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.

Analyse spectroscopique d'étoiles naines blanches riches en hydrogène(DA) : vers des modèles d'atmosphère améliorés sans paramètres libres

Le but de cette thèse est de raffiner et de mieux comprendre l'utilisation de la méthode spectroscopique, qui compare des spectres visibles de naines blanches à atmosphère riche en hydrogène (DA) à des spectres synthétiques pour en déterminer les paramètres atmosphériques (température effective et gravité de surface). Notre approche repose principalement sur le développement de modèles de spectres améliorés, qui proviennent eux-mêmes de modèles d'atmosphère de naines blanches de type DA. Nous présentons une nouvelle grille de spectres synthétiques de DA avec la première implémentation cohérente de la théorie du gaz non-idéal de Hummer & Mihalas et de la théorie unifiée de l'élargissement Stark de Vidal, Cooper & Smith. Cela permet un traitement adéquat du chevauchement des raies de la série de Balmer, sans la nécessité d'un paramètre libre. Nous montrons que ces spectres améliorés prédisent des gravités de surface qui sont plus stables en fonction de la température effective. Nous étudions ensuite le problème de longue date des gravités élevées pour les DA froides. L'hypothèse de Bergeron et al., selon laquelle les atmosphères sont contaminées par de l'hélium, est confrontée aux observations. À l'aide de spectres haute résolution récoltés au télescope Keck à Hawaii, nous trouvons des limites supérieures sur la quantité d'hélium dans les atmosphères de près de 10 fois moindres que celles requises par le scénario de Bergeron et al. La grille de spectres conçue dans ces travaux est ensuite appliquée à une nouvelle analyse spectroscopique de l'échantillon de DA du SDSS. Notre approche minutieuse permet de définir un échantillon plus propre et d'identifier un nombre important de naines blanches binaires. Nous déterminons qu'une coupure à un rapport signal-sur-bruit S/N > 15 optimise la grandeur et la qualité de l'échantillon pour calculer la masse moyenne, pour laquelle nous trouvons une valeur de 0.613 masse solaire. Finalement, huit nouveaux modèles 3D de naines blanches utilisant un traitement d'hydrodynamique radiative de la convection sont présentés. Nous avons également calculé des modèles avec la même physique, mais avec une traitement standard 1D de la convection avec la théorie de la longueur de mélange. Un analyse différentielle entre ces deux séries de modèles montre que les modèles 3D prédisent des gravités considérablement plus basses. Nous concluons que le problème des gravités élevées dans les naines blanches DA froides est fort probablement causé par une faiblesse dans la théorie de la longueur de mélange.

Analyse génotypique des cellules initiatrices de tumeurs exprimant CD133 dans le neuroblastome

Le neuroblastome (NB) est la tumeur solide extracranienne la plus fréquente et mortelle chez les jeunes enfants. Il se caractérise par une résistance à la chimiothérapie possiblement en partie dû à la présence de cellules initiatrices de tumeurs (TICs). Des études ont mis en évidence le rôle de CD133 comme un marqueur des TICs dans divers types de cancers. Les buts de notre travail étaient d’abord de démontrer les vertus de TICs des cellules exprimant CD133 et ensuite, en utilisant une analyse globale du génome avec des polymorphismes nucléotidiques simples (SNPs), d’effectuer une analyse différentielle entre les TICs et les autres cellules du NB afin d’en identifier les anomalies génétiques spécifiques. Des lignées cellulaires de NB ont été triées par cytométrie de flux afin d’obtenir deux populations: une enrichie en CD133 (CD133high), l’autre faible en CD133 (CD133low). Afin de déterminer si ces populations cellulaires présentent des propriétés de TICs, des essais sur les neurosphères, les colonies en agar mou et les injections orthotopiques de 500 cellules sélectionnées dans 11 souris ont été réalisées. Après une isolation de l’ADN des populations sélectionnées, nous avons effectué une analyse génotypique par SNP utilisant les puces « Affymetrix Genome-Wide Human SNP Array 6.0 ». Pour vérifier l’expression des gènes identifiés, des Western Blots ont été réalisés. Nos résultats ont démontré que la population CD133 avait des propriétés de TICs in vitro et in vivo. L’analyse génotypique différentielle a permis d’identifier deux régions communes (16p13.3 and 19p13.3) dans la population CD133high ayant des gains et deux autres régions (16q12.1 and 21q21.3) dans la population CD133low possédant des pertes d’hétérozygoties (LOH). Aucune perte n’a été observée. Parmi les gènes étudiés, l’expression protéique d’éphrine-A2 était corrélée à celle de CD133 dans 6 tumeurs et 2 lignées cellulaires de NB. De plus, l’augmentation de la concentration d’anticorps anti-éphrine-A2 dans le milieu diminue la taille des neurosphères. Ainsi, la population CD133high, qui a des vertus de TICs, possède des caractéristiques génotypiques différentes par rapport à celle CD133low. La présence d’éphrine-A2 dans les cellules exprimant CD133 souligne son importance dans le développement des TICs. Ces résultats suggèrent la présence de potentielle cible pour de nouvelles thérapeutiques ciblant les TICs mise en évidence par l’étude génomique.

Tendances de la fécondité canadienne au XIXe siècle : analyse des recensements canadiens de 1852 et 1881

Ce mémoire présente une analyse indirecte détaillée des niveaux de la fécondité de la population canadienne au XIXe siècle. L’exploitation des recensements canadiens de 1852 et 1881 est rendue possible grâce au Programme de recherche en démographie historique (PRDH) constituant ainsi la source de données sur laquelle s'appuie ce mémoire. Une analyse critique du recensement canadien de 1852 établit qu’il est représentatif pour ce qui est de l’âge des individus, du sexe, de l’état matrimonial, du lieu de naissance et du type de maison habitée, malgré la destruction de près d’un tiers de ses manuscrits avant d’avoir été transposés sur microfilm. De plus, l’impact de l’absence totale ou partielle des données pour les villes est mitigé, car moins de 10 % de la population était établi en ville cette année-là. L’utilisation de micro-données censitaires permet d’élaborer différentes mesures de la fécondité, telles que le rapport enfants par femme et la méthode des enfants propres. Des résultats inédits sont d'ailleurs présentés, notamment à l’aide du recensement de 1852, car ces données n’ont pas encore été exploitées, permettant ainsi d’allonger dans le temps l’analyse de la fécondité.Une analyse différentielle du risque qu’ont les femmes mariées âgées entre 40 et 49 ans vivant avec un enfant de moins de 5 ans a démontré que la fécondité effective était plus élevée chez les femmes catholiques nées au Canada, appartenant au groupe d’âge plus jeune (40-44 ans), vivant en zone rurale et ayant un mari cultivateur. Nous concluons que ces associations sont évidentes autant en 1852 qu’en 1881.

Structural matching of 2D electrophoresis gels using deformed graphs

2D electrophoresis is a well-known method for protein separation which is extremely useful in the field of proteomics. Each spot in the image represents a protein accumulation and the goal is to perform a differential analysis between pairs of images to study changes in protein content. It is thus necessary to register two images by finding spot correspondences. Although it may seem a simple task, generally, the manual processing of this kind of images is very cumbersome, especially when strong variations between corresponding sets of spots are expected (e.g. strong non-linear deformations and outliers). In order to solve this problem, this paper proposes a new quadratic assignment formulation together with a correspondence estimation algorithm based on graph matching which takes into account the structural information between the detected spots. Each image is represented by a graph and the task is to find a maximum common subgraph. Successful experimental results using real data are presented, including an extensive comparative performance evaluation with ground-truth data. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Formulação e caracterização de matérias-primas para revestimento cerâmico Semi-Poroso com adição de chamote de telhas

The ceramics industry in Piauí is nowadays with 55 industries where 11 are in Teresina which is the mainstream of the state, producing 55 million shingles; in which 10 % is of this production is wasted being sometimes thrown on the margins of rivers, roads and highways provoking an environmental degradation. The main goal of this work is to verify the potential of producing semi porous ceramic using grog of shingles, on the first part of this work bodies-of-proof were produced from a basic formula of an industry, doping it with 5 %, 10 %, 15 % and 20 % in mass and in the second part of this work some bodies-of-proof were produced from a formula where one raw material was substituted by 50 % of grog and another substituting it all by grog, bodies-of-proof made of a basic formula previously announced was used for experiment control.The grog and the raw materials were characterized by: particle size analysis , thermal differential analysis, X ray diffraction , X ray fluorescence, an thermal gravimetric analysis and rational analyses. The bodies-of-proof were sintetisized in an industrial oven obeying the normal cycle adopted by an industry, with peak temperatures of 1135 oC and a fast burning cycle of 25 minutes having as energetic fuel liquefied petroleum gas . The pieces that were obtained by this were submersed in rehearsed physics of: water absorption of, apparent specific mass, apparent porosity, lineal retraction, rupture tension to the flexural and dilatometry; mineralogical analysis for X ray diffraction; and microstructural for electronic microscope of sweeping. For all the formulas with addition of grog, superior priorities to the requested by the requirements for semi porous and for the formula to F2-2,5 superior priorities to standard formulas which justifies the incorporation of the shingles in mass for the semi porous ceramic

Produção de grês porcelanato a partir de matérias-primas do Rio Grande do Norte e queima a gás natural

The State of Rio Grande do Norte, Brazil, possess major deposits of feldspar, clay, kaolin and talc, all raw materials used in the production of porcelainized stoneware tiles. Conversely, state industries manufacture only low added value red ceramics. Porcelainized stoneware tiles is one of the noblest ceramics, depicting low water absorption (typically below of 0,5%), in addition to excellent staining resistance and mechanical strength. The present work aims at investigating the potential of local raw materials for the production of porcelainized stoneware tiles. To that end, these materials were characterized by X-ray fluorescence, X-ray diffraction, particle size analysis, thermal gravimetric analysis and thermal differential analysis. Admixtures containing different compositions were prepared and fired at three temperatures, 1150, 1200 and 1250°C for 30 min. After firing, tests samples were characterized by water absorption tests, linear retraction, dilatometric analysis, apparent porosity, apparent specific mass, flexural strength, and microstructural analysis by XRD and SEM. The results revealed that ceramics with porcelainized stoneware tiles characteristics could be produced from raw materials originated in the State of Rio Grande do Norte

Produção de grês porcelanato a partir de matérias-primas do estado da Bahia

The State Bahia, Brazil, presents different geological sites it with a very expressive variety minerals. It is situated among the very important States which produces minerals for industries, such as pointed aggregate, ornamentals stones and ceramics raw materials. Nowadays only four companies producting ceramics tiles. Porcelainized stoneware tiles is one of the noblest ceramics, depicting low water absorption (typically below of 0,5%), in addition to excellent staining resistance and mechanical strength. The present work aims at investigating the potential of local raw materials for the production of porcelainized stoneware tiles. For this purpose, these materials were characterized by X-ray fluorescence, X-ray diffraction, particle size analysis, thermal gravimetric analysis, thermal differential analysis and dilatometric analysis. Admixtures containing different compositions were prepared and fired at four temperatures, 1100 ºC, 1150 ºC, 1200 ºC and 1250 ºC with isotherm for 60 minute and heathing rate of 5 oC/min. After firing the samples, they were characterized by water absorption tests, linear retraction, analysis, apparent porosity, apparent specific mass, flexural strength, and microstructural analysis by X-ray diffraction and scanning electron microscopy . The results revealed three ceramics with porcelainized stoneware tiles characteristics and porcelain tile will be produce from raw materials originated in the State of Bahia

Synthesis, characterization and thermal studies on solid compounds of 2-chlorobenzylidenepyruvate of heavier trivalent lanthanides and yttrium(III)

Solid-state compounds of general formula LnL(3)center dot nH(2)O, where Ln represents heavier lanthanides and yttrium and L is 2-chlorobenzylidenepyruvate, have been synthesized. Chemical analysis, simultaneous thermogravimetry-differential analysis (TG-DTA), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray powder diffractometry, elemental analysis and infrared spectroscopy have been employed to characterize and to study the thermal behaviour of these compounds in dynamic air atmosphere.On heating these compounds decompose in four (Gd, Tb, Ho to Lu, Y) or five (Eu, Dy) steps. They lose the hydration water in the first step and the thermal decomposition of the anhydrous compounds up to 1200 degrees C occurs with the formation of the respective oxide, Tb4O7 and Ln(2)O(3) (Ln=Eu, Gd, Dy to Lu and Y) as final residue. The dehydration enthalpies found for these compounds (Eu, to Lu and Y) were: 65.77, 55.63, 86.89, 121.65, 99.80, 109.59, 131.02, 119.78, 205.46 and 83.11 kJ mol(-1), respectively.

Estudos das propriedades ópticas e térmicas dos xerogéis de sílica dopados com Rodamina B

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Perfil de alterações genômicas em angiofibromas nasofaringeos juvenis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Síntese, caracterização e estudo do comportamento térmico dos 2-clorobenzalpiruvatos de lantânio (III), lantanídios (III) e de ítrio (III), no estado sólido

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Síntese e caracterização de complexos de cetoprofeno com lantanídeos (III) e Ítirio (III) no estado sólido com exceção do promécio

Solid-state compounds of general formula LnL3.nH2O, in wich Ln represents lanthanum, lanthanides and yttrium, L is ketoprofen, and n = 0,5 (Pr, Sm, Tb), 1 (La, Eu, Dy, Ho, Er, Tm, Lu) e 1,5 (Ce, Nd, Gd, Yb, Y) were synthesized. Simultaneous thermogravimetry-differential analysis (TG-DTA), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray powder diffractometry, infrared spectroscopy and EDTA complexometry were employed to characterize these compounds. The TG-DTA and DSC curves provided information concerning the thermal behaviour and thermal decomposition of synthesized compounds. The experimental and theoretical infrared spectroscopic data suggested that ketoprofen acts as a bidentate ligand towards trivalent lanthanides and yttrium (III)

Caracterização de filmes de BaxSr1-xTiO3 Sintetizados pelo método hidrotermal assistido por micro-ondas e depositados por eletroforese

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Mass spectrometry-based protein profiling strategies for biomarker discovery in liver and inflammatory bowel diseases

The study of protein expression profiles for biomarker discovery in serum and in mammalian cell populations needs the continuous improvement and combination of proteins/peptides separation techniques, mass spectrometry, statistical and bioinformatic approaches. In this thesis work two different mass spectrometry-based protein profiling strategies have been developed and applied to liver and inflammatory bowel diseases (IBDs) for the discovery of new biomarkers. The first of them, based on bulk solid-phase extraction combined with matrix-assisted laser desorption/ionization - Time of Flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) and chemometric analysis of serum samples, was applied to the study of serum protein expression profiles both in IBDs (Crohn’s disease and ulcerative colitis) and in liver diseases (cirrhosis, hepatocellular carcinoma, viral hepatitis). The approach allowed the enrichment of serum proteins/peptides due to the high interaction surface between analytes and solid phase and the high recovery due to the elution step performed directly on the MALDI-target plate. Furthermore the use of chemometric algorithm for the selection of the variables with higher discriminant power permitted to evaluate patterns of 20-30 proteins involved in the differentiation and classification of serum samples from healthy donors and diseased patients. These proteins profiles permit to discriminate among the pathologies with an optimum classification and prediction abilities. In particular in the study of inflammatory bowel diseases, after the analysis using C18 of 129 serum samples from healthy donors and Crohn’s disease, ulcerative colitis and inflammatory controls patients, a 90.7% of classification ability and a 72.9% prediction ability were obtained. In the study of liver diseases (hepatocellular carcinoma, viral hepatitis and cirrhosis) a 80.6% of prediction ability was achieved using IDA-Cu(II) as extraction procedure. The identification of the selected proteins by MALDITOF/ TOF MS analysis or by their selective enrichment followed by enzymatic digestion and MS/MS analysis may give useful information in order to identify new biomarkers involved in the diseases. The second mass spectrometry-based protein profiling strategy developed was based on a label-free liquid chromatography electrospray ionization quadrupole - time of flight differential analysis approach (LC ESI-QTOF MS), combined with targeted MS/MS analysis of only identified differences. The strategy was used for biomarker discovery in IBDs, and in particular of Crohn’s disease. The enriched serum peptidome and the subcellular fractions of intestinal epithelial cells (IECs) from healthy donors and Crohn’s disease patients were analysed. The combining of the low molecular weight serum proteins enrichment step and the LCMS approach allowed to evaluate a pattern of peptides derived from specific exoprotease activity in the coagulation and complement activation pathways. Among these peptides, particularly interesting was the discovery of clusters of peptides from fibrinopeptide A, Apolipoprotein E and A4, and complement C3 and C4. Further studies need to be performed to evaluate the specificity of these clusters and validate the results, in order to develop a rapid serum diagnostic test. The analysis by label-free LC ESI-QTOF MS differential analysis of the subcellular fractions of IECs from Crohn’s disease patients and healthy donors permitted to find many proteins that could be involved in the inflammation process. Among them heat shock protein 70, tryptase alpha-1 precursor and proteins whose upregulation can be explained by the increased activity of IECs in Crohn’s disease were identified. Follow-up studies for the validation of the results and the in-depth investigation of the inflammation pathways involved in the disease will be performed. Both the developed mass spectrometry-based protein profiling strategies have been proved to be useful tools for the discovery of disease biomarkers that need to be validated in further studies.