Practical considerations for improving the productivity of mass spectrometry-based proteomics.

Mass spectrometry (MS) is currently the most sensitive and selective analytical technique for routine peptide and protein structure analysis. Top-down proteomics is based on tandem mass spectrometry (MS/ MS) of intact proteins, where multiply charged precursor ions are fragmented in the gas phase, typically by electron transfer or electron capture dissociation, to yield sequence-specific fragment ions. This approach is primarily used for the study of protein isoforms, including localization of post-translational modifications and identification of splice variants. Bottom-up proteomics is utilized for routine high-throughput protein identification and quantitation from complex biological samples. The proteins are first enzymatically digested into small (usually less than ca. 3 kDa) peptides, these are identified by MS or MS/MS, usually employing collisional activation techniques. To overcome the limitations of these approaches while combining their benefits, middle-down proteomics has recently emerged. Here, the proteins are digested into long (3-15 kDa) peptides via restricted proteolysis followed by the MS/MS analysis of the obtained digest. With advancements of high-resolution MS and allied techniques, routine implementation of the middle-down approach has been made possible. Herein, we present the liquid chromatography (LC)-MS/MS-based experimental design of our middle-down proteomic workflow coupled with post-LC supercharging.

Integrative and systemic approaches for evaluating PPARβ/δ (PPARD) function.

The peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are a group of nuclear receptors that function as transcription factors regulating the expression of genes involved in cellular differentiation, development, metabolism and also tumorigenesis. Three PPAR isotypes (α, β/δ and γ) have been identified, among which PPARβ/δ is the most difficult to functionally examine due to its tissue-specific diversity in cell fate determination, energy metabolism and housekeeping activities. PPARβ/δ acts both in a ligand-dependent and -independent manner. The specific type of regulation, activation or repression, is determined by many factors, among which the type of ligand, the presence/absence of PPARβ/δ-interacting corepressor or coactivator complexes and PPARβ/δ protein post-translational modifications play major roles. Recently, new global approaches to the study of nuclear receptors have made it possible to evaluate their molecular activity in a more systemic fashion, rather than deeply digging into a single pathway/function. This systemic approach is ideally suited for studying PPARβ/δ, due to its ubiquitous expression in various organs and its overlapping and tissue-specific transcriptomic signatures. The aim of the present review is to present in detail the diversity of PPARβ/δ function, focusing on the different information gained at the systemic level, and describing the global and unbiased approaches that combine a systems view with molecular understanding.

Mechanisms of OGT-mediated HCF-1 protein maturation

Post-translational protein modifications are crucial for many fundamental cellular and extracellular processes and greatly contribute to the complexity of organisms. Human HCF-1 is a transcriptional co-regulator that undergoes complex protein maturation involving reversible and irreversible post-translational modifications. Upon synthesis as a large precursor protein, HCF-1 undergoes extensive reversible glycosylation with β-N-acetylglucosamine giving rise to O-linked-β-N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) modified serines and threonines. HCF-1 also undergoes irreversible site-specific proteolysis, which is important for one of HCF-1's major functions - the regulation of the cell-division cycle. HCF-1 O-GlcNAcylation and site-specific proteolysis are both catalyzed by a single enzyme with an unusual dual enzymatic activity, the O-GlcNAc transferase (OGT). HCF-1 is cleaved by OGT at any of six highly conserved 26 amino acid repeated sequences (HCF-1PRO repeats), but the mechanisms and the substrate requirements for OGT-mediated cleavage are not understood. In the present work, I characterized substrate requirements for OGT-mediated cleavage and O-GlcNAcylation of HCF-1. I identified key elements within the HCF-1PRO-repeat sequence that are important for proteolysis. Remarkably, an invariant single amino acid side-chain within the HCF-1PRO-repeat sequence displays particular OGT-binding properties and is essential for proteolysis. Additionally, I characterized substrate requirements for proteolysis outside of the HCF-1PRO repeat and identified a novel, highly O-GlcNAcylated OGT-binding sequence that enhances cleavage of the first HCF-1PRO repeat. These results link OGT association and its O-GlcNAcylation activities to HCF-1PRO-repeat proteolysis.

Most of the Abundant Protein Fractions of Embryonic Cerebrospinal Fluid are Produced Out of the Brain Anlagen

The microenvironment of the central nervous system is important for neuronal function and development. During the early stages of embryo development the cephalic vesicles are filled by embryonic cerebrospinal fluid, a complex fluid containing different protein fractions, which contributes to the regulation of the survival, proliferation and neurogenesis of neuroectodermal stem cells. The protein content of embryonic cerebrospinal fluid from chick and rat embryos at the start of neurogenesis has already been determined. Most of the identified gene products are thought to be involved in the regulation of developmental processes during embryogenesis. However, due to the crucial roles played by embryonic cerebrospinal fluid during brain development, the embryological origin of the gene products it contains remains an intriguing question. According to the literature most of these products are synthesised in embryonic tissues other than the neuroepithelium. In this study we examined the embryological origin of the most abundant embryonic cerebrospinal fluid protein fractions by means of slot-blot analysis and by using several different embryonic and extraembryonic protein extracts, immunodetected with polyclonal antibodies. This first attempt to elucidate their origin is not based on the proteins identified by proteomic methods, but rather on crude protein fractions detected by SDS-PAGE analysis and to which polyclonal antibodies were specifically generated. Despite some of the limitations of this study, i.e. that one protein fraction may contain more than one gene product, and that a specific gene product may be contained in different protein fractions depending on post-translational modifications, our results show that most of the analysed protein fractions are not produced by the cephalic neuroectoderm but are rather stored in the egg reservoir; furthermore, few are produced by embryo tissues, thus indicating that they must be transported from their production or storage sites to the cephalic cavities, most probably via embryonic serum. These results raise the question as to whether the transfer of proteins from these two embryo compartments is regulated at this early developmental stage.

Simplified sample handing in mass spectrometry based protein research - focus on protein phosphorylation

The human genome comprises roughly 20 000 protein coding genes. Proteins are the building material for cells and tissues, and proteins are functional compounds having an important role in many cellular responses, such as cell signalling. In multicellular organisms such as humans, cells need to communicate with each other in order to maintain a normal function of the tissues within the body. This complex signalling between and within cells is transferred by proteins and their post-translational modifications, one of the most important being phosphorylation. The work presented here concerns the development and use of tools for phosphorylation analysis. Mass spectrometers have become essential tools to study proteins and proteomes. In mass spectrometry oriented proteomics, proteins can be identified and their post-translational modifications can be studied. In this Ph.D. thesis the objectives were to improve the robustness of sample handling methods prior to mass spectrometry analysis for peptides and their phosphorylation status. The focus was to develop strategies that enable acquisition of more MS measurements per sample, higher quality MS spectra and simplified and rapid enrichment procedures for phosphopeptides. Furthermore, an objective was to apply these methods to characterize phosphorylation sites of phosphopeptides. In these studies a new MALDI matrix was developed which allowed more homogenous, intense and durable signals to be acquired when compared to traditional CHCA matrix. This new matrix along with other matrices was subsequently used to develop a new method that combines multiple spectra from different matrises from identical peptides. With this approach it was possible to identify more phosphopeptides than with conventional LC/ESI-MS/MS methods, and to use 5 times less sample. Also, phosphopeptide affinity MALDI target was prepared to capture and immobilise phosphopeptides from a standard peptide mixture while maintaining their spatial orientation. In addition a new protocol utilizing commercially available conductive glass slides was developed that enabled fast and sensitive phosphopeptide purification. This protocol was applied to characterize the in vivo phosphorylation of a signalling protein, NFATc1. Evidence for 12 phosphorylation sites were found, and many of those were found in multiply phosphorylated peptides

Cellular responses to stress and kinase signaling activation : apoptosis and differentiation

Stressignaler avkänns många gånger av membranbundna proteiner som översätter signalerna till kemisk modifiering av molekyler, ofta proteinkinaser Dessa kinaser överför de avkodade budskapen till specifika transkriptionsfaktorer genom en kaskad av sekventiella fosforyleringshändelser, transkriptionsfaktorerna aktiverar i sin tur de gener som behövs för att reagera på stressen. En av de mest kända måltavlorna för stressignaler är transkriptionsfaktor AP-1 familjemedlemen c-Jun. I denna studie har jag identifierat den nukleolära proteinet AATF som en ny regulator av c-Jun-medierad transkriptionsaktivitet. Jag visar att stresstimuli inducerar omlokalisering av AATF vilket i sin tur leder till aktivering av c-Jun. Den AATF-medierad ökningen av c-Jun-aktiviteten leder till en betydande ökning av programmerad celldöd. Parallellt har jag vidarekarakteriserat Cdk5/p35 signaleringskomplexet som tidigare har identifierats i vårt laboratorium som en viktig faktor för myoblastdifferentiering. Jag identifierade den atypiska PKCξ som en uppströms regulator av Cdk5/p35-komplexet och visar att klyvning och aktivering av Cdk5 regulatorn p35 är av fysiologisk betydelse för differentieringsprocessen och beroende av PKCξ aktivitet. Jag visar att vid induktion av differentiering fosforylerar PKCξ p35 vilket leder till calpain-medierad klyvning av p35 och därmed ökning av Cdk5-aktiviteten. Denna avhandling ökar förståelsen för de regulatoriska mekanismer som styr c-Jun-transkriptionsaktiviteten och c-Jun beroende apoptos genom att identifiera AATF som en viktig faktor. Dessutom ger detta arbete nya insikter om funktionen av Cdk5/p35-komplexet under myoblastdifferentiering och identifierar PKCξ som en uppströms regulator av Cdk5 aktivitet och myoblast differentiering.

Regulation of cell fate by c-FLIP phosphorylation

Programmed cell death is an important physiological cellular process that maintains homeostasis and protects multicellular organisms from diseases. Apoptosis is the principal mode of cell death, which eliminates unwanted cells and an enormous effort has been made to understand the molecular mechanisms of the signaling pathway and its regulatory systems. Irregular apoptosis often has life-threatening consequences to humans, including cancer, autoimmune diseases and degenerative diseases. In cancer for example, cell death is an attractive target to eradicate uncontrollably proliferating cells that have disregard pro-apoptotic signaling. Targeted therapeutic approaches are not as effective as once expected, since now we know that the cell death pathways are not sole entities in cells, but are highly associated with various cellular processes. Proteins that regulate apoptosis can also control non-apoptotic signaling pathways. For example, c-FLIP is a protein that can either inhibit or promote caspase-8 activation, which is required to induce apoptosis. Not only has c-FLIP opposing effects on initiating apoptosis, but it also regulates various pro-survival signaling pathways in the cell. It is well known that protein expression level is a determinant of how c-FLIP can regulate different signaling pathways, but other regulatory mechanisms potentially affecting the role of c-FLIP are less well understood. This work addresses novel insights into the mechanisms of c-FLIP post-translational modifications and their functional consequences. We have identified that phosphorylation is an important inception for subcellular localization of c-FLIP, thereby dictating which apoptotic and non-apoptotic signaling pathways c-FLIP could regulate to promote cell survival. Furthermore, we have constructed mathematical models to unite independent studies to establish more systematic c-FLIP signaling pathways to understand the dynamics of extrinsically-induced apoptosis.

Characterization of Leaf-Type Ferredoxin-NADP+ Oxidoreductase (FNR) Isoforms in Arabidopsis thaliana

Life on earth is based on sunlight, which is captured in chemical form by photosynthetic reactions. In the chloroplasts of plants, light reactions of photosynthesis take place at thylakoid membranes, whereas carbon assimilation reactions occur in the soluble stroma. The products of linear electron transfer (LET), highly-energetic ATP molecules, and reducing power in the form of NADPH molecules, are further used in the fixation of inorganic CO2 molecules into organic sugars. Ferredoxin-NADP+ oxidoreductase (FNR) catalyzes the last of the light reactions by transferring electrons from ferredoxin (FD) to NADP+. In addition to LET, FNR has been suggested to play a role in cyclic electron transfer (CET), which produces ATP without the accumulation of reducing equivalents. CET is proposed to occur via two putative routes, the PGR5- route and the NDH-route. In this thesis, the leaf-type FNR (LFNR) isoforms LFNR1 and LFNR2 of a model organism, Arabidopsis thaliana, were characterized. The physiological roles of LFNRs were investigated using single and double mutant plants. The viability of the single mutants indicates functionality of both isoforms, with neither appearing to play a specific role in CET. The more severe phenotype of low-temperature adapted fnr2 plants compared to both wild-type (WT) and fnr1 plants suggests a specific role for LFNR2 under unfavorable growth conditions. The more severe phenotype of the fnr1 x fnr2 (F1 generation) plants compared to single mutants reflects down-regulated photosynthetic capacity, whereas slightly higher excitation pressure indicates mild over-excitation of electron transfer chain (ETC). However, induction of CET and various photoprotective mechanisms enable adaptation of fnr1 x fnr2 plants to scarcity of LFNR. The fnr1 fnr2 plants (F2 generation), without detectable levels of LFNR, were viable only under heterotrophic conditions. Moreover, drought stress induced acceleration of the rate of P700 + re-reduction in darkness was accompanied by a concomitant up-regulation of the PGR5-route specific components, PGR5 and PGRL1, demonstrating the induction of CET via the PGR5-route. The up-regulation of relative transcriptional expression of the FD1 gene indicates that the FD1 isoform may have a specific function in CET, while no such role could be defined for either of the LFNR isoforms. Both the membrane-bound and soluble LFNR1 and LFNR2 each appear as two distinct spots after 2D-PAGE with different isoelectric points (pIs), indicating the existence of post-translational modifications (PTMs) which do not determine the membrane attachment of LFNR. The possibility of phosphorylation and glycosylation PTMs were excluded, but all four LFNR forms were shown to contain acetylated lysine residues as well as alternative N-termini. N-terminal acetylation was shown to shift the pI of both LFNRs to be more acidic. In addition, all four LFNR forms were demonstrated to interact both with FD1 and FD2 in vitro

Regulation of HSF2 and its function in mitosis

The cell is continuously subjected to various forms of external and intrinsic proteindamaging stresses, including hyperthermia, pathophysiological states, as well as cell differentiation and proliferation. Proteindamaging stresses result in denaturation and improper folding of proteins, leading to the formation of toxic aggregates that are detrimental for various pathological conditions, including Alzheimer’s and Huntington’s diseases. In order to maintain protein homeostasis, cells have developed different cytoprotective mechanisms, one of which is the evolutionary well-conserved heat shock response. The heat shock response results in the expression of heat shock proteins (Hsps), which act as molecular chaperones that bind to misfolded proteins, facilitate their refolding and prevent the formation of protein aggregates. Stress-induced expression of Hsps is mediated by a family of transcription factors, the heat shock factors, HSFs. Of the four HSFs found in vertebrates, HSF1-4, HSF1 is the major stress-responsive factor that is required for the induction of the heat shock response. HSF2 cannot alone induce Hsps, but modulates the heat shock response by forming heterotrimers with HSF1. HSFs are not only involved in the heat shock response, but they have also been found to have a function in development, neurodegenerative disorders, cancer, and longevity. Therefore, insight into how HSFs are regulated is important for the understanding of both normal physiological and disease processes. The activity of HSF1 is mainly regulated by intricate post-translational modifications, whereas the activity of HSF2 is concentrationdependent. However, there is only limited understanding of how the abundance of HSF2 is regulated. This study describes two different means of how HSF2 levels are regulated. In the first study it was shown that microRNA miR-18, a member of the miR-17~92 cluster, directly regulates Hsf2 mRNA stability and thus protein levels. HSF2 has earlier been shown to play a profound role in the regulation of male germ cell maturation during the spermatogenesis. The effect on miR-18 on HSF2 was examined in vivo by transfecting intact seminiferous tubules, and it was found that inhibition of miR-18 resulted in increased HSF2 levels and modified expression of the HSF2 targets Ssty2 and Speer4a. HSF2 has earlier been reported to modulate the heat shock response by forming heterotrimers with HSF1. In the second study, it was shown that HSF2 is cleared off the Hsp70 promoter and degraded by the ubiquitinproteasome pathway upon acute stress. By silencing components of the anaphase promoting complex/cyclosome (APC/C), including the co-activators Cdc20 and Cdh1, it was shown that APC/C mediates the heatinduced ubiquitylation of HSF2. Furthermore, down-regulation of Cdc20 was shown to alter the expression of heat shock-responsive genes. Next, we studied if APC/C-Cdc20, which controls cell cycle progression, also regulates HSF2 during the cell cycle. We found that both HSF2 mRNA and protein levels decreased during mitosis in several but not all human cell lines, indicating that HSF2 has a function in mitotic cells. Interestingly, although transcription is globally repressed during mitosis, mainly due to the displacement of RNA polymerase II and transcription factors, including HSF1, from the mitotic chromatin, HSF2 is capable of binding DNA during mitosis. Thus, during mitosis the heat shock response is impaired, leaving mitotic cells vulnerable to proteotoxic stress. However, in HSF2-deficient mitotic cells the Hsp70 promoter is accessible to both HSF1 and RNA polymerase II, allowing for stress-inducible Hsp expression to occur. As a consequence HSF2-deficient mitotic cells have a survival advantage upon acute heat stress. The results, presented in this thesis contribute to the understanding of the regulatory mechanisms of HSF2 and its function in the heat shock response in both interphase and mitotic cells.

Targeting and translocation of endothelial nitric oxide synthase

This review explores advances in our understanding of the intracellular regulation of the endothelial isoform of nitric oxide synthase (eNOS) in the context of its dynamically regulated subcellular targeting. Nitric oxide (NO) is a labile molecule, and may play important biological roles both within the cell in which it is synthesized and in its interactions with nearby cells and molecules. The localization of eNOS within the cell importantly influences the biological role and chemical fate of the NO produced by the enzyme. eNOS, a Ca2+/calmodulin-dependent enzyme, is subject to a complex pattern of intracellular regulation, including co- and post-translational modifications and interactions with other proteins and ligands. In endothelial cells and cardiac myocytes eNOS is localized in specialized plasmalemmal signal-transducing domains termed caveolae; acylation of the enzyme by the fatty acids myristate and palmitate is required for targeting of the protein to caveolae. Targeting to caveolae facilitates eNOS activation following receptor stimulation. In resting cells, eNOS is tonically inhibited by its interactions with caveolin, the scaffolding protein in caveolae. However, following agonist activation, eNOS dissociates from caveolin, and nearly all the eNOS translocates to structures within the cell cytosol; following more protracted incubations with agonists, most of the cytosolic enzyme subsequently translocates back to the cell membrane. The agonist-induced internalization of eNOS is completely abrogated by chelation of intracellular Ca2+. These rapid receptor-mediated effects are seen not only for "classic" eNOS agonists such as bradykinin, but also for estradiol, indicating a novel non-genomic role for estrogen in eNOS activation. eNOS targeting to the membrane is labile, and is subject to receptor-regulated Ca2+-dependent reversible translocation, providing another point for regulation of NO-dependent signaling in the vascular endothelium.

No evidence of association of MUC-1 genetic polymorphism with embryo implantation failure

Pregnancy loss can be caused by several factors involved in human reproduction. Although up to 50% of cases remain unexplained, it has been postulated that the major cause of failed pregnancy is an error of embryo implantation. Transmembrane mucin-1 (MUC-1) is a glycoprotein expressed on the endometrial cell surface which acts as a barrier to implantation. The gene that codes for this molecule is composed of a polymorphic tandem repeat of 60 nucleotides. Our objective was to determine if MUC-1 genetic polymorphism is associated with implantation failure in patients with a history of recurrent abortion. The study was conducted on 10 women aged 25 to 35 years with no history of successful pregnancy and with a diagnosis of infertility. The control group consisted of 32 patients aged 25 to 35 years who had delivered at least two full-term live children and who had no history of abortions or fetal losses. MUC-1 amplicons were obtained by PCR and observed on agarose and polyacrylamide gel after electrophoresis. Statistical analysis showed no significant difference in the number of MUC-1 variable number of tandem repeats between these groups (P > 0.05). Our results suggest that there is no effect of the polymorphic MUC-1 sequence on the implantation failure. However, the data do not exclude MUC-1 relevance during embryo implantation. The process is related to several associated factors such as the mechanisms of gene expression in the uterus, specific MUC-1 post-translational modifications and appropriate interactions with other molecules during embryo implantation.

Interactions protéiques et relation dynamique entre phosphorylation / sumoylation / ubiquitination des protéines TIF1α, β et PML: détection in vivo par BRET

Trois protéines de la famille TRIM (Motif TRIpartite), TIF1α, β (Transcriptional Intermediary Factor 1) et PML (ProMyelocytic Leukaemia¬), font l’objet de cette étude. TIF1α est connu comme un coactivateur des récepteurs nucléaires et TIF1β comme le corépresseur universel des protéines KRAB-multidoigt de zinc dont le prototype étudié ici est ZNF74. PML possède divers rôles dont le plus caractérisé est celui d’être l’organisateur principal et essentiel des PML-NBs (PML-Nuclear Bodies), des macrostructures nucléaires très dynamiques regroupant et coordonnant plus de 40 protéines. Il est à noter que la fonction de TIF1α, β et PML est régulée par une modification post-traductionnelle, la sumoylation, qui implique le couplage covalent de la petite protéine SUMO (Small Ubiquitin like MOdifier) à des lysines de ces trois protéines cibles. Cette thèse propose de développer des méthodes utilisant le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) afin de détecter dans des cellules vivantes et en temps réel des interactions non-covalentes de protéines nucléaires mais aussi leur couplage covalent à SUMO. En effet, le BRET n’a jamais été exploré jusqu’alors pour étudier les interactions non-covalentes et covalentes de protéines nucléaires. L’étude de l’interaction de protéines transcriptionnellement actives est parfois difficile par des méthodes classiques du fait de leur grande propension à agréger (famille TRIM) ou de leur association à la matrice nucléaire (ZNF74). L’homo et l’hétérodimérisation de TIF1α, β ainsi que leur interaction avec ZNF74 sont ici testées sur des protéines entières dans des cellules vivantes de mammifères répondant aux résultats conflictuels de la littérature et démontrant que le BRET peut être avantageusement utilisé comme alternative aux essais plus classiques basés sur la transcription. Du fait de l’hétérodimérisation confirmée de TIF1α et β, le premier article présenté ouvre la possibilité d’une relation étroite entre les récepteurs nucléaires et les protéines KRAB- multidoigt de zinc. Des études précédentes ont démontré que la sumoylation de PML est impliquée dans sa dégradation induite par l’As2O3 et dépendante de RNF4, une E3 ubiquitine ligase ayant pour substrat des chaînes de SUMO (polySUMO). Dans le second article, grâce au développement d’une nouvelle application du BRET pour la détection d’interactions covalentes et non-covalentes avec SUMO (BRETSUMO), nous établissons un nouveau lien entre la sumoylation de PML et sa dégradation. Nous confirmons que le recrutement de RNF4 dépend de SUMO mais démontrons également l’implication du SBD (Sumo Binding Domain) de PML dans sa dégradation induite par l’As2O3 et/ou RNF4. De plus, nous démontrons que des sérines, au sein du SBD de PML, qui sont connues comme des cibles de phosphorylation par la voie de la kinase CK2, régulent les interactions non-covalentes de ce SBD mettant en évidence, pour la première fois, que les interactions avec un SBD peuvent dépendre d’un évènement de phosphorylation (“SBD phospho-switch”). Nos résultats nous amènent à proposer l’hypothèse que le recrutement de PML sumoylé au niveau des PML-NBs via son SBD, favorise le recrutement d’une autre activité E3 ubiquitine ligase, outre celle de RNF4, PML étant lui-même un potentiel candidat. Ceci suggère l’existence d’une nouvelle relation dynamique entre phosphorylation, sumoylation et ubiquitination de PML. Finalement, il est suggéré que PML est dégradé par deux voies différentes dépendantes de l’ubiquitine et du protéasome; la voie de CK2 et la voie de RNF4. Enfin une étude sur la sumoylation de TIF1β est également présentée en annexe. Cette étude caractérise les 6 lysines cibles de SUMO sur TIF1β et démontre que la sumoylation est nécessaire à l’activité répressive de TIF1β mais n’est pas impliquée dans son homodimérisation ou son interaction avec la boîte KRAB. La sumoylation est cependant nécessaire au recrutement d’histones déacétylases, dépendante de son homodimérisation et de l’intégrité du domaine PHD. Alors que l’on ne connaît pas de régulateur physiologique de la sumoylation outre les enzymes directement impliquées dans la machinerie de sumoylation, nous mettons en évidence que la sumoylation de TIF1β est positivement régulée par son interaction avec le domaine KRAB et suggérons que ces facteurs transcriptionnels recrutent TIF1β à l’ADN au niveau de promoteur et augmentent son activité répressive en favorisant sa sumoylation.

Les gènes et protéines BSP chez la souris et l’humain : clonage, caractérisation, expression sous forme recombinante et étude des fonctions biologiques

L’infertilité affecte environ 15% des couples en âge de se reproduire. Dans près de la moitié des cas, des facteurs masculins sont à la base de l’infertilité, quoique les causes exactes demeurent souvent inconnues. Les spermatozoïdes de mammifères subissent une série d’étapes de maturation avant d’acquérir la capacité de féconder un ovocyte. Les premiers changements ont lieu à l’intérieur de l’épididyme, où les spermatozoïdes gagnent la capacité de se mouvoir ainsi que de reconnaître et d’interagir avec l’ovocyte. Suite à l’éjaculation, ils doivent subir une seconde série de modifications à l’intérieur du tractus génital femelle, nommée capacitation. Nous avons préalablement démontré que chez le bovin, la famille de protéines BSP (Binder of SPerm) est essentielle à la capacitation. Des homologues des BSP ont aussi été isolés du fluide séminal de porc, de bouc, de bélier, de bison et d’étalon. Malgré la détection d’antigènes apparentés aux BSP dans le fluide séminal de souris et d’humain, les homologues des BSP n’ont jamais été caractérisés chez ces espèces. Nous avons émis l’hypothèse que des homologues des BSP seraient exprimés chez la souris et l’humain et joueraient un rôle dans la maturation des spermatozoïdes. Nous avons démontré que des séquences homologues aux BSP sont présentes dans les génomes murin et humain. Le génome murin contient trois séquences; Bsph1, Bsph2a et Bsph2b, tandis qu’une seule séquence (BSPH1) a été identifée chez l’humain. Les séquences d’ADNc de Bsph1, Bsph2a et BSPH1 ont été clonées, tandis que Bsph2b serait probablement un pseudogène. Les trois gènes sont exprimés uniquement dans l’épididyme et font partie d’une sous-famille distincte à l’intérieur de la famille des BSP. Chez les ongulés, les BSP sont exprimées par les vésicules séminales, sont ajoutées aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et représentent une proportion significative des protéines du plasma séminal. Au contraire, les BSP épididymaires ne sont retrouvées qu’en faibles quantités dans le fluide séminal. L’étude de leur rôle dans les fonctions spermatiques était donc plus difficile que chez les ongulés, où l’isolement des protéines natives du plasma séminal à l’aide de techniques de chromatographie était possible. Afin d’étudier sa fonction, nous avons exprimé BSPH1 recombinante dans E. coli. Les ponts disulfure des domaines de type-II caractéristiques de ces protéines ont fait en sorte que l’expression de BSPH1 fusionnée à une étiquette hexahistidine ou glutathion-S-transférase a donné lieu à des protéines insolubles dans les corps d’inclusion. La production de BSPH1 soluble a été possible grâce à l’ajout d’une étiquette thiorédoxine et l’expression dans une souche au cytoplasme oxidatif. BSPH1 a été purifiée par affinité et sa liaison aux partenaires connus des BSP, la phosphatidylcholine, les lipoprotéines de faible densité et la membrane des spermatozoïdes, suggérait que la protéine recombinante possédait sa conformation native et pouvait être utilisée pour des essais fonctionnels. La forme native de BSPH1 a été détectée dans le plasma séminal humain suite au fractionnement par gel filtration. La liaison de BSPH1 native à une colonne d’affinité à l’héparine a indiqué qu’elle partage aussi cette propriété de liaison avec la famille des BSP, et pourrait lier les GAGs semblables à l’héparine du tractus génital féminin. Une colonne d’immunoaffinité anti-BSPH1 a été préparée à l’aide d’anticorps générés contre des protéines recombinantes, et a permis d’isoler BSPH1 native à partir d’extraits de spermatozoïdes humains. Nos résultats montrent que BSPH1 native serait localisée dans les microdomaines « rafts » de la membrane. Sa masse moléculaire apparente était de 32 kDa, ce qui est supérieur à la masse prédite selon sa séquence en acides aminés, indiquant la présence probable de modifications post-traductionnelles, ou d’une migration anormale. L’effet de BSPH1 recombinante et des anticorps anti-BSPH1 sur la motilité, la viabilité et la capacitation a aussi été étudié. Les deux dernières variables ont été mesurées par un essai de cytométrie en flux, optimisé dans cette étude. Aucun effet des protéines recombinantes ou des anticorps sur la motilité et la viabilité des spermatozoïdes n’a été noté. Quoiqu’une stimulation modeste, quoique significative, de la capacitation ait été observée à la plus faible concentration de BSPH1, les concentrations plus élevées n’ont pas montré d’effet. De la même manière, les anticorps anti-BSPH1 n’ont pas eu d’effet significatif sur la capacitation. Ces résultats suggèrent que BSPH1 produite dans E. coli n’affecte pas la capacitation de façon marquée. Cependant, puisque BSPH1 native possède probablement des modifications post-traductionnelles, une protéine recombinante produite dans des cellules de mammifères pourrait affecter les fonctions spermatiques. De manière alternative, les BSP épididymaires remplissent peut-être un rôle différent dans les fonctions spermatiques que celles sécrétées par les vésicules séminales des ongulés. Les résultats décrits dans cette thèse pourraient contribuer à améliorer le diagnostic de l’infertilité masculine, ainsi que les techniques de reproduction assistée et éventuellement, pourraient mener au développement de contraceptifs masculins.

Étude ultrastructurale et développementale du récepteur EphA4 dans l’hippocampe du rat

Afin de mieux comprendre l’évolution des fonctions du récepteur EphA4 pendant le développement du système nerveux central (SNC), nous avons étudié sa localisation cellulaire et subcellulaire dans l’hippocampe du rat, d’abord chez l’adulte, puis pendant le développement postnatal, ainsi que ses rôles potentiels dans la genèse, la migration ou la maturation des cellules granulaires dans l’hippocampe adulte. Pour ce faire, nous avons utilisé la méthode d’immunocytochimie en microscopie photonique, électronique et confocale. En microscopie photonique, une forte immunoréactivité (peroxydase/DAB) pour EphA4 est observée aux jours 1 et 7 suivant la naissance (P1 et P7) dans les couches de corps cellulaires, avec un marquage notamment associé à la surface des corps cellulaires des cellules granulaires et pyramidales, ainsi que dans les couches de neuropile du gyrus dentelé et des secteurs CA3 et CA1. L’intensité du marquage diminue progressivement dans les couches de corps cellulaires, entre P7 et P14, pour devenir faible à P21 et chez l’adulte, tandis qu’elle persiste dans les couches de neuropile, sauf celles qui reçoivent des afférences du cortex entorhinal. En microscopie électronique, après marquage à la peroxydase/DAB, EphA4 décore toute la surface des cellules pyramidales et granulaires, du corps cellulaire jusqu’aux extrémités distales, entre P1 et P14, pour devenir confiné aux extrémités synaptiques, c’est-à-dire les terminaisons axonales et les épines dendritiques, à P21 et chez l’adulte. À la membrane plasmique des astrocytes, EphA4 est redistribué comme dans les neurones, marquant le corps cellulaire et ses prolongements proximaux à distaux, à P1 et P7, pour devenir restreint aux prolongements périsynaptiques distaux, à partir de P14. D’autre part, des axones en cours de myélinisation présentent souvent une forte immunoréactivité punctiforme à leur membrane plasmique, à P14 et P21. En outre, dans les neurones et les astrocytes, le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi et les vésicules de transport, organelles impliquées dans la synthèse, la modification posttraductionnelle et le transport des protéines glycosylées, sont aussi marqués, et plus intensément chez les jeunes animaux. Enfin, EphA4 est aussi localisé dans le corps cellulaire et les dendrites des cellules granulaires générées chez l’adulte, au stade de maturation où elles expriment la doublecortine (DCX). De plus, des souris adultes knockouts pour EphA4 présentent des cellules granulaires DCX-positives ectopiques, c’est-à-dire positionnées en dehors de la zone sous-granulaire, ce qui suggère un rôle d’EphA4 dans la régulation de leur migration. Ces travaux révèlent ainsi une redistribution d’EphA4 dans les cellules neuronales et gliales en maturation, suivant les sites cellulaires où un remodelage morphologique s’effectue : les corps cellulaires lorsqu’ils s’organisent en couches, les prolongements dendritiques et axonaux pendant leur croissance, guidage et maturation, puis les épines dendritiques, les terminaisons axonales et les prolongements astrocytaires distaux associés aux synapses excitatrices, jusque chez l’adulte, où la formation de nouvelles synapses et le renforcement des connexions synaptiques existantes sont exercés. Ces localisations pourraient ainsi correspondre à différents rôles d’EphA4, par lesquels il contribuerait à la régulation des capacités plastiques du SNC, selon le stade développemental, la région, l’état de santé, ou l’expérience comportementale de l’animal.

Marquage fluorescent des protéines pour étudier les enzymes protéolytiques solubles et immobilisées par la cartographie peptidique électrophorétique

La cartographie peptidique est une méthode qui permet entre autre d’identifier les modifications post-traductionnelles des protéines. Elle comprend trois étapes : 1) la protéolyse enzymatique, 2) la séparation par électrophorèse capillaire (CE) ou chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC) des fragments peptidiques et 3) l’identification de ces derniers. Cette dernière étape peut se faire par des méthodes photométriques ou par spectrométrie de masse (MS). Au cours de la dernière décennie, les enzymes protéolytiques immobilisées ont acquis une grande popularité parce qu’elles peuvent être réutilisées et permettent une digestion rapide des protéines due à un rapport élevé d’enzyme/substrat. Pour étudier les nouvelles techniques d’immobilisation qui ont été développées dans le laboratoire du Professeur Waldron, la cartographie peptidique par CE est souvent utilisée pour déterminer le nombre total de peptides détectés et leurs abondances. La CE nous permet d’avoir des séparations très efficaces et lorsque couplée à la fluorescence induite par laser (LIF), elle donne des limites de détection qui sont 1000 fois plus basses que celles obtenues avec l’absorbance UV-Vis. Dans la méthode typique, les peptides venant de l’étape 1) sont marqués avec un fluorophore avant l’analyse par CE-LIF. Bien que la sensibilité de détection LIF puisse approcher 10-12 M pour un fluorophore, la réaction de marquage nécessite un analyte dont la concentration est d’au moins 10-7 M, ce qui représente son principal désavantage. Donc, il n’est pas facile d’étudier les enzymes des peptides dérivés après la protéolyse en utilisant la technique CE-LIF si la concentration du substrat protéique initial est inférieure à 10-7 M. Ceci est attribué à la dilution supplémentaire lors de la protéolyse. Alors, afin d’utiliser le CE-LIF pour évaluer l’efficacité de la digestion par enzyme immobilisée à faible concentration de substrat,nous proposons d’utiliser des substrats protéiques marqués de fluorophores pouvant être purifiés et dilués. Trois méthodes de marquage fluorescent de protéine sont décrites dans ce mémoire pour étudier les enzymes solubles et immobilisées. Les fluorophores étudiés pour le marquage de protéine standard incluent le naphtalène-2,3-dicarboxaldéhyde (NDA), la fluorescéine-5-isothiocyanate (FITC) et l’ester de 6-carboxyfluorescéine N-succinimidyl (FAMSE). Le FAMSE est un excellent réactif puisqu’il se conjugue rapidement avec les amines primaires des peptides. Aussi, le substrat marqué est stable dans le temps. Les protéines étudiées étaient l’-lactalbumine (LACT), l’anhydrase carbonique (CA) et l’insuline chaîne B (INB). Les protéines sont digérées à l’aide de la trypsine (T), la chymotrypsine (CT) ou la pepsine (PEP) dans leurs formes solubles ou insolubles. La forme soluble est plus active que celle immobilisée. Cela nous a permis de vérifier que les protéines marquées sont encore reconnues par chaque enzyme. Nous avons comparé les digestions des protéines par différentes enzymes telles la chymotrypsine libre (i.e., soluble), la chymotrypsine immobilisée (i.e., insoluble) par réticulation avec le glutaraldéhyde (GACT) et la chymotrypsine immobilisée sur billes d’agarose en gel (GELCT). Cette dernière était disponible sur le marché. Selon la chymotrypsine utilisée, nos études ont démontré que les cartes peptidiques avaient des différences significatives selon le nombre de pics et leurs intensités correspondantes. De plus, ces études nous ont permis de constater que les digestions effectuées avec l’enzyme immobilisée avaient une bonne reproductibilité. Plusieurs paramètres quantitatifs ont été étudiés afin d’évaluer l’efficacité des méthodes développées. La limite de détection par CE-LIF obtenue était de 3,010-10 M (S/N = 2,7) pour la CA-FAM digérée par GACT et de 2,010-10 M (S/N = 4,3) pour la CA-FAM digérée par la chymotrypsine libre. Nos études ont aussi démontrées que la courbe d’étalonnage était linéaire dans la région de travail (1,0×10-9-1,0×10-6 M) avec un coefficient de corrélation (R2) de 0,9991.