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.

L’étude des stratégies de séparations préparatrices de protéines par électrophorèse capillaire

La protéomique est un sujet d'intérêt puisque l'étude des fonctions et des structures de protéines est essentiel à la compréhension du fonctionnement d'un organisme donné. Ce projet se situe dans la catégorie des études structurales, ou plus précisément, la séquence primaire en acides aminés pour l’identification d’une protéine. La détermination des protéines commence par l'extraction d'un mélange protéique issu d'un tissu ou d'un fluide biologique pouvant contenir plus de 1000 protéines différentes. Ensuite, des techniques analytiques comme l’électrophorèse en gel polyacrylamide en deux dimensions (2D-SDS-PAGE), qui visent à séparer ce mélange en fonction du point isoélectrique et de la masse molaire des protéines, sont utilisées pour isoler les protéines et pour permettre leur identification par chromatographie liquide and spectrométrie de masse (MS), typiquement. Ce projet s'inspire de ce processus et propose que l'étape de fractionnement de l'extrait protéique avec la 2D-SDS-PAGE soit remplacé ou supporté par de multiples fractionnements en parallèle par électrophorèse capillaire (CE) quasi-multidimensionnelle. Les fractions obtenues, contenant une protéine seule ou un mélange de protéines moins complexe que l’extrait du départ, pourraient ensuite être soumises à des identifications de protéines par cartographie peptidique et cartographie protéique à l’aide des techniques de séparations analytiques et de la MS. Pour obtenir la carte peptidique d'un échantillon, il est nécessaire de procéder à la protéolyse enzymatique ou chimique des protéines purifiées et de séparer les fragments peptidiques issus de cette digestion. Les cartes peptidiques ainsi générées peuvent ensuite être comparées à des échantillons témoins ou les masses exactes des peptides enzymatiques sont soumises à des moteurs de recherche comme MASCOT™, ce qui permet l’identification des protéines en interrogeant les bases de données génomiques. Les avantages exploitables de la CE, par rapport à la 2D-SDS-PAGE, sont sa haute efficacité de séparation, sa rapidité d'analyse et sa facilité d'automatisation. L’un des défis à surmonter est la faible quantité de masse de protéines disponible après analyses en CE, due partiellement à l'adsorption des protéines sur la paroi du capillaire, mais due majoritairement au faible volume d'échantillon en CE. Pour augmenter ce volume, un capillaire de 75 µm était utilisé. Aussi, le volume de la fraction collectée était diminué de 1000 à 100 µL et les fractions étaient accumulées 10 fois; c’est-à-dire que 10 produits de séparations étaient contenu dans chaque fraction. D'un autre côté, l'adsorption de protéines se traduit par la variation de l'aire d'un pic et du temps de migration d'une protéine donnée ce qui influence la reproductibilité de la séparation, un aspect très important puisque 10 séparations cumulatives sont nécessaires pour la collecte de fractions. De nombreuses approches existent pour diminuer ce problème (e.g. les extrêmes de pH de l’électrolyte de fond, les revêtements dynamique ou permanent du capillaire, etc.), mais dans ce mémoire, les études de revêtement portaient sur le bromure de N,N-didodecyl-N,N-dimethylammonium (DDAB), un surfactant qui forme un revêtement semi-permanent sur la paroi du capillaire. La grande majorité du mémoire visait à obtenir une séparation reproductible d'un mélange protéique standard préparé en laboratoire (contenant l’albumine de sérum de bovin, l'anhydrase carbonique, l’α-lactalbumine et la β-lactoglobulin) par CE avec le revêtement DDAB. Les études portées sur le revêtement montraient qu'il était nécessaire de régénérer le revêtement entre chaque injection du mélange de protéines dans les conditions étudiées : la collecte de 5 fractions de 6 min chacune à travers une séparation de 30 min, suivant le processus de régénération du DDAB, et tout ça répété 10 fois. Cependant, l’analyse en CE-UV et en HPLC-MS des fractions collectées ne montraient pas les protéines attendues puisqu'elles semblaient être en-dessous de la limite de détection. De plus, une analyse en MS montrait que le DDAB s’accumule dans les fractions collectées dû à sa désorption de la paroi du capillaire. Pour confirmer que les efforts pour recueillir une quantité de masse de protéine étaient suffisants, la méthode de CE avec détection par fluorescence induite par laser (CE-LIF) était utilisée pour séparer et collecter la protéine, albumine marquée de fluorescéine isothiocyanate (FITC), sans l'utilisation du revêtement DDAB. Ces analyses montraient que l'albumine-FITC était, en fait, présente dans la fraction collecté. La cartographie peptidique a été ensuite réalisée avec succès en employant l’enzyme chymotrypsine pour la digestion et CE-LIF pour obtenir la carte peptidique.

Régression de la calcification artérielle médiale comme avenue thérapeutique potentielle pour l'hypertension systolique isolée

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Régression de la calcification artérielle médiale comme avenue thérapeutique potentielle pour l'hypertension systolique isolée

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Carbonic anhydrase IX expression and outcome after radiotherapy for muscle-invasive bladder cancer

Aims: Carbonic anhydrase IX (CA IX) expression has been described as an endogenous marker of hypoxia in solid neoplasms. Furthermore, CA IX expression has been associated with an aggressive phenotype and resistance to radiotherapy. We assessed the prognostic significance of CA IX expression in patients with muscle-invasive bladder cancer treated with radiotherapy. Materials and methods: A standard immunohistochemistry technique was used to show CA IX expression in 110 muscle-invasive bladder tumours treated with radiotherapy. Clinicopathological data were obtained from medical case notes. Results: CA IX immunostaining was detected in 89 (∼81%) patients. Staining was predominantly membranous, with areas of concurrent cytoplasmic and nuclear staining and was abundant in luminal and perinecrotic areas. No significant correlation was shown between the overall CA IX status and the initial response to radiotherapy, 5-year bladder cancer-specific survival or the time to local recurrence. Conclusions: The distribution of CA IX expression in paraffin-embedded tissue sections seen in this series is consistent with previous studies in bladder cancer, but does not provide significant prognostic information with respect to the response to radiotherapy at 3 months and disease-specific survival after radical radiotherapy. © 2007 The Royal College of Radiologists.

Carbonic anhydrase IX expression, a novel surrogate marker of tumor hypoxia, is associated with a poor prognosis in non-small-cell lung cancer

Purpose To evaluate carbonic anhydrase (CA) IX as a surrogate marker of hypoxia and investigate the prognostic significance of different patterns of expression in non-small-cell lung cancer (NSCLC). Methods Standard immunohistochemical techniques were used to study CA IX expression in 175 resected NSCLC tumors. CA IX expression was determined by Western blotting in A549 cell lines grown under normoxic and hypoxic conditions. Measurements from microvessels to CA IX positivity were obtained. Results CA IX immunostaining was detected in 81.8% of patients. Membranous (m) (P = .005), cytoplasmic (c) (P = .018), and stromal (P < .001) CA IX expression correlated with the extent of tumor necrosis (TN). The mean distance from vascular endothelium to the start of tumor cell positivity was 90 μm, which equates to an oxygen pressure of 5.77 mmHg. The distance to blood vessels from individual tumor cells or tumor cell clusters was greater if they expressed mCA IX than if they did not (P < .001). Hypoxic exposure of A549 cells for 16 hours enhanced CAIX expression in the nuclear and cytosolic extracts. Perinuclear (p) CA IX (P = .035) was associated with a poor prognosis. In multivariate analysis, pCA IX (P = .004), stage (P = .001), platelet count (P = .011), sex (P = .027), and TN (P = .035) were independent poor prognostic factors. Conclusion These results add weight to the contention that mCA IX is a marker of tumor cell hypoxia. The absence of CA IX staining close to microvessels suggests that these vessels are functionally active. pCA IX expression is representative of an aggressive phenotype. © 2003 by American Society of Clinical Oncology.

Analysis, characterisation and expression of gill-expressed carbonic anhydrase genes in the freshwater crayfish Cherax quadricarinatus

Changes in water quality parameters such as pH and salinity can have a significant effect on productivity of aquaculture species. Similarly, relative osmotic pressure influences various physiological processes and regulates expression of a number of osmoregulatory genes. Among those, carbonic anhydrase (CA) plays a key role in systemic acid–base balance and ion regulation. Redclaw crayfish (Cherax quadricarinatus) are unique in their ability to thrive in environments with naturally varied pH levels, suggesting unique adaptation to pH stress. To date, however, no studies have focused on identification and characterisation of CA or other osmoregulatory genes in C. quadricarinatus. Here, we analysed the redclaw gill transcriptome and characterized CA genes along with a number of other key osmoregulatory genes that were identified in the transcriptome. We also examined patterns of gene expression of these CA genes when exposed to three pH treatments. In total, 72,382,710 paired end Illumina reads were assembled into 36,128 contigs with an average length of 800 bp. Approximately 37% of contigs received significant BLAST hits and 22% were assigned gene ontology terms. Three full length CA isoforms; cytoplasmic CA (ChqCAc), glycosyl-phosphatidylinositol-linked CA (ChqCAg), and β-CA (ChqCA-beta) as well as two partial CA gene sequences were identified. Both partial CA genes showed high similarity to ChqCAg and appeared to be duplicated from the ChqCAg. Full length coding sequences of Na+/K+-ATPase, V-type H+-ATPase, sarcoplasmic Ca+-ATPase, arginine kinase, calreticulin and Cl− channel protein 2 were also identified. Only the ChqCAc gene showed significant differences in expression across the three pH treatments. These data provide valuable information on the gill expressed CA genes and their expression patterns in freshwater crayfish. Overall our data suggest an important role for the ChqCAc gene in response to changes in pH and in systemic acid–base balance in freshwater crayfish.

The carbon dioxide hydration activity of the sulfonamide-resistant carbonic anhydrase from the liver of male rat: pH independence of the steady-state kinetics

The steady-state kinetic constants for the catalysis of CO2 hydration by the sulfonamide-resistant and testosterone-induced carbonic anhydrase from the liver of the male rat has been determined by stopped-flow spectrophotometry. The turnover number was 2.6 ± 0.6 × 103 s− at 25 °C, and was invariant with pH ranging from 6.2 to 8.2 within experimental error. The Km at 25 °C was 5 ± 1 mImage , and was also pH independent. These data are in quantitative agreement with earlier findings of pH-independent CO2 hydration activity for the mammalian skeletal muscle carbonic anhydrase isozyme III. The turnover numbers for higher-activity isozymes I and II are strongly pH dependent in this pH range. Thus, the kinetic status of the male rat liver enzyme is that of carbonic anhydrase III. This finding is consistent with preliminary structural and immunologic data from other laboratories.

Characterization of the carbonic anhydrase gene family and other key osmoregulatory genes in Australian freshwater crayfish (genus Cherax)

Cherax quadricarinatus (Redclaw), C. destructor (Yabby) and C. cainii (Marron) are a group of economically important freshwater crayfish and have been developed for aquaculture production in many countries. As crayfish are farmed in a wide range of culture conditions, optimisation of water quality parameters, are crucial for their maximum growth performance. Previous reports have shown that fluctuations in water quality can negatively impact on growth of crayfish. Therefore, this project aims to identify and characterize the major genes that enable freshwater crayfish to persist in different water chemistries and evaluate their patterns of expression under different water parameters. Overall, this project found a number of candidate genes in all three species and determined that water chemistry had a strong influence on the expression of candidate genes. This information is important in the optimization of water quality parameters in freshwater crayfish aquaculture production.

Transcriptome analysis and characterisation of gill-expressed carbonic anhydrase and other key osmoregulatory genes in freshwater crayfish Cherax quadricarinatus

The pH and salinity balance mechanisms of crayfish are controlled by a set of transport-related genes. We identified a set of the genes from the gill transcriptome from a freshwater crayfish Cherax quadricarinatus using the Illumina NGS-sequencing technology. We identified and characterized carbonic anhydrase (CA) genes and some other key genes involved in systematic acid-base balance and osmotic/ionic regulation. We also examined expression patterns of some of these genes across different sublethal pH levels [1]. A total of 72,382,710 paired-end Illumina reads were assembled into 36,128 contigs with an average length of 800 bp. About 37% of the contigs received significant BLAST hits and 22% were assigned gene ontology terms. These data will assist in further physiological-genomic studies in crayfish.

Impacts of elevated CO2 concentration on biochemical composition, carbonic anhydrase, and nitrate reductase activity of freshwater green algae

To investigate the biochemical response of freshwater green algae to elevated CO2 concentrations, Chlorella pyrenoidosa Chick and Chlamydomonas reinhardtii Dang cells were cultured at different CO2 concentrations within the range 3-186 μ mol/L and the biochemical composition, carbonic anhydrase (CA), and nitrate reductase activities of the cells were investigated. Chlorophylls (Chl), carotenoids, carbonhydrate, and protein contents were enhanced to varying extents with increasing CO2 concentration from 3-186 μ mol/L. The CO2 enrichment significantly increased the Chl a/Chl b ratio in Chlorella pyrenoidosa, but not in Chlamydomonas reinhardtii. The CO2 concentration had significant effects on CA and nitrate reductase activity. Elevating CO2 concentration to 186 μ mol/L caused a decline in intracellular and extracellullar CA activity. Nitrate reductase activity, under either light or dark conditions, in C. reinhardtii and C. pyrenoidosa was also significantly decreased with CO2 enrichment. From this study, it can be concluded that CO2 enrichment can affect biochemical composition, CA, and nitrate reductase activity, and that the biochemical response was species dependent.

Effect of CO2 concentrations on the activity of photosynthetic CO2 fixation and extracelluar carbonic anhydrase in the marine diatom Skeletonema costatum

The growth and activity of photosynthetic CO2 uptake and extracellular carbonic anhydrase (CA(ext)) of the marine diatom Skeletonema costatum were investigated while cultured at different levels of CO2 in order to see its physiological response to different CO2 concentrations under either a low (30 mumol . m(-2) . s(-1)) or high (210 mumol . m(-2) . s(-1)) irradiance. The changes in CO2 concentrations (4-31 mumol/L) affected the growth and net photosynthesis to a greater extent under the low than under the high light regime. CAext was detected in the cells grown at 4 mumol/L CO2 but not at 31 and 12 mumol/L CO2, with its activity being about 2.5-fold higher at the high than at the low irradiance. Photosynthetic CO2 affinity (1/K-1/2(CO2)) of the cells decreased with increased CO2 concentrations in culture. The cells cultured under the high-light show significantly higher photosynthetic CO2 affinity than those grown at the low-light level. It is concluded that the regulations of CA(ext) activity and photosynthetic CO2 affinity are dependent not only on CO2 concentration but also on light availability, and that the development of higher CA(ext) activity and CO2 affinity under higher light level could sufficiently support the photosynthetic demand for CO2 even at low level of CO2.

CLONING AND QUANTITATIVE ANALYSIS OF THE CARBONIC ANHYDRASE GENE FROM PORPHYRA YEZOENSIS

Carbonic anhydrase (CA), an enzyme that catalyzes the interconversion of CO2 and HCO3-, has a critical role in inorganic carbon acquisition in many kingdoms, including animals, plants, and bacteria. In this study, the full-length cDNA of the CA gene from Porphyra yezoensis Ueda (denoted as PyCA) was cloned by using an expressed sequence tag (EST) and rapid amplification of cDNA ends (RACE). The nucleotide sequence of PyCA consists of 1,153 bp, including a 5' untranslated region (UTR) of 177 bp, a 3' UTR of 151 bp, and an open reading frame (ORF) of 825 bp that can be translated into a 274-amino-acid putative peptide with a molecular mass (M) of 29.8 kDa and putative isoelectric point (pI) of 8.51. The predicted polypeptide has significant homology to the beta-CA from bacteria and unicellular algae, such as Porphyridium purpureum. The mRNA in filamentous thalli, leafy thalli, and conchospores was examined, respectively, by real-time fluorescent quantitative PCR (qPCR), and the levels of PyCA are different at different stages of the life cycle. The lowest level of mRNA was observed in leafy thalli, and the level in filamentous thalli and in the conchospores was 4-fold higher and 10-fold higher, respectively.