Generation and characterisation of biologically active milk-derived protein and peptide fractions

In recent years, extensive research has been carried out on the health benefits of milk proteins and peptides. Biologically active peptides are defined as specific protein fragments which have a positive impact on the physiological functions of the body; such peptides are produced naturally in vivo, but can also be generated by physical and/or chemical processes, enzymatic hydrolysis and/or microbial fermentation. The aims of this thesis were to investigate not only the traditional methods used for the generation of bioactive peptides, but also novel processes such as heat treatment, and the role of indigenous milk proteases, e.g., in mastitic milk, in the production of such peptides. In addition, colostrum was characterised as a source of bioactive proteins and peptides. Firstly, a comprehensive study was carried out on the composition and physical properties of colostrum throughout the early-lactation period. Marked differences in the physico-chemical properties of colostrum compared with milk were observed. Various fractions of colostrum were also tested for their effect on the secretion of pro- and anti-inflammatory cytokines from a macrophage cell line and bone marrow dendritic cells, as well as insulin secretion from a pancreatic beta cell line. A significant reduction in the secretion of the pro-inflammatory cytokines, TNF-α, IL-6, IL-1β and IL-12, a significant increase in the secretion of the anti-inflammatory cytokine, IL-10, as well as a significant increase in insulin secretion were observed for various colostrum fractions. Another study examined the early proteomic changes in the milk of 8 cows in response to infusion with the endotoxin lipopolysaccharide (LPS) at quarter level in a model mastitic system; marked differences in the protein and peptide profile of milk from LPS challenged cows were observed, and a pH 4.6-soluble fraction of this milk was found to cause a substantial induction in the secretion of IL-10 from a murine macrophage cell line. Heat-induced hydrolysis of sodium caseinate was investigated from the dual viewpoints of protein breakdown and peptide formation, and, a peptide fraction produced in this manner was found to cause a significant increase in the secretion of the anti-inflammatory cytokine, IL-10, from a murine macrophage cell line. The effects of sodium caseinate hydrolysed by chymosin on the gut-derived satiety hormone glucagon-like peptide-1 (GLP-1) were investigated; the resulting casein-derived peptides displayed good in vitro and in vivo secretion of GLP-1. Overall, the studies described in this thesis expand on current knowledge and provide good evidence for the use of novel methods for the isolation, generation and characterisation of bioactive proteins and/or peptides.

Studies on the texture, functionality, rheology and sensory properties of Cheddar and Mozzarella cheeses

The effect of fortification of skim milk powder and sodium caseinate on Cheddar cheeses was investigated. SMP fortification led to decreased moisture, increased yield, higher numbers of NSLAB and reduced proteolysis. The functional and texture properties were also affected by SMP addition and formed a harder, less meltable cheese than the control. NaCn fortification led to increased moisture, increased yield, decreased proteolysis and higher numbers of NSLAB. The functional and textural properties were affected by fortification with NaCn and formed a softer cheese that had similar or less melt than the control. Reducing the lactose:casein ratio of Mozzarella cheese by using ultrafiltration led to higher pH, lower insoluble calcium, lower lactose, galactose and lactic acid levels in the cheese. The texture and functional properties of the cheese was affected by varying the lactose:casein ratio and formed a harder cheese that had similar melt to the control later in ripening. The flavour and bake properties were also affected by decreased lactose:casein ratio; the cheeses had lower acid flavour and blister colour than the control cheese. Varying the ratio of αs1:β-casein in Cheddar cheese affected the texture and functionality of the cheese but did not affect insoluble calcium, proteolysis or pH. Increasing the ratio of αs1:β-casein led to cheese with lower meltability and higher hardness without adverse effects on flavour. Using camel chymosin in Mozzarella cheese instead of calf chymosin resulted in cheese with lower proteolysis, higher softening point, higher hardness and lower blister quantity. The texture and functional properties that determine the shelf life of Mozzarella were maintained for a longer ripening period than when using calf chymosin therefore increasing the window of functionality of Mozzarella. In summary, the results of the trials in this thesis show means of altering the texture, functional, rheology and sensory properties of Mozzarella and Cheddar cheeses.

Beta-adrenergic receptor kinase: identification of a novel protein kinase that phosphorylates the agonist-occupied form of the receptor.

Agonist-promoted desensitization of adenylate cyclase is intimately associated with phosphorylation of the beta-adrenergic receptor in mammalian, avian, and amphibian cells. However, the nature of the protein kinase(s) involved in receptor phosphorylation remains largely unknown. We report here the identification and partial purification of a protein kinase capable of phosphorylating the agonist-occupied form of the purified beta-adrenergic receptor. The enzyme is prepared from a supernatant fraction from high-speed centrifugation of lysed kin- cells, a mutant of S49 lymphoma cells that lacks a functional cAMP-dependent protein kinase. The beta-agonist isoproterenol induces a 5- to 10-fold increase in receptor phosphorylation by this kinase, which is blocked by the antagonist alprenolol. Fractionation of the kin- supernatant on molecular-sieve HPLC and DEAE-Sephacel results in a 50- to 100-fold purified beta-adrenergic receptor kinase preparation that is largely devoid of other protein kinase activities. The kinase activity is insensitive to cAMP, cGMP, cAMP-dependent kinase inhibitor, Ca2+-calmodulin, Ca2+-phospholipid, and phorbol esters and does not phosphorylate general kinase substrates such as casein and histones. Phosphate appears to be incorporated solely into serine residues. The existence of this novel cAMP-independent kinase, which preferentially phosphorylates the agonist-occupied form of the beta-adrenergic receptor, suggests a mechanism that may explain the homologous or agonist-specific form of adenylate cyclase desensitization. It also suggests a general mechanism for regulation of receptor function in which only the agonist-occupied or "active" form of the receptor is a substrate for enzymes inducing covalent modification.

Activation of the epidermal growth factor receptor (EGFR) by a novel metalloprotease pathway

Neutrophil Elastase (NE) is a pro-inflammatory protease present at higher than normal levels in the lung during inflammatory disease. NE regulates IL-8 production from airway epithelial cells and can activate both EGFR and TLR4. TACE/ADAM17 has been reported to trans-activate EGFR in response to NE. Here, using 16HBE14o-human bronchial epithelial cells we demonstrate a new mechanism by which NE regulates both of these events. A high molecular weight soluble metalloprotease activity detectable only in supernatants from NE-treated cells by gelatin and casein zymography was confirmed to be meprin alpha by Western immunoblotting. In vitro studies demonstrated the ability of NE to activate meprin alpha, which in turn could release soluble TGFa and induce IL-8 production from 16HBE14o- cells. These effects were abrogated by actinonin, a specific meprin inhibitor. NE-induced IL-8 expression was also inhibited by meprin alpha siRNA. Immunoprecipitation studies detected EGFR/TLR4 complexes in NE-stimulated cells overexpressing these receptors. Confocal studies confirmed colocalization of EGFR and TLR4 in 16HBE14o- cells stimulated with meprin alpha. NF?B was also activated via MyD88 in these cells by meprin alpha. In bronchoalveolar lavage fluid from NE knock-out mice infected intra-tracheally with Pseudomonas aeruginosa meprin alpha was significantly decreased compared with control mice, and was significantly increased and correlated with NE activity, in bronchoalveolar lavage fluid from individuals with cystic fibrosis but not healthy controls. The data describe a previously unidentified lung metalloprotease meprin alpha, and its role in NE-induced EGFR and TLR4 activation and IL-8 production.

In Vitro and In Vivo Effects of Natural Putative Secretagogues of Glucagon-Like Peptide-1 (GLP-1)

Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) is an intestinal hormone with well-established glucose-lowering activity. The in vitro and in vivo actions of natural putative secretagogues of GLP-1 were investigated. The acute GLP-1 releasing activity of olive leaf extract (OLE), glutamine (GLN), alpha casein (ACAS), beta casein (BCAS) and chlorogenic acid (CGA) were assessed in STC-1 cells and C57BL/6 mice. All compounds except ACAS significantly increased acute in vitro GLP-1 secretion (66-386%; P

Caseinolytic activity in gingival crevicular fluid from periodontitis patients

Introduction: Protease activity is essential for the progression of periodontal disease and several studies have shown that gingival crevicular fluid (GCF) proteases are associated with the attachment loss and bone destruction associated with periodontial disease. In addition to measuring protease levels using ELISA, it is also important to consider enzyme activity which can be measured using appropriate substrates. Aim: The aim of this work was to measure the proteolyitc activity in gingival crevicular fluid (GCF) from periodontitis patients using zymography and a fluorogenic protease substrate. Materials and Methods: Twenty four GCF samples were collected from patients with established periodontitis who had not received any periodontal treatment in the previous six months. A strip of perio-paper was inserted into the gingival crevice until light resistance was felt. After 30 seconds the perio-paper was removed and placed into 500 ul ice cold 0.01M sodium phosphate buffer, pH 7.2, containing 0.15M sodium chloride, vortex mixed for 30 seconds and stored at -80°C until required. GCF samples (10 ul) were electrophoresed on 4-16% Blue casein zymogram gels at 125V constant voltage for 90 min. Following electrophoresis the gel was washed in renaturation buffer for 30 min and then placed in developing buffer overnight. Areas of protease activity appeared as clear bands against a blue background. The total caseinolytic activity of each GCF sample was measured using a fluorescent assay with resorufin-labelled casein as the substrate. Results: The results showed that both casein zymography and fluorogenic assay methods were suitable for analysing caseinolytic activity in GCF samples from periodontitis patients. Caseinolytic activity was variable in the periodontitis samples studied and may reflect the episodic nature of the disease. Conclusion: Casein zymography and fluorogenic assay methods may be useful in future attempts to measure active episodes of periodontal disease.

Amino acid requirements of white seabream (Diplodus sargus) larvae: effects on growth and performance

Tese dout., Aquacultura, Universidade do Algarve, 2008

Imunossensores Eletroquímicos para o Diagnóstico Precoce e Descentralizado do Cancro da Mama

O cancro é uma das principais causas de morte em todo o mundo. Entre as mulheres, o cancro da mama é o mais frequente. A deteção precoce do cancro é de extrema importância na medida em que pode aumentar as possibilidades de cura dos pacientes e contribuir para a diminuição da taxa de mortalidade desta doença. Um método que tem contribuído para a deteção precoce do cancro é a análise de biomarcadores. Biomarcadores associados ao cancro da mama, como o Recetor 2 do Fator de Crescimento Epidérmico Humano (HER2) e o Antigénio Carbohidratado 15-3 (CA 15-3), podem ser detetados através de dispositivos como os biossensores. Neste trabalho foram desenvolvidos dois imunossensores eletroquímicos para a análise de HER2 e CA 15-3. Para ambos os sensores foram utilizados, como transdutores, elétrodos serigrafados de carbono. A superfície destes transdutores foi nanoestruturada com nanopartículas de ouro. Foram realizados imunoensaios não-competitivos (do tipo sandwich) em ambos os imunossensores, cuja estratégia consistiu na (i) imobilização do respetivo anticorpo de captura na superfície nanoestruturada dos elétrodos, (ii) bloqueio da superfície com caseína, (iii) incubação com uma mistura do analito (HER2 ou CA 15-3) e o respetivo anticorpo de deteção biotinilado, (iv) adição de estreptavidina conjugada com fosfatase alcalina (S-AP; a AP foi utilizada como marcador enzimático), (v) adição de uma mistura do substrato enzimático (3-indoxil fosfato) e nitrato de prata, e (vi) deteção do sinal analítico através da redissolução anódica, por voltametria de varrimento linear, da prata depositada enzimaticamente. Com as condições experimentais otimizadas, foi estabelecida a curva de calibração para a análise de HER2 em soro, entre 15 e 100 ng/mL, obtendo-se um limite de deteção de 4,4 ng/mL. Para o CA 15-3 a curva de calibração (em solução aquosa) foi estabelecida entre 15 e 250 U/mL, obtendo-se um limite de deteção de 37,5 U/mL. Tendo em conta o valor limite (cutoff value) estabelecido para o HER2 (15 ng/mL) pode-se comprovar a possível utilidade do imunossensor desenvolvido para o diagnóstico precoce e descentralizado do cancro da mama. No caso do CA 15-3 serão necessários estudos adicionais para se poder avaliar a utilidade do imunossensor para o diagnóstico do cancro da mama.

TGA2 dual activity: N-terminus regulation of reversible DNA binding influenced by NPRI and CK2

TGA2 is a dual-function Systemic Acquired Resistance (SAR) transcription factor involved in the activation and repression of pathogenesis-related (PR) genes. Recent studies have shown that TGA2 is able to switch from a basal repressor to activator, likely, through regulatory control from its N-terminus. The N-terminus has also been shown to affect DNA binding of the TGA2 bZIP domain when phosphorylated by Casein Kinase II (CK2). The mechanisms involved for directing a switch from basal repressor to activator, and the role of kinase activity, have not previously been looked at in detail. This study provides evidence for the involvement of a CK2-like kinase in the switch of TGA2 activity from repressor to activator, by regulating the DNA-binding activity of TGA2 by phosphorylating residues in the N terminus of the protein.

Predicting the Pose of β-Casomorphin-5 and 7 in the Opioid Receptors

The opioid receptors consist of three main subtypes; μ, δ, and κ. Previous binding studies have shown that fragments of the milk protein, β-casein, known as β-casomorphins are agonists of these receptors which are selective for the μ receptor subtype. Using the crystal structures of these three receptors, computational molecular docking studies were done using the software GOLD to determine the conformation of β-casomorphin-5 and 7 when they bind to these three opioid receptors. GOLD was able to discriminate among the three receptors when docking the rigid ligands co-crystalized with the receptors. However, GOLD could not discriminate among the three receptors for either of the highly flexible β-casomorphins. A per amino acid scoring method was developed to overcome this problem. This method was used to predict the conformation of both β-casomorphin-5 and 7 in the μ receptor and determine that the two amino acid residues, Lys303 and Trp318 of the μ receptor are responsible for discriminating among the three receptor subtypes for binding of the β-casomorphin-5 and 7.

Développement d’une méthode d’estimation du contenu en glutamine des aliments

Cette étude vise à estimer l’apport en glutamine (Gln) alimentaire chez des athlètes soumis à un protocole de supplémentation en glutamine ainsi qu’à clarifier les informations diffusées au grand public en ce qui concerne les sources alimentaires de glutamine. Des études cliniques ont démontré que la supplémentation en glutamine pouvait réduire la morbidité et la mortalité chez des sujets en phase critique (grands brulés, chirurgie…). Le mécanisme en cause semble impliquer le système immunitaire. Cependant, les études chez les sportifs, dont le système immunitaire a de fortes chances d’être affaibli lors de périodes d’entraînement prolongées impliquant des efforts longs et intenses, n’ont pas été concluantes. Or, ces études négligent systématiquement l’apport alimentaire en glutamine, si bien qu’il est probable que les résultats contradictoires observés puissent en partie être expliqués par les choix alimentaires des sujets. Puisque la méthode conventionnelle de dosage des acides aminés dans les protéines alimentaires transforme la glutamine en glutamate, les tables de composition des aliments présentent la glutamine et le glutamate ensemble sous la dénomination « glutamate » ou « Glu », ce qui a comme conséquence de créer de l’ambiguïté. La dénomination « Glx » devrait être utilisée. Partant de la probabilité qu’un apport en Glx élevé soit un bon indicateur de l’apport en glutamine, nous avons créé un calculateur de Glx et avons évalué l’alimentation de 12 athlètes faisant partie d’une étude de supplémentation en glutamine. Nous avons alors constaté que l’apport en Glx était directement proportionnel à l’apport en protéines, avec 20,64 % ± 1,13 % de l’apport protéique sous forme de Glx. Grâce à quelques données sur la séquence primaire des acides aminés, nous avons pu constater que le rapport Gln/Glx pouvait être très variable d’un type de protéine à l’autre. Alors que le ratio molaire Gln/Glx est de ~95 % pour les α et β-gliadines, il n’est que de ~43 % pour la caséine, de ~36 % pour la β-lactoglobuline, de ~31 % pour l’ovalbumine et de ~28 % pour l’actine. Il est donc possible que certaines protéines puissent présenter des avantages par rapport à d’autres, à quantité égale de Glx.

Étude du mécanisme de protection des spermatozoïdes de mammifères par le lait

Le lait écrémé est utilisé depuis plus d’un demi-siècle comme diluant protecteur des spermatozoïdes de mammifères. Depuis quelques années, il existe une demande grandissante pour des diluants exempts de produits d’origine animale. Toutefois, le mécanisme par lequel le lait protège les spermatozoïdes n’est pas connu, ce qui rend difficile de lui trouver un substitut. Les protéines majeures du plasma séminal de taureau, les protéines « Binder of SPerm » (BSP), sont néfastes lors de la conservation de la semence. Les spermatozoïdes sont en contact avec une grande concentration de protéines BSP qui stimulent une extraction continuelle de cholestérol/phospholipides de leur membrane plasmique. Les lipoprotéines de faible densité (LDL) du jaune d’oeuf, un autre composé utilisé dans les diluants, empêcheraient les protéines BSP de se lier à la membrane des spermatozoïdes de taureaux et de stimuler un efflux des lipides membranaires, ce qui les protégerait durant la conservation. Notre hypothèse était que les protéines du lait protègent les spermatozoïdes durant la conservation en séquestrant les protéines BSP. Premièrement, nous avons démontré par filtration sur gel qu’il y a une interaction entre les protéines BSP bovines et les protéines du lait. Le lait écrémé a été fractionné en trois fractions : F1 (alpha-lactalbumine, bêta-lactoglobuline et caséine kappa), F2 (toutes les protéines du lait) et F3 (sels, sucres et petits peptides). Les protéines BSP1 et BSP5 ont une affinité plus grande pour F1 que BSP3, tandis que toutes les protéines BSP ont une affinité pour F2. Le titrage calorimétrique isotherme a permis de confirmer l’interaction entre les protéines BSP et les protéines du lait. L’association entre la protéine BSP1 bovine et les micelles de caséines est caractérisée par une constante d’affinité (Ka) de 3.5 × 10^5 M-1 et un paramètre stoichiométrique (n) de 4,5 BSP1 pour une caséine. L’association entre la protéine BSP1 bovine et l’alpha-lactalbumine (une protéine du sérum principale), est caractérisée par un Ka de 2.4 × 10^5 M-1 et une valeur “n” de 0,8. Ces résultats indiquent que le lait protège les spermatozoïdes bovins en séquestrant les protéines BSP grâce à une interaction protéine : protéine, tandis que le jaune d’oeuf les protège grâce à une interaction protéine : lipoprotéine. Deuxièmement, nous avons démontré par filtration sur gel que les protéines homologues aux BSP bovines retrouvées dans le plasma séminal de porc, d’étalon et de bélier ont une affinité avec les protéines du lait, ce qui suggère que le mécanisme de protection des spermatozoïdes par le lait pourrait être le même chez ces espèces. Troisièmement, nous avons caractérisé l’interaction entre BSP1 bovine et les LDL du jaune d’oeuf qui a un Ka de 3.4 ± 0.4 × 10^6 M-1 et une valeur de « n » de 104 BSP1 pour une particule de LDL, indiquant qu’il existe des différences entre le mécanisme de protection des spermatozoïdes par le lait et le jaune d’oeuf. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse aideront à créer de nouveaux diluants ne contenant pas de produits d’origine animale afin de cryoconserver les spermatozoïdes des mammifères.

Étude de la voie de signalisation de l’insuline chez la drosophile par une approche phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle modulant l’activité, la conformation ou la localisation d’une protéine et régulant divers processus. Les kinases et phosphatases sont responsables de la dynamique de phosphorylation et agissent de manière coordonnée. L’activation anormale ou la dérégulation de kinases peuvent conduire au développement de cancers ou de désordres métaboliques. Les récepteurs tyrosine kinase (RTKs) sont souvent impliqués dans des maladies et la compréhension des mécanismes régissant leur régulation permet de déterminer les effets anticipés sur leurs substrats. Dans ce contexte, le but de cette thèse est d’identifier les évènements de phosphorylation intervenant dans la voie de l’insuline chez la drosophile impliquant un RTK : le récepteur de l’insuline (InR). La cascade de phosphorylation déclenchée suite à l’activation du récepteur est conservée chez le mammifère. Afin d’étudier le phosphoprotéome de cellules S2 de drosophile, nous avons utilisé une étape d’enrichissement de phosphopeptides sur dioxyde de titane suivie de leur séparation par chromatographie liquide (LC) et mobilité ionique (FAIMS). Les phosphopeptides sont analysés par spectrométrie de masse en tandem à haute résolution. Nous avons d’abord démontré les bénéfices de l’utilisation du FAIMS comparativement à une étude conventionnelle en rapportant une augmentation de 50 % dans le nombre de phosphopeptides identifiés avec FAIMS. Cette technique permet de séparer des phosphoisomères difficilement distinguables par LC et l’acquisition de spectres MS/MS distincts où la localisation précise du phosphate est déterminée. Nous avons appliqué cette approche pour l’étude des phosphoprotéomes de cellules S2 contrôles ou traitées à l’insuline et avons identifié 32 phosphopeptides (sur 2 660 quantifiés) pour lesquels la phosphorylation est modulée. Étonnamment, 50 % des cibles régulées possèdent un site consensus pour la kinase CK2. Une stratégie d’inhibition par RNAi a été implémentée afin d’investiguer le rôle de CK2 dans la voie de l’insuline. Nous avons identifié 6 phosphoprotéines (CG30085, su(var)205, scny, protein CDV3 homolog, D1 et mu2) positivement régulées suite à l’insuline et négativement modulées après le traitement par RNAi CK2. Par essai kinase in vitro, nous avons identifié 29 cibles directes de CK2 dont 15 corrélaient avec les résultats obtenus par RNAi. Nous avons démontré que la phosphorylation de su(var)205 (S15) était modulée par l’insuline en plus d’être une cible directe de CK2 suite à l’expérience RNAi et à l’essai kinase. L’analyse des données phosphoprotéomiques a mis en évidence des phosphopeptides isomériques dont certains étaient séparables par FAIMS. Nous avons déterminé leur fréquence lors d’études à grande échelle grâce à deux algorithmes. Le script basé sur les différences de temps de rétention entre isomères a identifié 64 phosphoisomères séparés par LC chez la souris et le rat (moins de 1 % des peptides identifiés). Chez la drosophile, 117 ont été répertoriés en combinaison avec une approche ciblée impliquant des listes d’inclusion. Le second algorithme basé sur la présence d’ions caractéristiques suite à la fragmentation de formes qui co-éluent a rapporté 23 paires isomériques. L’importance de pouvoir distinguer des phosphoisomères est capitale dans le but d’associer une fonction biologique à un site de phosphorylation précis qui doit être identifié avec confiance.

Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste.

Characterization of glutaraldehyde-immobilized chymotrypsin and an in-situ immobilized enzyme reactor using capillary electrophoresis-based peptide mapping

La digestion enzymatique des protéines est une méthode de base pour les études protéomiques ainsi que pour le séquençage en mode « bottom-up ». Les enzymes sont ajoutées soit en solution (phase homogène), soit directement sur le gel polyacrylamide selon la méthode déjà utilisée pour l’isolation de la protéine. Les enzymes protéolytiques immobilisées, c’est-à-dire insolubles, offrent plusieurs avantages tels que la réutilisation de l’enzyme, un rapport élevé d’enzyme-sur-substrat, et une intégration facile avec les systèmes fluidiques. Dans cette étude, la chymotrypsine (CT) a été immobilisée par réticulation avec le glutaraldehyde (GA), ce qui crée des particules insolubles. L’efficacité d’immobilisation, déterminée par spectrophotométrie d’absorbance, était de 96% de la masse totale de la CT ajouté. Plusieurs différentes conditions d’immobilisation (i.e., réticulation) tels que la composition/pH du tampon et la masse de CT durant la réticulation ainsi que les différentes conditions d’entreposage tels que la température, durée et humidité pour les particules GA-CT ont été évaluées par comparaison des cartes peptidiques en électrophorèse capillaire (CE) des protéines standards digérées par les particules. Les particules de GA-CT ont été utilisés pour digérer la BSA comme exemple d’une protéine repliée large qui requit une dénaturation préalable à la digestion, et pour digérer la caséine marquée avec de l’isothiocyanate de fluorescéine (FITC) comme exemple d’un substrat dérivé afin de vérifier l’activité enzymatique du GA-CT dans la présence des groupements fluorescents liés au substrat. La cartographie peptidique des digestions par les particules GA-CT a été réalisée par CE avec la détection par absorbance ultraviolet (UV) ou fluorescence induite par laser. La caséine-FITC a été, en effet, digérée par GA-CT au même degré que par la CT libre (i.e., soluble). Un microréacteur enzymatique (IMER) a été fabriqué par immobilisation de la CT dans un capillaire de silice fondu du diamètre interne de 250 µm prétraité avec du 3-aminopropyltriéthoxysilane afin de fonctionnaliser la paroi interne avec les groupements amines. Le GA a été réagit avec les groupements amine puis la CT a été immobilisée par réticulation avec le GA. Les IMERs à base de GA-CT étaient préparé à l’aide d’un système CE automatisé puis utilisé pour digérer la BSA, la myoglobine, un peptide ayant 9 résidus et un dipeptide comme exemples des substrats ayant taille large, moyenne et petite, respectivement. La comparaison des cartes peptidiques des digestats obtenues par CE-UV ou CE-spectrométrie de masse nous permettent d’étudier les conditions d’immobilisation en fonction de la composition et le pH du tampon et le temps de réaction de la réticulation. Une étude par microscopie de fluorescence, un outil utilisé pour examiner l’étendue et les endroits d’immobilisation GA-CT dans l’IMER, ont montré que l’immobilisation a eu lieu majoritairement sur la paroi et que la réticulation ne s’est étendue pas si loin au centre du capillaire qu’anticipée.