Dual inhibitors of beta-amyloid aggregation and acetylcholinesterase as multi-target anti-Alzheimer drug candidates

Notwithstanding the functional role that the aggregates of some amyloidogenic proteins can play in different organisms, protein aggregation plays a pivotal role in the pathogenesis of a large number of human diseases. One of such diseases is Alzheimer"s disease (AD), where the overproduction and aggregation of the β-amyloid peptide (Aβ) are regarded as early critical factors. Another protein that seems to occupy a prominent position within the complex pathological network of AD is the enzyme acetylcholinesterase (AChE), with classical and non-classical activities involved at the late (cholinergic deficit) and early (Aβ aggregation) phases of the disease. Dual inhibitors of Aβ aggregation and AChE are thus emerging as promising multi-target agents with potential to efficiently modify the natural course of AD. In the initial phases of the drug discovery process of such compounds, in vitro evaluation of the inhibition of Aβ aggregation is rather troublesome, as it is very sensitive to experimental assay conditions, and requires expensive synthetic Aβ peptides, which makes cost-prohibitive the screening of large compound libraries. Herein, we review recently developed multi-target anti-Alzheimer compounds that exhibit both Aβ aggregation and AChE inhibitory activities, and, in some cases also additional valuable activities such as BACE-1 inhibition or antioxidant properties. We also discuss the development of simplified in vivo methods for the rapid, simple, reliable, unexpensive, and high-throughput amenable screening of Aβ aggregation inhibitors that rely on the overexpression of Aβ42 alone or fused with reporter proteins in Escherichia coli.

Luminescent Lanthanide Reporters: New Concepts for Use in Bioanalytical Applications

Lanthanides represent the chemical elements from lanthanum to lutetium. They intrinsically exhibit some very exciting photophysical properties, which can be further enhanced by incorporating the lanthanide ion into organic or inorganic sensitizing structures. A very popular approach is to conjugate the lanthanide ion to an organic chromophore structure forming lanthanide chelates. Another approach, which has quickly gained interest, is to incorporate the lanthanide ions into nanoparticle structures, thus attaining improved specific activity and binding capacity. The lanthanide-based reporters usually express strong luminescence emission, multiple narrow emission lines covering a wide wavelength range, and exceptionally long excited state lifetimes enabling timeresolved detection. Because of these properties, the lanthanide-based reporters have found widespread applications in various fields of life. This study focuses on the field of bioanalytical applications. The aim of the study was to demonstrate the utility of different lanthanide-based reporters in homogeneous Förster resonance energy transfer (FRET)-based bioaffinity assays. Several different model assays were constructed. One was a competitive bioaffinity assay that utilized energy transfer from lanthanide chelate donors to fluorescent protein acceptors. In addition to the conventional FRET phenomenon, a recently discovered non-overlapping FRET (nFRET) phenomenon was demonstrated for the first time for fluorescent proteins. The lack of spectral overlap in the nFRET mechanism provides sensitivity and versatility to energy transfer-based assays. The distance and temperature dependence of these phenomena were further studied in a DNA-hybridization assay. The distance dependence of nFRET deviated from that of FRET, and unlike FRET, nFRET demonstrated clear temperature dependence. Based on these results, a possible excitation mechanism operating in nFRET was proposed. In the study, two enzyme activity assays for caspase-3 were also constructed. One of these was a fluorescence quenching-based enzyme activity assay that utilized novel inorganic particulate reporters called upconverting phosphors (UCPs) as donors. The use of UCPs enabled the construction of a simple, rather inexpensive, and easily automated assay format that had a high throughput rate. The other enzyme activity assay took advantage of another novel reporter class, the lanthanidebinding peptides (LBPs). In this assay, energy was transferred from a LBP to a green fluorescent protein (GFP). Using the LBPs it was possible to avoid the rather laborious, often poorly repeatable, and randomly positioned chemical labeling. In most of the constructed assays, time-resolved detection was used to eliminate the interfering background signal caused by autofluorescence. The improved signal-to-background ratios resulted in increased assay sensitivity, often unobtainable in homogeneous assay formats using conventional organic fluorophores. The anti-Stokes luminescence of the UCPs, however, enabled the elimination of autofluorescence even without time-gating, thus simplifying the instrument setup. Together, the studied reporters and assay formats pave the way for increasingly sensitive, simple, and easily automated bioanalytical applications.

Regulation of self-renewal and detection of karyotypic changes of pluripotent human embryonic stem cells

Human embryonic stem cells are pluripotent cells capable of renewing themselves and differentiating to specialized cell types. Because of their unique regenerative potential, pluripotent cells offer new opportunities for disease modeling, development of regenerative therapies, and treating diseases. Before pluripotent cells can be used in any therapeutic applications, there are numerous challenges to overcome. For instance, the key regulators of pluripotency need to be clarified. In addition, long term culture of pluripotent cells is associated with the accumulation of karyotypic abnormalities, which is a concern regarding the safe use of the cells for therapeutic purposes. The goal of the work presented in this thesis was to identify new factors involved in the maintenance of pluripotency, and to further characterize molecular mechanisms of selected candidate genes. Furthermore, we aimed to set up a new method for analyzing genomic integrity of pluripotent cells. The experimental design applied in this study involved a wide range of molecular biology, genome-wide, and computational techniques to study the pluripotency of stem cells and the functions of the target genes. In collaboration with instrument and reagent company Perkin Elmer, KaryoliteTM BoBsTM was implemented for detecting karyotypic changes of pluripotent cells. Novel genes were identified that are highly and specifically expressed in hES cells. Of these genes, L1TD1 and POLR3G were chosen for further investigation. The results revealed that both of these factors are vital for the maintenance of pluripotency and self-renewal of the hESCs. KaryoliteTM BoBsTM was validated as a novel method to detect karyotypic abnormalities in pluripotent stem cells. The results presented in this thesis offer significant new information on the regulatory networks associated with pluripotency. The results will facilitate in understanding developmental and cancer biology, as well as creating stem cell based applications. KaryoliteTM BoBsTM provides rapid, high-throughput, and cost-efficient tool for screening of human pluripotent cell cultures.

Paper for printed electronics and functionality

Mass-produced paper electronics (large area organic printed electronics on paper-based substrates, “throw-away electronics”) has the potential to introduce the use of flexible electronic applications in everyday life. While paper manufacturing and printing have a long history, they were not developed with electronic applications in mind. Modifications to paper substrates and printing processes are required in order to obtain working electronic devices. This should be done while maintaining the high throughput of conventional printing techniques and the low cost and recyclability of paper. An understanding of the interactions between the functional materials, the printing process and the substrate are required for successful manufacturing of advanced devices on paper. Based on the understanding, a recyclable, multilayer-coated paper-based substrate that combines adequate barrier and printability properties for printed electronics and sensor applications was developed in this work. In this multilayer structure, a thin top-coating consisting of mineral pigments is coated on top of a dispersion-coated barrier layer. The top-coating provides well-controlled sorption properties through controlled thickness and porosity, thus enabling optimizing the printability of functional materials. The penetration of ink solvents and functional materials stops at the barrier layer, which not only improves the performance of the functional material but also eliminates potential fiber swelling and de-bonding that can occur when the solvents are allowed to penetrate into the base paper. The multi-layer coated paper under consideration in the current work consists of a pre-coating and a smoothing layer on which the barrier layer is deposited. Coated fine paper may also be used directly as basepaper, ensuring a smooth base for the barrier layer. The top layer is thin and smooth consisting of mineral pigments such as kaolin, precipitated calcium carbonate, silica or blends of these. All the materials in the coating structure have been chosen in order to maintain the recyclability and sustainability of the substrate. The substrate can be coated in steps, sequentially layer by layer, which requires detailed understanding and tuning of the wetting properties and topography of the barrier layer versus the surface tension of the top-coating. A cost competitive method for industrial scale production is the curtain coating technique allowing extremely thin top-coatings to be applied simultaneously with a closed and sealed barrier layer. The understanding of the interactions between functional materials formulated and applied on paper as inks, makes it possible to create a paper-based substrate that can be used to manufacture printed electronics-based devices and sensors on paper. The multitude of functional materials and their complex interactions make it challenging to draw general conclusions in this topic area. Inevitably, the results become partially specific to the device chosen and the materials needed in its manufacturing. Based on the results, it is clear that for inks based on dissolved or small size functional materials, a barrier layer is beneficial and ensures the functionality of the printed material in a device. The required active barrier life time depends on the solvents or analytes used and their volatility. High aspect ratio mineral pigments, which create tortuous pathways and physical barriers within the barrier layer limit the penetration of solvents used in functional inks. The surface pore volume and pore size can be optimized for a given printing process and ink through a choice of pigment type and coating layer thickness. However, when manufacturing multilayer functional devices, such as transistors, which consist of several printed layers, compromises have to be made. E.g., while a thick and porous top-coating is preferable for printing of source and drain electrodes with a silver particle ink, a thinner and less absorbing surface is required to form a functional semiconducting layer. With the multilayer coating structure concept developed in this work, it was possible to make the paper substrate suitable for printed functionality. The possibility of printing functional devices, such as transistors, sensors and pixels in a roll-to-roll process on paper is demonstrated which may enable introducing paper for use in disposable “onetime use” or “throwaway” electronics and sensors, such as lab-on-strip devices for various analyses, consumer packages equipped with product quality sensors or remote tracking devices.

Switchable lanthanide fluorescence probes in homogenous molecular diagnostics

The number of molecular diagnostic assays has increased tremendously in recent years.Nucleic acid diagnostic assays have been developed, especially for the detection of human pathogenic microbes and genetic markers predisposing to certain diseases. Closed-tube methods are preferred because they are usually faster and easier to perform than heterogenous methods and in addition, target nucleic acids are commonly amplified leading to risk of contamination of the following reactions by the amplification product if the reactions are opened. The present study introduces a new closed-tube switchable complementation probes based PCR assay concept where two non-fluorescent probes form a fluorescent lanthanide chelate complex in the presence of the target DNA. In this dual-probe PCR assay method one oligonucleotide probe carries a non-fluorescent lanthanide chelate and another probe a light absorbing antenna ligand. The fluorescent lanthanide chelate complex is formed only when the non-fluorescent probes are hybridized to adjacent positions into the target DNA bringing the reporter moieties in close proximity. The complex is formed by self-assembled lanthanide chelate complementation where the antenna ligand is coordinated to the lanthanide ion captured in the chelate. The complementation probes based assays with time-resolved fluorescence measurement showed low background signal level and hence, relatively high nucleic acid detection sensitivity (low picomolar target concentration). Different lanthanide chelate structures were explored and a new cyclic seven dentate lanthanide chelate was found suitable for complementation probe method. It was also found to resist relatively high PCR reaction temperatures, which was essential for the PCR assay applications. A seven-dentate chelate with two unoccupied coordination sites must be used instead of a more stable eight- or nine-dentate chelate because the antenna ligand needs to be coordinated to the free coordination sites of the lanthanide ion. The previously used linear seven-dentate lanthanide chelate was found to be unstable in PCR conditions and hence, the new cyclic chelate was needed. The complementation probe PCR assay method showed high signal-to-background ratio up to 300 due to a low background fluorescence level and the results (threshold cycles) in real-time PCR were reached approximately 6 amplification cycles earlier compared to the commonly used FRET-based closed-tube PCR method. The suitability of the complementation probe method for different nucleic acid assay applications was studied. 1) A duplex complementation probe C. trachomatis PCR assay with a simple 10-minute urine sample preparation was developed to study suitability of the method for clinical diagnostics. The performance of the C. trachomatis assay was equal to the commercial C. trachomatis nucleic acid amplification assay containing more complex sample preparation based on DNA extraction. 2) A PCR assay for the detection of HLA-DQA1*05 allele, that is used to predict the risk of type 1 diabetes, was developed to study the performance of the method in genotyping. A simple blood sample preparation was used where the nucleic acids were released from dried blood sample punches using high temperature and alkaline reaction conditions. The complementation probe HLA-DQA1*05 PCR assay showed good genotyping performance correlating 100% with the routinely used heterogenous reference assay. 3) To study the suitability of the complementation probe method for direct measurement of the target organism, e.g., in the culture media, the complementation probes were applied to amplificationfree closed-tube bacteriophage quantification by measuring M13 bacteriophage ssDNA. A low picomolar bacteriophage concentration was detected in a rapid 20- minute assay. The assay provides a quick and reliable alternative to the commonly used and relatively unreliable UV-photometry and time-consuming culture based bacteriophage detection methods and indicates that the method could also be used for direct measurement of other micro-organisms. The complementation probe PCR method has a low background signal level leading to a high signal-to-background ratio and relatively sensitive nucleic acid detection. The method is compatible with simple sample preparation and it was shown to tolerate residues of urine, blood, bacteria and bacterial culture media. The common trend in nucleic acid diagnostics is to create easy-to-use assays suitable for rapid near patient analysis. The complementation probe PCR assays with a brief sample preparation should be relatively easy to automate and hence, would allow the development of highperformance nucleic acid amplification assays with a short overall assay time.

A cost-effective melting temperature assay for the detection of single-nucleotide polymorphism in the MBL2 gene of HIV-1-infected children

We report a fast (less than 3 h) and cost-effective melting temperature assay method for the detection of single-nucleotide polymorphisms in the MBL2 gene. The protocol, which is based on the Corbett Rotor Gene real time PCR platform and SYBR Green I chemistry, yielded, in the cohorts studied, sensitive (100%) and specific (100%) PCR amplification without the use of costly fluorophore-labeled probes or post-PCR manipulation. At the end of the PCR, the dissociation protocol included a slow heating from 60º to 95ºC in 0.2ºC steps, with an 8-s interval between steps. Melting curve profiles were obtained using the dissociation software of the Rotor Gene-3000 apparatus. Samples were analyzed in duplicate and in different PCR runs to test the reproducibility of this technique. No supplementary data handling is required to determine the MBL2 genotype. MBL2 genotyping performed on a cohort of 164 HIV-1-positive Brazilian children and 150 healthy controls, matched for age and sex and ethnic origin, yielded reproducible results confirmed by direct sequencing of the amplicon performed in blind. The three MBL2 variants (Arg52Cys, Gly54Asp, Gly57Glu) were grouped together and called allele 0, while the combination of three wild-type alleles was called allele A. The frequency of the A/A homozygotes was significantly higher among healthy controls (0.68) than in HIV-infected children (0.55; P = 0.0234) and the frequency of MBL2 0/0 homozygotes was higher among HIV-1-infected children than healthy controls (P = 0.0296). The 0 allele was significantly more frequent among the 164 HIV-1-infected children (0.29) than among the 150 healthy controls (0.18; P = 0.0032). Our data confirm the association between the presence of the mutated MBL2 allele (allele 0) and HIV-1 infection in perinatally exposed children. Our results are in agreement with the literature data which indicate that the presence of the allele 0 confers a relative risk of 1.37 for HIV-1 infection through vertical transmission.

Characterisation of Cladonia rangiferina transcriptome and genome, and the effects of dehydration and rehydration on its gene expression

Lichens are symbiotic organisms, which consist of the fungal partner and the photosynthetic partner, which can be either an alga or a cyanobacterium. In some lichen species the symbiosis is tripartite, where the relationship includes both an alga and a cyanobacterium alongside the primary symbiont, fungus. The lichen symbiosis is an evolutionarily old adaptation to life on land and many extant fungal species have evolved from lichenised ancestors. Lichens inhabit a wide range of habitats and are capable of living in harsh environments and on nutrient poor substrates, such as bare rocks, often enduring frequent cycles of drying and wetting. Most lichen species are desiccation tolerant, and they can survive long periods of dehydration, but can rapidly resume photosynthesis upon rehydration. The molecular mechanisms behind lichen desiccation tolerance are still largely uncharacterised and little information is available for any lichen species at the genomic or transcriptomic level. The emergence of the high-throughput next generation sequencing (NGS) technologies and the subsequent decrease in the cost of sequencing new genomes and transcriptomes has enabled non-model organism research on the whole genome level. In this doctoral work the transcriptome and genome of the grey reindeer lichen, Cladonia rangiferina, were sequenced, de novo assembled and characterised using NGS and traditional expressed sequence tag (EST) technologies. RNA extraction methods were optimised to improve the yield and quality of RNA extracted from lichen tissue. The effects of rehydration and desiccation on C. rangiferina gene expression on whole transcriptome level were studied and the most differentially expressed genes were identified. The secondary metabolites present in C. rangiferina decreased the quality – integrity, optical characteristics and utility for sensitive molecular biological applications – of the extracted RNA requiring an optimised RNA extraction method for isolating sufficient quantities of high-quality RNA from lichen tissue in a time- and cost-efficient manner. The de novo assembly of the transcriptome of C. rangiferina was used to produce a set of contiguous unigene sequences that were used to investigate the biological functions and pathways active in a hydrated lichen thallus. The de novo assembly of the genome yielded an assembly containing mostly genes derived from the fungal partner. The assembly was of sufficient quality, in size similar to other lichen-forming fungal genomes and included most of the core eukaryotic genes. Differences in gene expression were detected in all studied stages of desiccation and rehydration, but the largest changes occurred during the early stages of rehydration. The most differentially expressed genes did not have any annotations, making them potentially lichen-specific genes, but several genes known to participate in environmental stress tolerance in other organisms were also identified as differentially expressed.

Disease-Gene Association Using a Genetic Algorithm

Understanding the relationship between genetic diseases and the genes associated with them is an important problem regarding human health. The vast amount of data created from a large number of high-throughput experiments performed in the last few years has resulted in an unprecedented growth in computational methods to tackle the disease gene association problem. Nowadays, it is clear that a genetic disease is not a consequence of a defect in a single gene. Instead, the disease phenotype is a reflection of various genetic components interacting in a complex network. In fact, genetic diseases, like any other phenotype, occur as a result of various genes working in sync with each other in a single or several biological module(s). Using a genetic algorithm, our method tries to evolve communities containing the set of potential disease genes likely to be involved in a given genetic disease. Having a set of known disease genes, we first obtain a protein-protein interaction (PPI) network containing all the known disease genes. All the other genes inside the procured PPI network are then considered as candidate disease genes as they lie in the vicinity of the known disease genes in the network. Our method attempts to find communities of potential disease genes strongly working with one another and with the set of known disease genes. As a proof of concept, we tested our approach on 16 breast cancer genes and 15 Parkinson's Disease genes. We obtained comparable or better results than CIPHER, ENDEAVOUR and GPEC, three of the most reliable and frequently used disease-gene ranking frameworks.

Développement d’outils pour l’analyse de données de ChIP-seq et l’identification des facteurs de transcription

La méthode ChIP-seq est une technologie combinant la technique de chromatine immunoprecipitation avec le séquençage haut-débit et permettant l’analyse in vivo des facteurs de transcription à grande échelle. Le traitement des grandes quantités de données ainsi générées nécessite des moyens informatiques performants et de nombreux outils ont vu le jour récemment. Reste cependant que cette multiplication des logiciels réalisant chacun une étape de l’analyse engendre des problèmes de compatibilité et complique les analyses. Il existe ainsi un besoin important pour une suite de logiciels performante et flexible permettant l’identification des motifs. Nous proposons ici un ensemble complet d’analyse de données ChIP-seq disponible librement dans R et composé de trois modules PICS, rGADEM et MotIV. A travers l’analyse de quatre jeux de données des facteurs de transcription CTCF, STAT1, FOXA1 et ER nous avons démontré l’efficacité de notre ensemble d’analyse et mis en avant les fonctionnalités novatrices de celui-ci, notamment concernant le traitement des résultats par MotIV conduisant à la découverte de motifs non détectés par les autres algorithmes.

Application du SPR dans le criblage des ligands synthétiques du CD36 et sa validation

Le CD36 est un récepteur de type éboueur de classe B exprimé à la surface de nombreux types cellulaires dont les macrophages, les cellules endothéliales de la microvasculature et les plaquettes. Ce récepteur multiligand est impliqué dans plusieurs processus pathologiques notamment l’athérosclérose, l’angiogénèse et la malaria via la liaison spécifique de ligands comme les lipoprotéines oxydées de basse densité, la thrombospondine-1 et la protéine PfEMP-1, respectivement. Les peptides de la relâche de l’hormone de croissance (GHRP) ont été identifiés comme les premiers ligands synthétiques du CD36. Afin de développer de nouveaux ligands synthétiques du CD36, l’établissement d’une méthode de criblage est essentiel pour découvrir des composés avec une liaison de haute affinité pour ce récepteur. Pour y parvenir, nous avons surexprimé le domaine extracellulaire du CD36 humain dans les cellules d’insectes Sf9. La protéine soluble purifiée par chromatographie d’affinité fut immobilisée à la surface d’une plaque de résonance de plasmons de surface (SPR) pour les études de liaison. La méthodologie développée a permis de caractériser les ligands du CD36 en déterminant leurs constantes de dissociation (KD), et d’établir une relation structure-activité des ligands de la famille des azapeptides, des composés dérivés du GHRP-6. Afin de valider la méthode par spectroscopie SPR, une corrélation a été établie entre les valeurs de KD obtenues en SPR et les valeurs d’CI50 de courbes d’inhibition de la phosphorylation des MAP kinases JNK1/2 induite par un phospholipide oxydé, le POVPC, en présence de concentrations croissantes de ligands du CD36 dans les macrophages RAW 264.7.

Identification de nouveaux substrats des kinases Erk1/2 par une approche bio-informatique, pharmacologique et phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle omniprésente des protéines Cette modification est ajoutée et enlevée par l’activité enzymatique respective des protéines kinases et phosphatases. Les kinases Erk1/2 sont au cœur d’une voie de signalisation importante qui régule l’activité de protéines impliquées dans la traduction, le cycle cellulaire, le réarrangement du cytosquelette et la transcription. Ces kinases sont aussi impliquées dans le développement de l’organisme, le métabolisme du glucose, la réponse immunitaire et la mémoire. Différentes pathologies humaines comme le diabète, les maladies cardiovasculaires et principalement le cancer, sont associées à une perturbation de la phosphorylation sur les différents acteurs de cette voie. Considérant l’importance biologique et clinique de ces deux kinases, connaître l’étendue de leur activité enzymatique pourrait mener au développement de nouvelles thérapies pharmacologiques. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était de mesurer l’influence de cette voie sur le phosphoprotéome et de découvrir de nouveaux substrats des kinases Erk1/2. Une étude phosphoprotéomique de cinétique d’inhibition pharmacologique de la voie de signalisation Erk1/2 a alors été entreprise. Le succès de cette étude était basé sur trois technologies clés, soit l’enrichissement des phosphopeptides avec le dioxyde de titane, la spectrométrie de masse haut débit et haute résolution, et le développement d’une plateforme bio-informatique nommée ProteoConnections. Cette plateforme permet d’organiser les données de protéomique, évaluer leur qualité, indiquer les changements d’abondance et accélérer l’interprétation des données. Une fonctionnalité distinctive de ProteoConnections est l’annotation des sites phosphorylés identifiés (kinases, domaines, structures, conservation, interactions protéiques phospho-dépendantes). Ces informations ont été essentielles à l’analyse des 9615 sites phosphorylés sur les 2108 protéines identifiées dans cette étude, soit le plus large ensemble rapporté chez le rat jusqu’à ce jour. L’analyse des domaines protéiques a révélé que les domaines impliqués dans les interactions avec les protéines, les acides nucléiques et les autres molécules sont les plus fréquemment phosphorylés et que les sites sont stratégiquement localisés pour affecter les interactions. Un algorithme a été implémenté pour trouver les substrats potentiels des kinases Erk1/2 à partir des sites identifiés selon leur motif de phosphorylation, leur cinétique de stimulation au sérum et l’inhibition pharmacologique de Mek1/2. Une liste de 157 substrats potentiels des kinases Erk1/2 a ainsi été obtenue. Parmi les substrats identifiés, douze ont déjà été rapportés et plusieurs autres ont des fonctions associées aux substrats déjà connus. Six substrats (Ddx47, Hmg20a, Junb, Map2k2, Numa1, Rras2) ont été confirmés par un essai kinase in vitro avec Erk1. Nos expériences d’immunofluorescence ont démontré que la phosphorylation de Hmg20a sur la sérine 105 par Erk1/2 affecte la localisation nucléocytoplasmique de cette protéine. Finalement, les phosphopeptides isomériques positionnels, soit des peptides avec la même séquence d’acides aminés mais phosphorylés à différentes positions, ont été étudiés avec deux nouveaux algorithmes. Cette étude a permis de déterminer leur fréquence dans un extrait enrichi en phosphopeptides et d’évaluer leur séparation par chromatographie liquide en phase inverse. Une stratégie analytique employant un des algorithmes a été développée pour réaliser une analyse de spectrométrie de masse ciblée afin de découvrir les isomères ayant été manqués par la méthode d’analyse conventionnelle.

Développement d’une nouvelle méthode d’analyse multi-résidus par LDTD/APCI-MS/MS pour la quantification de pesticides et de produits pharmaceutiques dans les eaux usées

Une nouvelle méthode d'extraction en phase solide (SPE) couplée à une technique d'analyse ultrarapide a été développée pour la détermination simultanée de neuf contaminants émergents (l'atrazine, le déséthylatrazine, le 17(béta)-estradiol, l'éthynylestradiol, la noréthindrone, la caféine, la carbamazépine, le diclofénac et le sulfaméthoxazole) provenant de différentes classes thérapeutiques et présents dans les eaux usées. La pré-concentration et la purification des échantillons a été réalisée avec une cartouche SPE en mode mixte (Strata ABW) ayant à la fois des propriétés échangeuses de cations et d'anions suivie d'une analyse par une désorption thermique par diode laser/ionisation chimique à pression atmosphérique couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LDTD-APCI-MS/MS). La LDTD est une nouvelle méthode d'introduction d'échantillon qui réduit le temps total d'analyse à moins de 15 secondes par rapport à plusieurs minutes avec la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem traditionnelle (LC-MS/MS). Plusieurs paramètres SPE ont été évalués dans le but d'optimiser l'efficacité de récupération lors de l'extraction des analytes provenant des eaux usées, tels que la nature de la phase stationnaire, le débit de chargement, le pH d'extraction, le volume et la composition de la solution de lavage et le volume de l'échantillon initial. Cette nouvelle méthode a été appliquée avec succès à de vrais échantillons d'eaux usées provenant d'un réservoir de décantation primaire. Le recouvrement des composés ciblés provenant des eaux usées a été de 78 à 106%, la limite de détection a été de 30 à 122 ng L-1, alors que la limite de quantification a été de 88 à 370 ng L-1. Les courbes d'étalonnage dans les matrices d'eaux usées ont montré une bonne linéarité (R2 > 0,991) pour les analytes cibles ainsi qu’une précision avec un coefficient de variance inférieure à 15%.

Étude des mécanismes moléculaires impliquant l'homéoprotéine MEIS1 dans le développement de leucémies myéloïdes aigües

Les leucémies myéloïdes aigües résultent d’un dérèglement du processus de l’hématopoïèse et regroupent des maladies hétérogènes qui présentent des profils cliniques et génétiques variés. La compréhension des processus cellulaires responsables de l’initiation et du maintien de ces cancers permettrait de développer des outils thérapeutiques efficaces et ciblés. Au cours des dernières années, une quantité croissante d’anomalies génétiques reliées au développement de leucémies ont été corrélées à une expression anormale des gènes HOX et de leurs cofacteurs MEIS et PBX. Des modèles expérimentaux murins ont confirmé le rôle direct joué par ces protéines dans le développement de leucémies. En effet, la protéine MEIS1 collabore avec HOXA9 dans la leucémogenèse et requiert pour ce faire trois domaines distincts. Deux de ces domaines sont conservés chez PREP1, un membre de la même classe d’homéoprotéine que MEIS1. En utilisant une approche de gain-de-fonction, j’ai confirmé l’importance du rôle joué par le domaine C-terminal de MEIS1 dans l’accélération des leucémies induites par HOXA9. J’ai également montré que l’activité de ce domaine était corrélée avec une signature transcriptionnelle associée à la prolifération cellulaire. J’ai ensuite réalisé un criblage à haut débit afin d’identifier des antagonistes de l’interaction MEIS-PBX, également essentielle à l’accélération des leucémies HOX. À cette fin, j’ai développé un essai de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) permettant de détecter la dimérisation MEIS-PBX dans les cellules vivantes. Plus de 115 000 composés chimiques ont été testés et suite à une confirmation par un essai orthogonal, une vingtaine de molécules ont été identifiées comme inhibiteurs potentiels. Ces composés pourront être rapidement testés sur la prolifération de cellules leucémiques primaires dans un contexte d’étude préclinique. Finalement, deux approches protéomiques complémentaires ont permis d’identifier des partenaires potentiels de MEIS1 et PREP1. La catégorisation fonctionnelle de ces candidats suggère un nouveau rôle pour ces homéoprotéines dans l’épissage de l’ARN et dans la reconnaissance de l’ADN méthylé.

L’immunothérapie orale pour le traitement des allergies alimentaires multiples

La prévalence des allergies alimentaires IgE-médiées aurait triplé au cours de la dernière décennie avec des études Nord-Américaines atteignant les 8% chez les enfants. Quoiqu’il n’y ait à ce jour aucun traitement curatif pour les allergies alimentaires, l’immunothérapie oral (OIT) constitue une nouvelle approche expérimentale prometteuse. Cette dernière consiste en l’administration de doses progressive d’allergènes par voie orale sur une période prolongée dans le but d’instaurer un état de désensibilisation et possiblement une tolérance orale soutenue. Cette approche a été démontrée sécuritaire et permettrait la désensibilisation à haute dose de plus de 80% des participants allergiques aux arachides, lait ou œufs. Dans cette thèse, nous présentons 2 études de phase 1 portant sur des protocoles d’OIT, destinés à optimiser l’efficience du traitement chez les sujets avec allergies alimentaires multiples. Près de 30% des enfants avec allergie alimentaire sont allergiques à plus d’un aliment, une proportion qui augmente à 70% lorsqu’on considère les cas les plus sévères. Ces enfants sont à risque augmenté de réactions accidentelles et souffrent d’un impact plus grand sur leur qualité de vie. Dans la première étude, en créant un mélange individualisé avec un ratio stochiométrique 1:1 entre les protéines des aliments allergiques de l’enfant, nous démontrons qu’il est possible de désensibiliser jusqu’à 5 aliments simultanément avec un profil d’innocuité similaire à une monothérapie. Dans la seconde étude, nous utilisons un traitement à l’omalizumab, un anticorps monoclonal anti-IgE, pour permettre une désensibilisation orale multi-allergénique fortement accélérée. Lorsque comparé à l’approche sans omalizumab, ce protocole s’associe à une nette diminution du temps requis pour atteindre les doses d’entretien, passant d’une médiane de 21 à 4 mois, sans affecter le profil d’innocuité. Alors que ces études fournissent des approches cliniques raisonnables pour désensibiliser la population multi-allergique, plusieurs questions persistent, notamment en ce qui a trait à l’induction de tolérance permanente. Une barrière majeure à cet égard réside dans notre piètre compréhension des mécanismes sous-jacents à l’immunothérapie. Prenant avantage d’échantillons cliniques bien caractérisés provenant des essais cliniques ci-haut mentionnés, nous utilisons les nouvelles technologies de séquençage TCR pour suivre la distribution clonale des lymphocytes T spécifiques aux arachides durant une immunothérapie orale. Nous démontrons que l’OIT s’associe à des changements significatifs dans les fréquences des clones spécifiques, suggérant un processus d’épuisement clonal et de remplacement. Nous démontrons par ailleurs que le test de prolifération lymphocytaire, traditionnellement utilisé pour évaluer la réponse cellulaire allergique, est dominé par une distribution polyclonale hautement non-spécifique. Cette observation a des implications majeures considérant que la plupart de la littérature actuelle sur la réponse T se base sur cette technique. En somme, cette thèse jette les bases pour des programmes de recherche translationnelle pour optimiser et personnaliser les protocoles cliniques actuels et développer de nouvelles avenues d’investigation et de traitement pour améliorer la prise en charge des sujets avec allergies alimentaires.

New insights into small molecules inhibitors and protein-protein interactions of VirB8 : a critical conserved component of the type IV secretion system.

Les systèmes bactériens de sécrétion de type IV (T4SS) sont constitués d’un ensemble de 8 à 12 protéines conservées. Ces dernières sont utilisées lors de la translocation de protéines, la translocation de complexes ADN-protéines mais aussi pour le transport de ces derniers au travers de la membrane cellulaire. Les T4SS, en tant que facteurs de virulence pour beaucoup de pathogènes comme Brucella suis, sont donc d’excellents modèles cibles pour le développement de médicaments d’antivirulence. Ces médicaments, en privant le pathogène de son facteur essentiel de virulence : le T4SS, constituent une alternative ou encore une amélioration des traitements antibiotiques utilisés actuellement. VirB8, un facteur d’assemblage conservé dans le T4SS, forme des dimères qui sont importants pour la fonction des T4SS dans ces pathogènes. De par ses interactions multiples, VirB8 est un excellent modèle pour l’analyse des facteurs d’assemblage mais aussi en tant que cible de médicaments qui empêcheraient son interaction avec d’autres protéines et qui, in fine, désarmeraient les bactéries en les privant de leur fonctions essentielles de virulence. À ce jour, nous savons qu’il existe un équilibre monomère-dimère et un processus d’homodimerization de VirB8 dont l’importance est vitale pour la fonctionnement biologique des T4SSs. En se basant sur des essais quantitatifs d’interaction, nous avons identifié (i) des sites potentiels d’interaction avec d’autres protéines VirB du T4SS mais aussi (ii) isolé des petites molécules inhibitrices afin de tester la fonction protéique de VirB8. Afin de déterminer les acides aminés importants pour l’hétérodimérization de VirB8 avec VirB10, nous avons effectué des expériences de mutagenèse aléatoire, de phage display et d’arrimage moléculaire in silico. Ces expériences ont démontré l’importance de trois acides aminés localisés sur le feuillet β : R160, S162, T164 et I165. Ces derniers seraient importants pour l’association de VirB8 avec VirB10 étant donné que leur mutagenèse entraine une diminution de la formation du complexe VirB8-VirB10. L’objectif actuel de notre projet de recherche est de pouvoir mieux comprendre mais aussi d’évaluer le rôle de VirB8 dans l’assemblage du T4SS. Grace à un méthode de criblage adaptée à partir de la structure de VirB8, nous avons pu identifié une petite molécule inhibitrice BAR-068, qui aurait un rôle prometteur dans l’inhibition du T4SS. Nous avons utilisé la spectroscopie par fluorescence, l’essai à deux hybrides, le cross-linking et la cristallographie afin de déterminer le mécanisme d'interaction existant entre VirB8 et BAR-068. Ces travaux pourraient permettre de nombreuses avancées, notamment en termes de compréhension des mécanismes d’inhibition du T4SS. Notre objectif ultime est de pouvoir caractériser la séquence d’évènements essentiels à l’assemblage et au fonctionnement du T4SS. De manière globale, notre projet de recherche permettrait de révéler les grands principes d’assemblage des protéines membranaires, les processus de sécrétion de protéines chez les bactéries mais aussi de proposer une nouvelle stratégie lors du développement de drogues antimicrobiennes.