Development of metabolic labeling strategies to study changes in protein expression

Résumé : Les progrès techniques de la spectrométrie de masse (MS) ont contribué au récent développement de la protéomique. Cette technique peut actuellement détecter, identifier et quantifier des milliers de protéines. Toutefois, elle n'est pas encore assez puissante pour fournir une analyse complète des modifications du protéome corrélées à des phénomènes biologiques. Notre objectif était le développement d'une nouvelle stratégie pour la détection spécifique et la quantification des variations du protéome, basée sur la mesure de la synthèse des protéines plutôt que sur celle de la quantité de protéines totale. Pour cela, nous volions associer le marquage pulsé des protéines par des isotopes stables avec une méthode d'acquisition MS basée sur le balayage des ions précurseurs (precursor ion scan, ou PIS), afin de détecter spécifiquement les protéines ayant intégré les isotopes et d'estimer leur abondance par rapport aux protéines non marquées. Une telle approche peut identifier les protéines avec les plus hauts taux de synthèse dans une période de temps donnée, y compris les protéines dont l'expression augmente spécifiquement suite à un événement précis. Nous avons tout d'abord testé différents acides aminés marqués en combinaison avec des méthodes PIS spécifiques. Ces essais ont permis la détection spécifique des protéines marquées. Cependant, en raison des limitations instrumentales du spectromètre de masse utilisé pour les méthodes PIS, la sensibilité de cette approche s'est révélée être inférieure à une analyse non ciblée réalisée sur un instrument plus récent (Chapitre 2.1). Toutefois, pour l'analyse différentielle de deux milieux de culture conditionnés par des cellules cancéreuses humaines, nous avons utilisé le marquage métabolique pour distinguer les protéines d'origine cellulaire des protéines non marquées du sérum présentes dans les milieux de culture (Chapitre 2.2). Parallèlement, nous avons développé une nouvelle méthode de quantification nommée IBIS, qui utilise des paires d'isotopes stables d'acides aminés capables de produire des ions spécifiques qui peuvent être utilisés pour la quantification relative. La méthode IBIS a été appliquée à l'analyse de deux lignées cellulaires cancéreuses complètement marquées, mais de manière différenciée, par des paires d'acides aminés (Chapitre 2.3). Ensuite, conformément à l'objectif initial de cette thèse, nous avons utilisé une variante pulsée de l'IBIS pour détecter des modifications du protéome dans des cellules HeLa infectée par le virus humain Herpes Simplex-1 (Chapitre 2.4). Ce virus réprime la synthèse des protéines des cellules hôtes afin d'exploiter leur mécanisme de traduction pour la production massive de virions. Comme prévu, de hauts taux de synthèse ont été mesurés pour les protéines virales détectées, attestant de leur haut niveau d'expression. Nous avons de plus identifié un certain nombre de protéines humaines dont le rapport de synthèse et de dégradation (S/D) a été modifié par l'infection virale, ce qui peut donner des indications sur les stratégies utilisées par les virus pour détourner la machinerie cellulaire. En conclusion, nous avons montré dans ce travail que le marquage métabolique peut être employé de façon non conventionnelle pour étudier des dimensions peu explorées en protéomique. Summary : In recent years major technical advancements greatly supported the development of mass spectrometry (MS)-based proteomics. Currently, this technique can efficiently detect, identify and quantify thousands of proteins. However, it is not yet sufficiently powerful to provide a comprehensive analysis of the proteome changes correlated with biological phenomena. The aim of our project was the development of ~a new strategy for the specific detection and quantification of proteomé variations based on measurements of protein synthesis rather than total protein amounts. The rationale for this approach was that changes in protein synthesis more closely reflect dynamic cellular responses than changes in total protein concentrations. Our starting idea was to couple "pulsed" stable-isotope labeling of proteins with a specific MS acquisition method based on precursor ion scan (PIS), to specifically detect proteins that incorporated the label and to simultaneously estimate their abundance, relative to the unlabeled protein isoform. Such approach could highlight proteins with the highest synthesis rate in a given time frame, including proteins specifically up-regulated by a given biological stimulus. As a first step, we tested different isotope-labeled amino acids in combination with dedicated PIS methods and showed that this leads to specific detection of labeled proteins. Sensitivity, however, turned out to be lower than an untargeted analysis run on a more recent instrument, due to MS hardware limitations (Chapter 2.1). We next used metabolic labeling to distinguish the proteins of cellular origin from a high background of unlabeled (serum) proteins, for the differential analysis of two serum-containing culture media conditioned by labeled human cancer cells (Chapter 2.2). As a parallel project we developed a new quantification method (named ISIS), which uses pairs of stable-isotope labeled amino acids able to produce specific reporter ions, which can be used for relative quantification. The ISIS method was applied to the analysis of two fully, yet differentially labeled cancer cell lines, as described in Chapter 2.3. Next, in line with the original purpose of this thesis, we used a "pulsed" variant of ISIS to detect proteome changes in HeLa cells after the infection with human Herpes Simplex Virus-1 (Chapter 2.4). This virus is known to repress the synthesis of host cell proteins to exploit the translation machinery for the massive production of virions. As expected, high synthesis rates were measured for the detected viral proteins, confirming their up-regulation. Moreover, we identified a number of human proteins whose synthesis/degradation ratio (S/D) was affected by the viral infection and which could provide clues on the strategies used by the virus to hijack the cellular machinery. Overall, in this work, we showed that metabolic labeling can be employed in alternative ways to investigate poorly explored dimensions in proteomics.

Optimisation du transfert de gènes dans la rétine par des vecteurs lentiviraux lors de maladies dégénératives de la rétine

Certaines dégénérescences rétiniennes sont engendrées par des mutations¦génétiques et conduisent à la perte des cellules photosensibles, les¦photorécepteurs (cônes et/ou bâtonnets), et donc à la cécité (Roy et al., 2010).¦La prévalence est de 1/3000 chez les Caucasiens. Les Rétinites Pigmentaires¦(RP) en composent la majorité des cas, suivent l'Amaurose congénitale de¦Leber et la maladie de Stargardt. Il n'y a pas une mutation type associés à une¦maladie mais diverses mutations peuvent aboutir à une dégénérescence de la¦rétine. Tout comme le reste du système nerveux central, la rétine lésée n'a pas¦les capacités de se régénérer. Un objectif du traitement est de ralentir la¦dégénérescence de la rétine dans le but de la stabiliser. La thérapie génique¦constitue actuellement la seule approche thérapeutique à même de traiter les¦dégénérescences rétiniennes d'origine génétique. Elle consiste à utiliser un virus¦modifié, qui n'a plus les capacités de se reproduire, appelé vecteur pour cibler¦certaines cellules afin d'ajouter un gène sain ou d'inhiber un gène malade. Les¦virus associés à l'adénovirus (AAV) et les Lentivirus (LV) sont les 2 principaux¦types de virus utilisés en thérapie génique en ophtalmologie. D'autres vecteurs¦existent, comme les adénovirus et le virus de l'anémie infectieuse équine. Des¦études de thérapie génique effectuées chez l'homme avec le vecteur AAV ont¦démontré une sensible amélioration des fonctions visuelles (acuité visuelle,¦champ visuel, pupillométrie et le déplacement dans un environnement avec une¦lumière tamisée) chez des patients atteints d'Amaurose congénitale de Leber¦(Maguire et al., Ali et al., Hauswirth et al., Bennett et al.). Le vecteur utilisé au¦cours de ce travail est un LV, qui a pour avantage de pouvoir transporter de¦grands gènes. Lorsque ce vecteur est pseudotypé avec une enveloppe VSVG, il¦transduit (transférer un gène qui sera fonctionnel dans la cellule cible) bien¦l'épithélium pigmentaire rétinien (nécessaire à la survie et à la fonction des¦photorécepteurs). Afin de changer le tropisme du vecteur, celui testé dans cette¦étude contient une enveloppe de type Mokola qui cible efficacement les cellules¦gliales du cerveau et donc probablement aussi les cellules de Müller de la rétine.¦Le but à court terme est de transformer génétiquement ces cellules pour leur¦faire sécréter des molécules favorisant la survie des photorécepteurs. Pour¦révéler la cellule ciblée par le vecteur, le gène qui sera exprimé dans les cellules¦transduites code pour la protéine fluorescente verte 2 (GFPII) et n'a pas de¦fonction thérapeutique. Après avoir produit le virus, deux types de souris ont été¦injectées : des souris dépourvues du gène de la rhodopsine appelées Rho -/- et¦des souris sauvages appelées C57BL6. Les souris Rho -/- ont été choisies en¦tant que modèle de dégénérescence rétinienne et les souris C57BL6 en tant que¦comparatif. Les souris Rho -/- et C57BL56 ont été injectées entre le 2ème et le¦3ème mois de vie et sacrifiées 7 jours après. Des coupes histologiques de la rétine¦ont permis de mesurer et comparer pour chaque oeil, les distances de¦transduction du RPE et de la neurorétine (= toute la rétine sauf le RPE). La¦distance sur laquelle le RPE est transduit détermine la taille de la bulle¦d'injection alors que la distance sur laquelle la neurorétine est transduite¦détermine la capacité du vecteur à diffuser dans la rétine. Les résultats montrent¦une expression plus importante de la GFPII dans le RPE que dans la neurorétine¦chez les souris Rho -/- et C57BL6. Les principales cellules transduites au¦niveau de la neurorétine sont, comme attendu, les cellules de Müller. Lorsque¦l'on compare les proportions de neurorétine et de RPE transduites, on constate¦qu'il y a globalement eu une meilleure transduction chez les souris Rho -/-¦que chez les souris C57BL6. Cela signifie que le vecteur est plus efficace pour¦transduire une rétine dégénérée qu'une rétine saine. Pour déterminer quels types¦de cellules exprimaient la GFPII, des anticorps spécifiques de certains types de¦cellules ont été utilisés. Ces résultats sont similaires à ceux d'autres études¦effectuées précédemment, dont celle de Calame et al. en 2011, et tendent à¦prouver que le vecteur lentiviral avec l'enveloppe Mokola et le promoteur EFs¦est idéal pour transduire avec un gène thérapeutique des cellules de Müller dans¦des rétines en dégénérescence.

Promoter rearrangements cause species-specific hepatic regulation of the glyoxylate reductase/hydroxypyruvate reductase gene by the peroxisome proliferator-activated receptor alpha.

In liver, the glyoxylate cycle contributes to two metabolic functions, urea and glucose synthesis. One of the key enzymes in this pathway is glyoxylate reductase/hydroxypyruvate reductase (GRHPR) whose dysfunction in human causes primary hyperoxaluria type 2, a disease resulting in oxalate accumulation and formation of kidney stones. In this study, we provide evidence for a transcriptional regulation by the peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARalpha) of the mouse GRHPR gene in liver. Mice fed with a PPARalpha ligand or in which PPARalpha activity is enhanced by fasting increase their GRHPR gene expression via a peroxisome proliferator response element located in the promoter region of the gene. Consistent with these observations, mice deficient in PPARalpha present higher plasma levels of oxalate in comparison with their wild type counterparts. As expected, the administration of a PPARalpha ligand (Wy-14,643) reduces the plasma oxalate levels. Surprisingly, this effect is also observed in null mice, suggesting a PPARalpha-independent action of the compound. Despite a high degree of similarity between the transcribed region of the human and mouse GRHPR gene, the human promoter has been dramatically reorganized, which has resulted in a loss of PPARalpha regulation. Overall, these data indicate a species-specific regulation by PPARalpha of GRHPR, a key gene of the glyoxylate cycle.

Safety and occlusion rates of surgical treatment of unruptured intracranial aneurysms: a systematic review and meta-analysis of the literature from 1990 to 2011.

BACKGROUND AND PURPOSE: Surgical clipping of unruptured intracranial aneurysms (UIAs) has recently been challenged by the emergence of endovascular treatment. We performed an updated systematic review and meta-analysis on the surgical treatment of UIAs, in an attempt to determine the aneurysm occlusion rates and safety of surgery in the modern era. METHODS: A detailed protocol was developed prior to conducting the review according to the Cochrane Collaboration guidelines. Electronic databases spanning January 1990-April 2011 were searched, complemented by hand searching. Heterogeneity was assessed using I(2), and publication bias with funnel plots. Surgical mortality and morbidity were analysed with weighted random effect models. RESULTS: 60 studies with 9845 patients harbouring 10 845 aneurysms were included. Mortality occurred in 157 patients (1.7%; 99% CI 0.9% to 3.0%; I(2)=82%). Unfavourable outcomes, including death, occurred in 692 patients (6.7%; 99% CI 4.9% to 9.0%; I(2)=85%). Morbidity rates were significantly greater in higher quality studies, and with large or posterior circulation aneurysms. Reported morbidity rates decreased over time. Studies were generally of poor quality; funnel plots showed heterogeneous results and publication bias, and data on aneurysm occlusion rates were scant. CONCLUSIONS: In studies published between 1990 and 2011, clipping of UIAs was associated with 1.7% mortality and 6.7% overall morbidity. The reputed durability of clipping has not been rigorously documented. Due to the quality of the included studies, the available literature cannot properly guide clinical decisions.

Immunonutrition in gastrointestinal surgery.

Background: Patients undergoing major gastrointestinal surgery are at increased risk of developing complications. The use of immunonutrition (IN) in such patients is not widespread because the available data are heterogeneous, and some show contradictory results with regard to complications, mortality and length of hospital stay. Methods: Randomized controlled trials (RCTs) published between January 1985 and September 2009 that assessed the clinical impact of perioperative enteral IN in major gastrointestinal elective surgery were included in a meta-analysis. Results: Twenty-one RCTs enrolling a total of 2730 patients were included in the meta-analysis. Twelve were considered as high-quality studies. The included studies showed significant heterogeneity with respect to patients, control groups, timing and duration of IN, which limited group analysis. IN significantly reduced overall complications when used before surgery (odds ratio (OR) 0.48, 95 per cent confidence interval (c.i.) 0.34 to 0.69), both before and after operation (OR 0.39, 0.28 to 0.54) or after surgery (OR 0.46, 0.25 to 0.84). For these three timings of IN administration, ORs of postoperative infection were 0.36 (0.24 to 0.56), 0.41 (0.28 to 0.58) and 0.53 (0.40 to 0.71) respectively. Use of IN led to a shorter hospital stay: mean difference -2.12 (95 per cent c.i. -2.97 to -1.26) days. Beneficial effects of IN were confirmed when low-quality trials were excluded. Perioperative IN had no influence on mortality (OR 0.90, 0.46 to 1.76). Conclusion: Perioperative enteral IN decreases morbidity and hospital stay but not mortality after major gastrointestinal surgery; its routine use can be recommended.