fragments, thereby activating the interferon response.Altogether, we demonstrate for the first time a direct link between the DNA replication stress response and interferon production. This result has important consequences regarding our understanding of the Aicardi-Goutières Syndrome and cancers caused by SAMHD1 mutations, which could be translated into new therapeutic opportunities. For instance, we have shown that MRE11 and RECQ1 are responsible for the production of DNA fragments triggering the pro-inflammatory response in SAMHD1-deficient cells. Inhibiting these enzymes decreases the production of cytosolic nucleic acids and, consequently, reduces the activation of cell-autonomous innate immunity in SAMHD1-depleted cells. Accordingly, inhibiting these enzymes may as well decrease IFN production in AGS in vivo models caused by SAMHD1 mutations. The interferon pathway also plays a major role in tumorigenesis as well as in the clinical efficacy of irradiation and some chemotherapeutic agents such as oxaliplatin. Modulating this response may therefore have much broader implications in anti-cancer therapy.; La réplication de l’ADN est un processus extrêmement complexe, impliquant des milliers de fourches de réplication progressant le long des chromosomes. Ces fourches sont fréquemment ralenties ou arrêtées par différents obstacles, tels que des structures secondaires de l’ADN, des protéines agissant sur la chromatine ou encore un manque de nucléotides. Ce ralentissement, qualifié de stress réplicatif, joue un rôle central dans le développement tumoral. Des processus complexes, qui ne sont pas encore totalement connus, sont mis en place pour répondre à ce stress. Certaines nucléases, comme MRE11 et DNA2, dégradent l’ADN néorépliqué au niveau des fourches bloquées, ce qui permet le redémarrage des réplisomes.La voie interféron est un mécanisme de défense contre les agents pathogènes qui détecte la présence d’acides nucléiques étrangers dans le cytoplasme et active la réponse immunitaire innée. Des fragments d’ADN issus du métabolisme de l’ADN génomique (réparation, rétrotransposition) peuvent diffuser dans le cytoplasme et activer cette voie. Une manifestation pathologique de ce processus est le syndrome d’Aicardi-Goutières, une maladie rare caractérisée par une inflammation chronique générant des problèmes neurodégénératifs et développementaux. Dans le cadre de cette encéphalopathie, il a été suggéré que la réplication de l’ADN pouvait générer des fragments d’ADN cytosoliques, mais les mécanismes impliqués n'avaient pas été caractérisés.SAMHD1 est fréquemment muté dans le syndrome d’Aicardi-Goutières ainsi que dans certains cancers, mais son rôle dans l’étiologie de ces maladies était jusqu’à présent largement inconnu. Ce facteur de restriction du VIH possède une activité dNTPase impliquée dans la régulation des pools de nucléotides en G1, ainsi qu’une activité 3’-5’ exonucléase qui est, encore aujourd’hui, controversée.Le but de mon projet de thèse était de comprendre les mécanismes moléculaires responsables de l’inflammation dans les cellules déficientes pour SAMHD1.Nous montrons que de l’ADN cytosolique s’accumule dans les cellules déficientes pour SAMHD1, particulièrement en présence de stress réplicatif, activant la réponse interféron. Par ailleurs, SAMHD1 est important pour la réplication de l’ADN en conditions normales et pour le processing des fourches arrêtées, indépendamment de son activité dNTPase. De plus, SAMHD1 stimule l’activité exonucléase de MRE11 in vitro. Lorsque SAMHD1 est absent, la dégradation de l’ADN néosynthétisé est inhibée, ce qui empêche l’activation du checkpoint de réplication et entraine un défaut de redémarrage des fourches de réplication. De plus, la résection des fourches de réplication est réalisée par un mécanisme alternatif qui libère des fragments d’ADN dans le cytosol, activant la réponse interféron.Les résultats obtenus pendant ma thèse montrent, pour la première fois, un lien direct entre la réponse au stress réplicatif et la production d’interférons. Ces résultats ont des conséquences importantes dans notre compréhension du syndrome d’Aicardi Goutières et des cancers liés à SAMHD1. Par exemple, nous avons démontré que MRE11 et RECQ1 sont responsables de la production des fragments d’ADN qui déclenchent la réponse inflammatoire dans les cellules déficientes pour SAMHD1. Nous pouvons donc imaginer que bloquer l’activité de ces enzymes pourrait diminuer la production des fragments d’ADN et, in fine, l’activation de l’immunité innée dans ces cellules. Par ailleurs, la voie interférons joue un rôle essentiel dans l’efficacité thérapeutique de l’irradiation et de certains agents chimiothérapiques comme l’oxaliplatine. Moduler cette réponse pourrait donc avoir un intérêt beaucoup plus large en thérapie anti-tumorale.