Analytical strategies for the comprehensive profiling of histone post translational modifications by mass spectrometry and implications for functional analyses

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi.

Large scale identification of protein SUMOylation by mass spectrometry in HEK293 cells

Les fichiers qui accompagnent mon document sont des tableaux supplémentaires réalisés avec Excel (Microsoft Office), dans la version papier du mémoire ces fichiers sont sur un CD-ROM.

Mass spectrometry as a tool to dissect the role of chromatin assembly factors in regulating nucleosome assembly

L'assemblage des nucléosomes est étroitement couplée à la synthèse des histones ainsi qu’à la réplication et la réparation de l’ADN durant la phase S. Ce processus implique un mécanisme de contrôle qui contribue soigneusement et de manière régulée à l’assemblage de l’ADN en chromatine. L'assemblage des nucléosomes durant la synthèse de l’ADN est crucial et contribue ainsi au maintien de la stabilité génomique. Cette thèse décrit la caractérisation par spectrométrie de masse(SM) des protéines jouant un rôle critique dans l’assemblage et le maintien de la structure chromatinienne. Plus précisément, la phosphorylation de deux facteurs d’assemblage des nucléosome, le facteur CAF-1, une chaperone d’histone qui participe à l'assemblage de la chromatine spécifiquement couplée à la réplication de l'ADN, ainsi que le complexe protéique Hir, jouant de plus un rôle important dans la régulation transcriptionelle des gènes d’histones lors de la progression normale du cycle cellulaire et en réponse aux dommages de l'ADN, a été examiné. La caractérisation des sites de phosphorylation par SM nécéssite la séparation des protéines par éléctrophorèse suivi d’une coloration a l’argent. Dans le chapitre 2, nous demontrons que la coloration à l’argent induit un artéfact de sulfatation. Plus précisément, cet artéfact est causé par un réactif spécifiquement utilisé lors de la coloration. La sulfatation présente de fortes similitudes avec la phosphorylation. Ainsi, l’incrément de masse observé sur les peptides sulfatés et phosphorylés (+80 Da) nécéssite des instruments offrant une haute résolution et haute précision de masse pour différencier ces deux modifications. Dans les chapitres 3 et 4, nous avons d’abord démontré par SM que Cac1, la plus grande sous-unité du facteur CAF-1, est cible de plusieurs sites de phosphorylation. Fait intéréssant, certains de ces sites contiennent des séquences consensus pour les kinases Cdc7-Dbf4 et CDKs. Ainsi, ces résultats fournissent les premières évidences que CAF-1 est potentiellement régulé par ces deux kinases in vivo. La fonction de tous les sites de phosphorylation identifiés a ensuite été évaluée. Nous avons démontré que la phosphorylation de la Ser-503, un site consensus de la DDK, est essentielle à la répréssion transcriptionelle des gènes au niveau des télomères. Cependant, cette phosphorylation ne semble pas être nécéssaire pour d’autres fonctions connues de CAF-1, indiquant que le blocage de la phsophorylation de Cac1 Ser-503 affecte spécifiquement la fonction de CAF-1 aux structures hétérochromatiques des télomères. Ensuite, nous avons identifiés une intéraction physique entre CAF-1 et Cdc7-Dbf4. Des études in vitro ont également demontré que cette kinase phosphoryle spécifiquement Cac1 Ser-503, suggérant un rôle potential pour la kinase Cdc7-Dbf4 dans l’assemblage et la stabilité de la structure hétérochromatique aux télomères. Finalement, les analyses par SM nous ont également permi de montrer que la sous-unité Hpc2 du complexe Hir est phosphorylée sur plusieurs sites consensus des CDKs et de Cdc7-Dbf4. De plus, la quantification par SM d’un site spécifique de phosphorylation de Hpc2, la Ser-330, s’est révélée être fortement induite suite à l’activation du point de contrôle de réplication (le “checkpoint”) suite au dommage a l’ADN. Nous montrons que la Ser-330 de Hpc2 est phopshorylée par les kinases de point de contrôle de manière Mec1/Tel1- et Rad53-dépendante. Nos données préliminaires suggèrent ainsi que la capacité du complex Hir de réguler la répréssion transcriptionelle des gènes d'histones lors de la progression du cycle cellulaire normal et en réponse au dommage de l'ADN est médiée par la phosphorylation de Hpc2 par ces deux kinases. Enfin, ces deux études mettent en évidence l'importance de la spectrométrie de masse dans la caractérisation des sites de phosphorylation des protéines, nous permettant ainsi de comprendre plus précisement les mécanismes de régulation de l'assemblage de la chromatine et de la synthèse des histones.

Detection and quantification of staphylococcus aureus enterotoxin B in food product using isotopic dilution techniques and mass spectrometry

L’entérotoxine B staphylococcique (SEB) est une toxine entérique hautement résistante à la chaleur et est responsable de plus de 50 % des cas d’intoxication d’origine alimentaire par une entérotoxine. L’objectif principal de ce projet de maîtrise est de développer et valider une méthode basée sur des nouvelles stratégies analytiques permettant la détection et la quantification de SEB dans les matrices alimentaires. Une carte de peptides tryptiques a été produite et 3 peptides tryptiques spécifiques ont été sélectionnés pour servir de peptides témoins à partir des 9 fragments protéolytiques identifiés (couverture de 35 % de la séquence). L’anhydride acétique et la forme deutérée furent utilisés afin de synthétiser des peptides standards marqués avec un isotope léger et lourd. La combinaison de mélanges des deux isotopes à des concentrations molaires différentes fut utilisée afin d’établir la linéarité et les résultats ont démontré que les mesures faites par dilution isotopique combinée au CL-SM/SM respectaient les critères généralement reconnus d’épreuves biologiques avec des valeurs de pente près de 1, des valeurs de R2 supérieure à 0,98 et des coefficients de variation (CV%) inférieurs à 8 %. La précision et l’exactitude de la méthode ont été évaluées à l’aide d’échantillons d’homogénat de viande de poulet dans lesquels SEB a été introduite. SEB a été enrichie à 0,2, 1 et 2 pmol/g. Les résultats analytiques révèlent que la méthode procure une plage d’exactitude de 84,9 à 91,1 %. Dans l’ensemble, les résultats présentés dans ce mémoire démontrent que les méthodes protéomiques peuvent être utilisées efficacement pour détecter et quantifier SEB dans les matrices alimentaires. Mots clés : spectrométrie de masse; marquage isotopique; protéomique quantitative; entérotoxines

Assessment of Tandem Mass Spectrometry and High Resolution Mass Spectrometry for the Analysis of Bupivacaine in Plasma

Triple quadrupole mass spectrometers coupled with high performance liquid chromatography are workhorses in quantitative bioanalyses. It provides substantial benefits including reproducibility, sensitivity and selectivity for trace analysis. Selected Reaction Monitoring allows targeted assay development but data sets generated contain very limited information. Data mining and analysis of non-targeted high-resolution mass spectrometry profiles of biological samples offer the opportunity to perform more exhaustive assessments, including quantitative and qualitative analysis. The objectives of this study was to test method precision and accuracy, statistically compare bupivacaine drug concentration in real study samples and verify if high resolution and accurate mass data collected in scan mode can actually permit retrospective data analysis, more specifically, extract metabolite related information. The precision and accuracy data presented using both instruments provided equivalent results. Overall, the accuracy was ranging from 106.2 to 113.2% and the precision observed was from 1.0 to 3.7%. Statistical comparisons using a linear regression between both methods reveal a coefficient of determination (R2) of 0.9996 and a slope of 1.02 demonstrating a very strong correlation between both methods. Individual sample comparison showed differences from -4.5% to 1.6% well within the accepted analytical error. Moreover, post acquisition extracted ion chromatograms at m/z 233.1648 ± 5 ppm (M-56) and m/z 305.2224 ± 5 ppm (M+16) revealed the presence of desbutyl-bupivacaine and three distinct hydroxylated bupivacaine metabolites. Post acquisition analysis allowed us to produce semiquantitative evaluations of the concentration-time profiles for bupicavaine metabolites.

Liquid Chromatography-Electrospray Linear Ion Trap Mass Spectrometry Analysis of Targeted Neuropeptides in Tac1-/- Mouse Spinal Cords Reveal Significant Lower Concentration of Opioid Peptides.

Tachykinin and opioid peptides play a central role in pain transmission, modulation and inhibition. The treatment of pain is very important in medicine and many studies using NK1 receptor antagonists failed to show significant analgesic effects in humans. Recent investigations suggest that both pronociceptive tachykinins and the analgesic opioid systems are important for normal pain sensation. The analysis of opioid peptides in Tac1-/- spinal cord tissues offers a great opportunity to verify the influence of the tachykinin system on specific opioid peptides. The objectives of this study were to develop a HPLC–MS/MRM assay to quantify targeted peptides in spinal cord tissues. Secondly, we wanted to verify if the Tac1-/- mouse endogenous opioid system is hampered and therefore affect significantly the pain modulatory pathways. Targeted neuropeptides were analyzed by high performance liquid chromatography linear ion trap mass spectrometry. Our results reveal that EM-2, Leu-Enk and Dyn A were down-regulated in Tac1-/- spinal cord tissues. Interestingly, Dyn A was almost 3 fold down-regulated (p < 0.0001). No significant concentration differences were observed in mouse Tac1-/- spinal cords for Met-Enk and CGRP. The analysis of Tac1-/- mouse spinal cords revealed noteworthy decreases of EM-2, Leu-Enk and Dyn A concentrations which strongly suggest a significant impact on the endogenous pain-relieving mechanisms. These observations may have insightful impact on future analgesic drug developments and therapeutic strategies.

In Vitro Ketamine CYP3A Mediated Metabolism Study using Mammalian Liver S9 Fractions, cDNA Expressed Enzymes and Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry

Ketamine is widely used in medicine in combination with several benzodiazepines including midazolam. The objectives of this study were to develop a novel HPLC-MS/SRM method capable of quantifying ketamine and norketamine using an isotopic dilution strategy in biological matrices and study the formation of norketamine, the principal metabolite of ketamine with and without the presence of midazolam, a well-known CYP3A substrate. The chromatographic separation was achieved using a Thermo Betasil Phenyl 100 x 2 mm column combined with an isocratic mobile phase composed of acetonitrile, methanol, water and formic acid (60:20:20:0.4) at a flow rate of 300 μL/min. The mass spectrometer was operating in selected reaction monitoring mode and the analytical range was set at 0.05–50 μM. The precision (%CV) and accuracy (%NOM) observed were ranging from 3.9–7.8 and 95.9.2–111.1% respectively. The initial rate of formation of norketamine was determined using various ketamine concentration and Km values of 18.4 μM, 13.8 μM and 30.8 μM for rat, dog and human liver S9 fractions were observed respectively. The metabolic stability of ketamine on liver S9 fractions was significantly higher in human (T1/2 = 159.4 min) compared with rat (T1/2 = 12.6 min) and dog (T1/2 = 7.3 min) liver S9 fractions. Moreover significantly lower IC50 and Ki values observed in human compared with rat and dog liver S9 fractions. Experiments with cDNA expressed CYP3A enzymes showed the formation of norketamine is mediated by CYP3A but results suggest an important contribution from others isoenzymes, most likely CYP2C particularly in rat.

Assessment of meat authenticity using bioinformatics, targeted peptide biomarkers and high-resolution mass spectrometry

In recent years, we observed a significant increase of food fraud ranging from false label claims to the use of additives and fillers to increase profitability. Recently in 2013, horse and pig DNA were detected in beef products sold from several retailers. Mass spectrometry has become the workhorse in protein research and the detection of marker proteins could serve for both animal species and tissue authentication. Meat species authenticity will be performed using a well defined proteogenomic annotation, carefully chosen surrogate tryptic peptides and analysis using a hybrid quadrupole-Orbitrap mass spectrometer. Selected mammalian meat samples were homogenized, proteins were extracted and digested with trypsin. The samples were analyzed using a high-resolution mass spectrometer. The chromatography was achieved using a 30 minutes linear gradient along with a BioBasic C8 100 × 1 mm column at a flow rate of 75 µL/min. The mass spectrometer was operated in full-scan high resolution and accurate mass. MS/MS spectra were collected for selected proteotypic peptides. Muscular proteins were methodically analyzed in silico in order to generate tryptic peptide mass lists and theoretical MS/MS spectra. Following a comprehensive bottom-up proteomic analysis, we were able to detect and identify a proteotypic myoglobin tryptic peptide [120-134] for each species with observed m/z below 1.3 ppm compared to theoretical values. Moreover, proteotypic peptides from myosin-1, myosin-2 and -hemoglobin were also identified. This targeted method allowed a comprehensive meat speciation down to 1% (w/w) of undesired product.

Liquid matrix deposition on conductive hydrophobic surfaces for tuning and quantitation in UV-MALDI mass spectrometry

With its highly fluctuating ion production matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) poses many practical challenges for its application in mass spectrometry. Instrument tuning and quantitative ion abundance measurements using ion signal alone depend on a stable ion beam. Liquid MALDI matrices have been shown to be a promising alternative to the commonly used solid matrices. Their application in areas where a stable ion current is essential has been discussed but only limited data have been provided to demonstrate their practical use and advantages in the formation of stable MALDI ion beams. In this article we present experimental data showing high MALDI ion beam stability over more than two orders of magnitude at high analytical sensitivity (low femtomole amount prepared) for quantitative peptide abundance measurements and instrument tuning in a MALDI Q-TOF mass spectrometer. Samples were deposited on an inexpensive conductive hydrophobic surface and shrunk to droplets <10 nL in size. By using a sample droplet <10 nL it was possible to acquire data from a single irradiated spot for roughly 10,000 shots with little variation in ion signal intensity at a laser repetition rate of 5-20 Hz.

High-throughput proteomics using matrix-assisted laser desorption/ ionization mass spectrometry

It has become evident that the mystery of life will not be deciphered just by decoding its blueprint, the genetic code. In the life and biomedical sciences, research efforts are now shifting from pure gene analysis to the analysis of all biomolecules involved in the machinery of life. One area of these postgenomic research fields is proteomics. Although proteomics, which basically encompasses the analysis of proteins, is not a new concept, it is far from being a research field that can rely on routine and large-scale analyses. At the time the term proteomics was coined, a gold-rush mentality was created, promising vast and quick riches (i.e., solutions to the immensely complex questions of life and disease). Predictably, the reality has been quite different. The complexity of proteomes and the wide variations in the abundances and chemical properties of their constituents has rendered the use of systematic analytical approaches only partially successful, and biologically meaningful results have been slow to arrive. However, to learn more about how cells and, hence, life works, it is essential to understand the proteins and their complex interactions in their native environment. This is why proteomics will be an important part of the biomedical sciences for the foreseeable future. Therefore, any advances in providing the tools that make protein analysis a more routine and large-scale business, ideally using automated and rapid analytical procedures, are highly sought after. This review will provide some basics, thoughts and ideas on the exploitation of matrix-assisted laser desorption/ ionization in biological mass spectrometry - one of the most commonly used analytical tools in proteomics - for high-throughput analyses.

Liquid ultraviolet matrix-assisted laser desorption/ionization - mass spectrometry for automated proteomic analysis

We have combined several key sample preparation steps for the use of a liquid matrix system to provide high analytical sensitivity in automated ultraviolet -- matrix-assisted laser desorption/ionisation -- mass spectrometry (UV-MALDI-MS). This new sample preparation protocol employs a matrix-mixture which is based on the glycerol matrix-mixture described by Sze et al. The low-femtomole sensitivity that is achievable with this new preparation protocol enables proteomic analysis of protein digests comparable to solid-state matrix systems. For automated data acquisition and analysis, the MALDI performance of this liquid matrix surpasses the conventional solid-state MALDI matrices. Besides the inherent general advantages of liquid samples for automated sample preparation and data acquisition the use of the presented liquid matrix significantly reduces the extent of unspecific ion signals in peptide mass fingerprints compared to typically used solid matrices, such as 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB) or alpha-cyano-hydroxycinnamic acid (CHCA). In particular, matrix and low-mass ion signals and ion signals resulting from cation adduct formation are dramatically reduced. Consequently, the confidence level of protein identification by peptide mass mapping of in-solution and in-gel digests is generally higher.

Combined affinity labelling and mass spectrometry analysis of differential cell surface protein expression in normal and prostate cancer cells

Differences in the expression of cell surface proteins between a normal prostate epithelial (1542-NP2TX) and a prostate cancer cell line (1542-CP3TX) derived from the same patient were investigated. A combination of affinity chromatographic purification of biotin-tagged surface proteins with mass spectrometry analysis identified 26 integral membrane proteins and 14 peripheral surface proteins. The findings confirm earlier reports of altered expression in prostate cancer for several cell surface proteins, including ALCAM/CD166, the Ephrin type A receptor, EGFR and the prostaglandin F2 receptor regulatory protein. In addition, several novel findings of differential expression were made, including the voltage-dependent anion selective channel proteins Porin 1 and 2, ecto-5'-nucleotidase (CD73) and Scavenger receptor B1. Cell surface protein expression changed both qualitatively and quantitatively when the cells were grown in the presence of either or both interferon INFalpha and INFgamma. Costimulation with type I and II interferons had additive or synergistic effects on the membrane density of several, mainly peripherally attached surface proteins. Concerted upregulation of surface exposed antigens may be of benefit in immuno-adjuvant-based treatment of interferon-responsive prostate cancer. In conclusion, this study demonstrates that differences in the expression of membrane proteins between normal and prostate cancer cells are reproducibly detectable following vectorial labelling with biotin, and that detailed analysis of extracellular-induced surface changes can be achieved by combining surface-specific labelling with high-resolution two-dimensional gel electrophoresis and mass spectrometry.

Stress-induced changes in the Schizosaccharomyces pombe proteome using two-dimensional difference gel electrophoresis, mass spectrometry and a novel integrated robotics platform

Robotic and manual methods have been used to obtain identification of significantly changing proteins regulated when Schizosaccharomyces pombe is exposed to oxidative stress. Differently treated S. pombe cells were lysed, labelled with CyDye and analysed by two-dimensional difference gel electrophoresis. Gel images analysed off-line, using the DeCyder image analysis software [GE Healthcare, Amersham, UK] allowed selection of significantly regulated proteins. Proteins displaying differential expression were excised robotically for manual digestion and identified by matrix-assisted laser desorption/ionisation - mass spectrometry (MALDI-MS). Additionally the same set of proteins displaying differential expression were automatically cut and digested using a prototype robotic platform. Automated MALDI-MS, peak label assignment and database searching were utilised to identify as many proteins as possible. The results achieved by the robotic system were compared to manual methods. The identification of all significantly altered proteins provides an annotated peroxide stress-related proteome that can be used as a base resource against which other stress-induced proteomic changes can be compared.

Liquid ultraviolet matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry for automated proteomic analysis

We have combined several key sample preparation steps for the use of a liquid matrix system to provide high analytical sensitivity in automated ultraviolet - matrix-assisted laser desorption/ ionisation - mass spectrometry (UV-MALDI-MS). This new sample preparation protocol employs a matrix-mixture which is based on the glycerol matrix-mixture described by Sze et al. U. Am. Soc. Mass Spectrom. 1998, 9, 166-174). The low-ferntomole sensitivity that is achievable with this new preparation protocol enables proteomic analysis of protein digests comparable to solid-state matrix systems. For automated data acquisition and analysis, the MALDI performance of this liquid matrix surpasses the conventional solid-state MALDI matrices. Besides the inherent general advantages of liquid samples for automated sample preparation and data acquisition the use of the presented liquid matrix significantly reduces the extent of unspecific ion signals in peptide mass fingerprints compared to typically used solid matrices, such as 2,5-dihydrox-ybenzoic acid (DHB) or alpha-cyano-hydroxycinnamic acid (CHCA). In particular, matrix and lowmass ion signals and ion signals resulting from cation adduct formation are dramatically reduced. Consequently, the confidence level of protein identification by peptide mass mapping of in-solution and in-gel digests is generally higher.