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.

The role of the hypothalamic kisspeptin/GPR54 system in the control of GnRH neurons

Summary : The hypothalamus represents less than 1 % of the total volume of the brain tissue, yet it plays a crucial role in endocrine regulations. Puberty is defined as a process leading to physical, sexual and psychosocial maturation. The hypothalamus is central to this process, via the activation of GnRH neurons. Pulsatile GnRH secretion, minimal during childhood, increases with the onset of puberty. The primary function of GnRH is to regulate the growth, development and function of testes in boys and ovaries in girls, by stimulating the pituitary gland secretion of luteinizing hormone (LH) and follicle-stimulating hormone (FSH). Several factors contribute to the timing of puberty, including sex and ethnicity, genetics, dietary intake and energy expenditure. Kisspeptins constitute a family of small peptides arising from the proteolytic cleavage of metastin, a peptide with 54 amino acids initially purified from human placenta. These kisspeptins were the subject of much attention following their discovery because of their antimetastatic properties, but it was more recently that their determining role in the reproductive function was demonstrated. It was shown that kisspeptins are ligands of a receptor, GPR54, whose natural inactivating mutation in humans, or knockout in the mouse, lead to infertility. GnRH neurons play a pivotal role in the central regulation of fertility. Kisspeptin greatly increases GnRH release and GnRH neuron firing activity, but the neurobiological mechanisms for these actions are unknown. Gprotein-coupled receptor 54, the receptor for kisspeptin, is expressed by GnRH neurons as well as other hypothalamic neurons, suggesting that both direct and indirect effects are possible. In the first part of my thesis, we investigated a possible connection between the acceleration of sexual development induced by leptin and hypothalamic metastin neurons. However, the data generated by our preliminary experiments confirmed that the commercially available antibodies are non-specific. This finding constituted a major drawback for our studies, which relied heavily upon the neuroanatomical study of the hypothalamic metastinergic pathways to elucidate their sensitivity to exogenous leptin. Therefore, we decided to postpone any further in vivo experiment until a better antibody becomes available, and focused on in vitro studies to better understand the mechanisms of action of kisspeptins in the modulation of the activity of GnRH neurons. We used two GnRH-expressing neuronal cell lines to investigate the cellular and molecular mechanisms of action of metastin in GnRH neurons. We demonstrated that kisspeptin induces an early activation of the MAP kinase intracellular signaling pathway in both cell lines, whereas the SAP/JNK or the Akt pathways were unaffected. Moreover, we found an increase in GnRH mRNA levels after 6h of metastin stimulation. Thus, we can conclude that kisspeptin regulates GnRH neurons both at the secretion and the gene expression levels. The MAPK pathway is the major pathway activated by metastin in GnRH expressing neurons. Taken together, these data provide the first mechanism of action of kisspeptin on GnRH neurons. Résumé : L'hypothalamus est une zone située au centre du cerveau, dont il représente moins de 1 du volume total. La puberté est la période de transition entre l'enfance et l'age adulte, qui s'accompagne de transformations somatiques, psychologiques, métaboliques et hormonales conduisant à la possibilité de procréer. La fonction principale de la GnRH est la régulation de la croissance, du développement et de la fonction des testicules chez les hommes, et des ovaires chez les femmes en stimulant la sécrétion de l'hormone lutéinisante (LH) et de l'hormone folliculostimulante (FSH) par la glande hypophysaire. Plusieurs facteurs contribuent au déclanchement de la puberté, y compris le sexe et l'appartenance ethnique, la génétique, l'apport alimentaire et la dépense énergétique. Les Kisspeptines constituent une famille de peptides résultant de la dissociation proteolytique de la métastine, un peptide de 54 acides aminés initialement purifié à partir de placenta humain. Ces kisspeptines ont fait l'objet de beaucoup d'attention à la suite de leur découverte en raison de leurs propriétés anti-metastatiques, et c'est plus récemment que leur rôle déterminant dans la fonction reproductive a été démontré. Les kisspeptines sont des ligands du récepteur GPR54, dont la mutation inactivatrice chez l'homme, ou le knockout chez la souris, conduisent à l'infertilité par hypogonadisme hypogonadotrope. Les neurones à GnRH jouent un rôle central dans le règlement des fonctions reproductrices et la kisspeptine stimule l'activité des neurones à GnRH et la libération de GnRH par ces neurones. Toutefois, les mécanismes neurobiologiques de ces actions ne sont pas connus. Dans la première partie de ma thèse, nous avons étudié le lien potentiel entre l'accélération du développement sexuel induite par la leptine et les neurones hypothalamiques à metastine. Les données générées dans cette première série d'expériences ont malheureusement confirmé que les anticorps anti-metastine disponibles dans le commerce sont aspécifiques. Ceci a constitué un inconvénient majeur pour nos études, qui devaient fortement s'appuyer sur l' étude neuroanatomique des neurones hypothalamiques à metastine pour évaluer leur sensibilité à la leptine exogène. Nous avons donc décidé de focaliser nos travaux sur une étude in vitro des mécanismes d'action de la kisspeptine pour moduler l'activité des neurones à GnRH. Nous avons utilisé deux lignées de cellules neuronales exprimant la GnRH pour étudier les mécanismes d'action cellulaires et moléculaires de la metastine dans des neurones. Nous avons ainsi pu démontrer que la kisspeptine induit une activation précoce de la voie f de signalisation de la MAP kinase dans les deux lignées cellulaires, alors que nous n'avons observé aucune activation de la voie de signalisation de la P13 Kinase et de la SAP/JNK. Nous avons en outre démontré une augmentation de l'expression de la GnRH par la stimulation avec la Kisspeptine. L'ensemble de ces données contribue à élucider le mécanisme d'action avec lequel la kisspeptine agit dans les neurones à GnRH, en démontrant un effet sur l'expression génique de la GnRH. Nous pouvons également conclure que la voie de la MAPK est la voie principale activée par la metastine dans les neurones exprimant la GnRH.

New methods for detecting antibiotic resistant bacteria and preventing their spread

Methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA) bacteria have emerged in the early 1980's in numerous health care institutions around the world. The main transmission mechanism within hospitals and healthcare facilities is through the hands of health care workers. Resistant to several antibiotics, the MRSA is one of the most feared pathogens in the hospital setting since it is very difficult to eradicate with the standard treatments. There are still a limited number of anti-MRSA antibiotics but the first cases of resistance to these compounds have already been reported and their frequency is likely to increase in the coming years. Every year, the MRSA infections result in major human and financial costs, due to the high associated mortality and expenses related to the required care. Measures towards a faster detection of resistant bacteria and establishment of appropriate antibiotic treatment parameters are fundamental. Also as part as infection prevention, diminution of bacteria present on the commonly touched surfaces could also limit the spread and selection of antibiotic resistant bacteria. During my thesis, projects were developed around MRSA and antibiotic resistance investigation using innovative technologies. The thesis was subdivided in three main parts with the use of atomic force microscopy AFM for antibiotic resistance detection in part 1, the importance of the bacterial inoculum size in the selection of antibiotic resistance in part 2 and the testing of antimicrobial surfaces creating by sputtering copper onto polyester in part 3. In part 1 the AFM was used two different ways, first for the measurement of stiffness (elasticity) of bacteria and second as a nanosensor for antibiotic susceptibility testing. The stiffness of MRSA with different susceptibility profiles to vancomycin was investigated using the stiffness tomography mode of the AFM and results have demonstrated and increased stiffness in the vancomycin resistant strains that also paralleled with increased thickness of the bacterial cell wall. Parts of the AFM were also used to build a new antibiotic susceptibility-testing device. This nano sensor was able to measure vibrations emitted from living bacteria that ceased definitively upon antibiotic exposure to which they were susceptible but restarted after antibiotic removal to which they were resistant, allowing in a matter of minute the assessment of antibiotic susceptibility determination. In part 2 the inoculum effect (IE) of vancomycin, daptomycin and linezolid and its importance in antibiotic resistance selection was investigated with MRSA during a 15 days of cycling experiment. Results indicated that a high bacterial inoculum and a prolonged antibiotic exposure were two key factors in the in vitro antibiotic resistance selection in MRSA and should be taken into consideration when choosing the drug treatment. Finally in part 3 bactericidal textile surfaces were investigated against MRSA. Polyesters coated after 160 seconds of copper sputtering have demonstrated a high bactericidal activity reducing the bacterial load of at least 3 logio after one hour of contact. -- Au cours des dernières décennies, des bactéries multirésistantes aux antibiotiques (BMR) ont émergé dans les hôpitaux du monde entier. Depuis lors, le nombre de BMR et la prévalence des infections liées aux soins (IAS) continuent de croître et sont associés à une augmentation des taux de morbidité et de mortalité ainsi qu'à des coûts élevés. De plus, le nombre de résistance à différentes classes d'antibiotiques a également augmenté parmi les BMR, limitant ainsi les options thérapeutiques disponibles lorsqu'elles ont liées a des infections. Des mesures visant une détection plus rapide des bactéries résistantes ainsi que l'établissement des paramètres de traitement antibiotiques adéquats sont primordiales lors d'infections déjà présentes. Dans une optique de prévention, la diminution des bactéries présentes sur les surfaces communément touchées pourrait aussi freiner la dissémination et l'évolution des bactéries résistantes. Durant ma thèse, différents projets incluant des nouvelles technologies et évoluant autour de la résistance antibiotique ont été traités. Des nouvelles technologies telles que le microscope à force atomique (AFM) et la pulvérisation cathodique de cuivre (PCC) ont été utilisées, et le Staphylococcus aureus résistant à la méticilline (SARM) a été la principale BMR étudiée. Deux grandes lignes de recherche ont été développées; la première visant à détecter la résistance antibiotique plus rapidement avec l'AFM et la seconde visant à prévenir la dissémination des BMR avec des surfaces crées grâce à la PCC. L'AFM a tout d'abord été utilisé en tant que microscope à sonde locale afin d'investiguer la résistance à la vancomycine chez les SARMs. Les résultats ont démontré que la rigidité de la paroi augmentait avec la résistance à la vancomycine et que celle-ci corrélait aussi avec une augmentation de l'épaisseur des parois, vérifiée grâce à la microscopie électronique. Des parties d'un AFM ont été ensuite utilisées afin de créer un nouveau dispositif de test de sensibilité aux antibiotiques, un nanocapteur. Ce nanocapteur mesure des vibrations produites par les bactéries vivantes. Après l'ajout d'antibiotique, les vibrations cessent définitivement chez les bactéries sensibles à l'antibiotique. En revanche pour les bactéries résistantes, les vibrations reprennent après le retrait de l'antibiotique dans le milieu permettant ainsi, en l'espace de minutes de détecter la sensibilité de la bactérie à un antibiotique. La PCC a été utilisée afin de créer des surfaces bactéricides pour la prévention de la viabilité des BMR sur des surfaces inertes. Des polyesters finement recouverts de cuivre (Cu), connu pour ses propriétés bactéricides, ont été produits et testés contre des SARMs. Une méthode de détection de viabilité des bactéries sur ces surfaces a été mise au point, et les polyesters obtenus après 160 secondes de pulvérisation au Cu ont démontré une excellente activité bactéricide, diminuant la charge bactérienne d'au moins 3 logio après une heure de contact. En conclusion, l'utilisation de nouvelles technologies nous a permis d'évoluer vers de méthodes de détection de la résistance antibiotique plus rapides ainsi que vers le développement d'un nouveau type de surface bactéricide, dans le but d'améliorer le diagnostic et la gestion des BMR.

Role of microRNAs in the pathogenesis of Ewing's sarcoma

SummaryEwing's sarcoma family tumors (ESFT) are the second most frequent cancer of bone in adolescents and young adults. ESFT are characterized by a chromosomal translocation that involves the 5' segment of the EWSR1 gene and the 3' segment of an ets transcription factor family member gene. In 85% of cases the chromosomal translocation generates the fusion protein EWSR1-FLI-1. Recent work from our laboratory identified mesenchymal stem cells (MSC) as the putative cell of origin of ESFT and characterized a CD133+ subpopulation of ESFT cells with tumor initating and self-renewal capacity, known as cancer stem cells (CSC). MicroRNAs (miRNAs) are small non-coding RNA that regulate protein expression at the post-transcriptional level by either repressing translation or destabilizing mRNA. MiRNAs participate in several biological processes including cell proliferation and differentiation. We used miRNA expression profile comparison between MSC and ESFT cell lines and CD133+ ESFT cells and CD133" ESFT cells to investigate the role of miRNAs in ESFT pathogenesis. MiRNA expression profile comparison of MSC and ESFT cell lines identified 35 differentially expressed miRNAs. Among these was down-regulation of let-7a which results, in part, by the direct repression of let-7a-l promoter by EWSR1-FLI-1. Overexpression of let-7a in ESFT cells blocked ESFT tumorigenesis through an High-motility group AT-hook2 (HMGA2)-mediated mechanism.MiRNA profiling of CD133+ ESFT and CD 133" ESFT cells revealed a broad repression of miRNAs in CD133+ ESFT mediated by down-regulation of TARBP2, a central regulator of the miRNA maturation pathway. Down-regulation of TARBP2 in ESFT cell lines results in a miRNA expression profile reminescent of that observed in CD133+ ESFT and associated with increased tumorigenicity. Enhancement of TARBP2 activity using the antibiotic enoxacin or overexpression of miRNA-143 or miRNA-145, two targets of TARBP2, impaired ESFT CSC self-renewal and block ESFT tumorigenicity. Moreover in vivo administration of synthetic let- 7a, miRNA-143 or miRNA-145 blocks ESFT tumor growth.Thus, dysregulation of miRNA expression is a key feature in ESFT pathogenesis and restoration of their expressions might be used as a new therapeutic tool.RésuméLe sarcome d'Ewing est la deuxième tumeur osseuse la plus fréquente chez l'enfant et le jeune adolescent. Le sarcome d'Ewing est caractérisé par une translocation chromosomique qui produit une protéine de fusion EWSR1-FLI-1. Des récents travaux ont identifié les cellules mésenchymateuses souches (MSC) comme étant les cellules à l'origine du sarcome d'Ewing ainsi qu'une sous-population de cellules exprimant le marqueur CD 133, dans le sarcome d'Ewing connu comme les cellules cancéreuses souches (CSC). Ces cellules ont la capacité d'initier la croissance tumorale et possèdent des propriétés d'auto-renouvellement. Les microRNAs (miRNAs) sont de petits ARN qui ne codent pas pour des protéines et qui contrôlent l'expression des protéines en bloquant la traduction ou en dégradant l'ARNm. Les miRNAs participent à différents processus biologiques comme la prolifération et la différenciation cellulaires.Le but de ce travail est d'étudier le rôle des miRNAs dans le sarcome d'Ewing. Un profil d'expression de miRNAs entre les MSC et des lignées cellulaires de sarcome d'Ewing a mis en évidence 35 miRNAs différemment exprimés. Parmi ceux-ci, la répression de let-7a est liée à la répression directe du promoteur de let-7a-l par EWSR-FLI-1. La sur-expression de let-7a dans des lignées cellulaires de sarcome d'Ewing inhibe leur croissance tumorale. Cette inhibition de croissance tumorale est régulée par la protéine high-motility group AT-hook2 (HMGA2).Un profil d'expression de miRNAs entre les cellules du sarcome d'Ewing CD133+ et CD133" montre une sous-expression d'un grand nombre de miRNAs dans les cellules CD133+ par rapport aux cellules CD133". Cette différence d'expression de miRNAs est due à la répression du gène TARBP2 qui participe à la maturation des miRNAs. La suppression de TARBP2 dans des cellules d'Ewing induit un profil d'expression de miRNAs similaire aux cellules CD133+ du sarcome d'Ewing et augmente la tumorigenèse des lignées cellulaires. De plus l'utilisation d'enoxacin, une molécule qui augmente l'activité de TARBP2 ou la sur- expression des miRNA143 ou miRNA-145 dans les CSC du sarcome d'Ewing bloque l'auto- renouvellement des cellules et la croissance tumorale. Finalement, l'administration de let-7a, miRNA-143 ou miRNA-145, dans des souris bloque la croissance du sarcome d'Ewing. Ces résultats indiquent que la dysrégulation des miRNAs participe à la pathogenèse du sarcome d'Ewing et que les miRNAs peuvent être utilisés comme des agents thérapeutiques.

Subretinal neovascular membranes complicating uveitis : frequency, treatments and visual outcome

RESUME Les membranes néovasculaires (MNV) compliquent diverses pathologies ophtalmiques. Elles sont à l'origine d'une importante baisse de l'acuité visuelle lorsque elles se situent à proximité de la fovéa. A l'heure actuelle, peu de données relatives à leur association aux pathologies inflammatoires de l'oeil (uvéites) existent. Dans ce travail, la fréquence de MNV a été évaluée parmi 643 patients avec uvéite. Leur impact sur l'acuité visuelle ainsi que le pronostic en fonction des différents traitements effectués ont été étudiés. Les dossiers des 643 patients souffrant d'uvéite ont été étudiés. Les patients présentant une MNV ont été classés en trois groupes en fonction de l'importance de l'inflammation intraoculaire: élevée (2+ cellules dans le vitré), moyenne (1/2+ à 1+ cellules dans le vitré) ou absente (0 cellules dans le vitré). L'évolution de l'acuité visuelle fut considérée comme favorable (+VA: maintient de l'acuité visuelle ou gain d'une ou plusieurs lignes de Snellen) ou défavorable (-VA: perte d'une ou plusieurs lignes Snellen). Chez 9 patients, le traitement instauré a consisté, initialement, en l'administration orale de corticostéroïdes (CST) à haute dose qui, dans le cas d'évolution favorable (-FVA ou régression angiographique de la MNV), était arrêtée en doses dégressives. Dans les évolutions défavorables (-VA ou progression angiographique de la MNV), les CST étaient maintenus à dose moyenne en complémentation d'un traitement par thérapie laser (photothérapie dynamique (PDT), thermothérapie transpupillaire (TTT) ou laser Argon). Ce protocole thérapeutique ne fut appliqué chez trois patients en raison de la non disponibilité de PDT ou d'un diagnostic manqué d'uvéite. Douze patients sur 643 avec uvéite ont présenté une MNV. L'impact visuel moyen était de 4.5 lignes de Snellen et le temps moyen de suivi était de 19.5 mois. Deux patients avec inflammation intraoculaire élevée ont évolué favorablement sous CST seuls. Huit patients avec inflammation intraoculaire moyenne ont évolué favorablement sous CST seuls chez trois patients, alors que quatre patients ont nécessité une thérapie laser additionnelle. Le dernier patient ne fut traité que par thérapie laser sans CST (diagnostic manqué d'uvéite). Deux patients sans inflammation intraoculaire ont eu un pronostic défavorable sous CST seuls (pas d'autre alternative thérapeutique). Notre étude a démontré que les MNV sont une complication rare de l'uvéite qui, après traitement adéquat, ont un pronostic visuel relativement favorable. Bien que les CST semblent être la première modalité thérapeutique, les traitements laser devraient être adoptés tôt dans les situations d'inflammation intraoculaire moyenne ou absente.