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.

Development and evaluation of double locus sequence typing for molecular epidemiological investigations of Clostridium difficile.

Despite the development of novel typing methods based on whole genome sequencing, most laboratories still rely on classical molecular methods for outbreak investigation or surveillance. Reference methods for Clostridium difficile include ribotyping and pulsed-field gel electrophoresis, which are band-comparing methods often difficult to establish and which require reference strain collections. Here, we present the double locus sequence typing (DLST) scheme as a tool to analyse C. difficile isolates. Using a collection of clinical C. difficile isolates recovered during a 1-year period, we evaluated the performance of DLST and compared the results to multilocus sequence typing (MLST), a sequence-based method that has been used to study the structure of bacterial populations and highlight major clones. DLST had a higher discriminatory power compared to MLST (Simpson's index of diversity of 0.979 versus 0.965) and successfully identified all isolates of the study (100 % typeability). Previous studies showed that the discriminatory power of ribotyping was comparable to that of MLST; thus, DLST might be more discriminatory than ribotyping. DLST is easy to establish and provides several advantages, including absence of DNA extraction [polymerase chain reaction (PCR) is performed on colonies], no specific instrumentation, low cost and unambiguous definition of types. Moreover, the implementation of a DLST typing scheme on an Internet database, such as that previously done for Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa ( http://www.dlst.org ), will allow users to easily obtain the DLST type by submitting directly sequencing files and will avoid problems associated with multiple databases.

Personalized approaches to active immunotherapy in cancer

Immunotherapy is emerging as a promising anti-cancer curative modality. However, in contrast to recent advances obtained employing checkpoint blockade agents and T cell therapies, clinical efficacy of therapeutic cancer vaccines is still limited. Most vaccination attempts in the clinic represent "off-the shelf" approaches since they target common "self" tumor antigens, shared among different patients. In contrast, personalized approaches of vaccination are tailor-made for each patient and in spite being laborious, hold great potential. Recent technical advancement enabled the first steps in the clinic of personalized vaccines that target patient-specific mutated neo-antigens. Such vaccines could induce enhanced tumor-specific immune response since neo-antigens are mutation-derived antigens that can be recognized by high affinity T cells, not limited by central tolerance. Alternatively, the use of personalized vaccines based on whole autologous tumor cells, overcome the need for the identification of specific tumor antigens. Whole autologous tumor cells could be administered alone, pulsed on dendritic cells as lysate, DNA, RNA or delivered to dendritic cells in-vivo through encapsulation in nanoparticle vehicles. Such vaccines may provide a source for the full repertoire of the patient-specific tumor antigens, including its private neo-antigens. Furthermore, combining next-generation personalized vaccination with other immunotherapy modalities might be the key for achieving significant therapeutic outcome.