Identification des peptides du complexe majeur d’histocompatibilité de classe I par spectrométrie de masse

L’immunité adaptive et la discrimination entre le soi et le non-soi chez les vertébrés à mâchoire reposent sur la présentation de peptides par les récepteurs d’histocompatibilité majeur de classe I. Les peptides antigéniques, présentés par les molécules du complexe d’histocompatibilité (CMH), sont scrutés par les lymphocytes T CD8 pour une réponse immunitaire appropriée. Le répertoire des peptides du CMH de classe I, aussi appelé immunopeptidome, est généré par la dégradation protéosomale des protéines endogènes, et a un rôle essentiel dans la régulation de l’immunité cellulaire. La composition de l’immunopeptidome dépend du type de cellule et peut présenter des caractéristiques liées à des maladies comme le cancer. Les peptides antigéniques peuvent être utilisés à des fins immunothérapeutiques notamment dans le traitement voire la prévention de certains cancers. La spectrométrie de masse est un outil de choix pour l’identification, le séquençage et la caractérisation de ces peptides. Cependant, la composition en acides aminés, la faible abondance et la diversité de ces peptides compliquent leur détection et leur séquençage. Nous avons développé un programme appelé StatPeaks qui permet de calculer un certains nombres de statistiques relatives à la fragmentation des peptides. À l’aide de ce programme, nous montrons sans équivoque que les peptides du CMH classe I, en mode de fragmentation par dissociation induite par collision (CID), fragmentent très différemment des peptides trypsiques communément utilisés en protéomique. Néanmoins, la fragmentation par décomposition induite par collision à plus haute énergie (HCD) proposée par le spectromètre LTQ-Orbitrap Velos améliore la fragmentation et fournit une haute résolution qui permet d’obtenir une meilleure confiance dans l’identification des peptides du CMH de classe I. Cet avantage permet d’effectuer le séquençage de novo pour identifier les variants polymorphes qui ne sont normalement pas identifiés par les recherches utilisant des bases de données. La comparaison des programmes de séquençage Lutefisk, pepNovo, pNovo, Vonode et Peaks met en évidence que le dernier permet d’identifier un plus grand nombre de peptides du CMH de classe I. Ce programme est intégré dans une chaîne de traitement de recherche d’antigènes mineurs d’histocompatibilité. Enfin, une base de données contenant les informations spectrales de plusieurs centaines de peptides du CMH de classe I accessible par Internet a été développée.

Étude sur le rôle des mutations de novo dans l’étiologie génétique de la schizophrénie

La schizophrénie est une maladie psychiatrique grave qui affecte approximativement 1 % de la population. Il est clairement établi que la maladie possède une composante génétique très importante, mais jusqu’à présent, les études ont été limitées au niveau de l’identification de facteurs génétiques spécifiquement liés à la maladie. Avec l’avènement des nouvelles avancées technologiques dans le domaine du séquençage de l’ADN, il est maintenant possible d’effectuer des études sur un type de variation génétique jusqu’à présent laissé pour compte : les mutations de novo, c.-à-d. les nouvelles mutations non transmises de manière mendélienne par les parents. Ces mutations peuvent avoir deux origines distinctes : une origine germinale au niveau des gamètes chez les parents ou une origine somatique, donc au niveau embryonnaire directement chez l’individu. L’objectif général de la présente recherche est de mieux caractériser les mutations de novo dans la schizophrénie. Comme le rôle de ces variations est peu connu, il sera également nécessaire de les étudier dans un contexte global au niveau de la population humaine. La première partie du projet consiste en une analyse exhaustive des mutations de novo dans la partie codante (exome) de patients atteints de schizophrénie. Nous avons pu constater que non seulement le taux de mutations était plus élevé qu’attendu, mais nous avons également été en mesure de relever un nombre anormalement élevé de mutations non-sens, ce qui suggère un profil pathogénique. Ainsi, nous avons pu fortement suggérer que les mutations de novo sont des actrices importantes dans le mécanisme génétique de la schizophrénie. La deuxième partie du projet porte directement sur les gènes identifiés lors de la première partie. Nous avons séquencé ces gènes dans une plus grande cohorte de cas et de contrôles afin d’établir le profil des variations rares pour ces gènes. Nous avons ainsi conclu que l’ensemble des gènes identifiés par les études de mutations de novo possède un profil pathogénique, ce qui permet d’établir que la plupart de ces gènes ont un rôle réel dans la maladie et ne sont pas des artéfacts expérimentaux. De plus, nous avons pu établir une association directe avec quelques gènes qui montrent un profil aberrant de variations rares. La troisième partie du projet se concentre sur l’effet de l’âge paternel sur le taux de mutations de novo. En effet, pour la schizophrénie, il est démontré que l’âge du père est un facteur de risque important. Ainsi, nous avons tenté de caractériser l’effet de l’âge du père chez des patients en santé. Nous avons observé une grande corrélation entre l’âge du père et le taux de mutations germinales et nous avons ainsi pu répertorier certaines zones avec un grand nombre de mutations de novo, ce qui suggère l’existence de zone chaude pour les mutations. Nos résultats ont été parmi les premiers impliquant directement les mutations de novo dans le mécanisme génétique de la schizophrénie. Ils permettent de jeter un nouveau regard sur les réseaux biologiques à l’origine de la schizophrénie en mettant sous les projecteurs un type de variations génétiques longtemps laissé pour compte.

Une nouvelle approche computationnelle pour la découverte des sites de fixation de facteurs de transcription à l’ADN, adaptée aux données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage

Les facteurs de transcription sont des protéines spécialisées qui jouent un rôle important dans différents processus biologiques tel que la différenciation, le cycle cellulaire et la tumorigenèse. Ils régulent la transcription des gènes en se fixant sur des séquences d’ADN spécifiques (éléments cis-régulateurs). L’identification de ces éléments est une étape cruciale dans la compréhension des réseaux de régulation des gènes. Avec l’avènement des technologies de séquençage à haut débit, l’identification de tout les éléments fonctionnels dans les génomes, incluant gènes et éléments cis-régulateurs a connu une avancée considérable. Alors qu’on est arrivé à estimer le nombre de gènes chez différentes espèces, l’information sur les éléments qui contrôlent et orchestrent la régulation de ces gènes est encore mal définie. Grace aux techniques de ChIP-chip et de ChIP-séquençage il est possible d’identifier toutes les régions du génome qui sont liées par un facteur de transcription d’intérêt. Plusieurs approches computationnelles ont été développées pour prédire les sites fixés par les facteurs de transcription. Ces approches sont classées en deux catégories principales: les algorithmes énumératifs et probabilistes. Toutefois, plusieurs études ont montré que ces approches génèrent des taux élevés de faux négatifs et de faux positifs ce qui rend difficile l’interprétation des résultats et par conséquent leur validation expérimentale. Dans cette thèse, nous avons ciblé deux objectifs. Le premier objectif a été de développer une nouvelle approche pour la découverte des sites de fixation des facteurs de transcription à l’ADN (SAMD-ChIP) adaptée aux données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage. Notre approche implémente un algorithme hybride qui combine les deux stratégies énumérative et probabiliste, afin d’exploiter les performances de chacune d’entre elles. Notre approche a montré ses performances, comparée aux outils de découvertes de motifs existants sur des jeux de données simulées et des jeux de données de ChIP-chip et de ChIP-séquençage. SAMD-ChIP présente aussi l’avantage d’exploiter les propriétés de distributions des sites liés par les facteurs de transcription autour du centre des régions liées afin de limiter la prédiction aux motifs qui sont enrichis dans une fenêtre de longueur fixe autour du centre de ces régions. Les facteurs de transcription agissent rarement seuls. Ils forment souvent des complexes pour interagir avec l’ADN pour réguler leurs gènes cibles. Ces interactions impliquent des facteurs de transcription dont les sites de fixation à l’ADN sont localisés proches les uns des autres ou bien médier par des boucles de chromatine. Notre deuxième objectif a été d’exploiter la proximité spatiale des sites liés par les facteurs de transcription dans les régions de ChIP-chip et de ChIP-séquençage pour développer une approche pour la prédiction des motifs composites (motifs composés par deux sites et séparés par un espacement de taille fixe). Nous avons testé ce module pour prédire la co-localisation entre les deux demi-sites ERE qui forment le site ERE, lié par le récepteur des œstrogènes ERα. Ce module a été incorporé à notre outil de découverte de motifs SAMD-ChIP.

Développement de méthodes d'assemblage de génomes de novo adaptées aux bactéries endosymbiotes

Le but de ce projet était de développer des méthodes d'assemblage de novo dans le but d'assembler de petits génomes, principalement bactériens, à partir de données de séquençage de nouvelle-génération. Éventuellement, ces méthodes pourraient être appliquées à l'assemblage du génome de StachEndo, une Alpha-Protéobactérie inconnue endosymbiote de l'amibe Stachyamoeba lipophora. Suite à plusieurs analyses préliminaires, il fut observé que l’utilisation de lectures Illumina avec des assembleurs par graphe DeBruijn produisait les meilleurs résultats. Ces expériences ont également montré que les contigs produits à partir de différentes tailles de k-mères étaient complémentaires pour la finition des génomes. L’ajout de longues paires de lectures chevauchantes se montra essentiel pour la finition complète des grandes répétitions génomiques. Ces méthodes permirent d'assembler le génome de StachEndo (1,7 Mb). L'annotation de ce génome permis de montrer que StachEndo possède plusieurs caractéristiques inhabituelles chez les endosymbiotes. StachEndo constitue une espèce d'intérêt pour l'étude du développement endosymbiotique.

Androgen levels increase by intratumoral de novo steroidogenesis during progression of castration-resistant prostate cancer

Although systemic androgen deprivation prolongs life in advanced prostate cancer, remissions are temporary because patients almost uniformly progress to a state of a castration-resistant prostate cancer (CRPC) as indicated by recurring PSA. This complex process of progression does not seem to be stochastic as the timing and phenotype are highly predictable, including the observation that most androgen-regulated genes are reactivated despite castrate levels of serum androgens. Recent evidence indicates that intraprostatic levels of androgens remain moderately high following systemic androgen deprivation therapy, whereas the androgen receptor (AR) remains functional, and silencing the AR expression following castration suppresses tumor growth and blocks the expression of genes known to be regulated by androgens. From these observations, we hypothesized that CRPC progression is not independent of androgen-driven activity and that androgens may be synthesized de novo in CRPC tumors leading to AR activation. Using the LNCaP xenograft model, we showed that tumor androgens increase during CRPC progression in correlation to PSA up-regulation. We show here that all enzymes necessary for androgen synthesis are expressed in prostate cancer tumors and some seem to be up-regulated during CRPC progression. Using an ex vivo radiotracing assays coupled to high-performance liquid chromatography-radiometric/mass spectrometry detection, we show that tumor explants isolated from CRPC progression are capable of de novo conversion of [(14)C]acetic acid to dihydrotestosterone and uptake of [(3)H]progesterone allows detection of the production of six other steroids upstream of dihydrotestosterone. This evidence suggests that de novo androgen synthesis may be a driving mechanism leading to CRPC progression following castration.

Insulin increases De Novo Steroidogenesis in prostate cancer cells

Androgen-dependent pathways regulate maintenance and growth of normal and malignant prostate tissues. Androgen deprivation therapy (ADT) exploits this dependence and is used to treat metastatic prostate cancer; however, regression initially seen with ADT gives way to development of incurable castration-resistant prostate cancer (CRPC). Although ADT generates a therapeutic response, it is also associated with a pattern of metabolic alterations consistent with metabolic syndrome including elevated circulating insulin. Because CRPC cells are capable of synthesizing androgens de novo, we hypothesized that insulin may also influence steroidogenesis in CRPC. In this study, we examined this hypothesis by evaluating the effect of insulin on steroid synthesis in prostate cancer cell lines. Treatment with 10 nmol/L insulin increased mRNA and protein expression of steroidogenesis enzymes and upregulated the insulin receptor substrate insulin receptor substrate 2 (IRS-2). Similarly, insulin treatment upregulated intracellular testosterone levels and secreted androgens, with the concentrations of steroids observed similar to the levels reported in prostate cancer patients. With similar potency to dihydrotestosterone, insulin treatment resulted in increased mRNA expression of prostate-specific antigen. CRPC progression also correlated with increased expression of IRS-2 and insulin receptor in vivo. Taken together, our findings support the hypothesis that the elevated insulin levels associated with therapeutic castration may exacerbate progression of prostate cancer to incurable CRPC in part by enhancing steroidogenesis.

IGF2 increases de novo steroidogenesis in prostate cancer cells

Androgen-dependent pathways regulate maintenance and growth of normal and malignant prostate tissues. Androgen deprivation therapy (ADT) exploits this dependence and is used to treat metastatic prostate cancer; however, regression initially seen with ADT gives way to development of incurable castration-resistant prostate cancer (CRPC). Although ADT generates a therapeutic response, it is also associated with a pattern of metabolic alterations consistent with metabolic syndrome including elevated circulating insulin. Because CRPC cells are capable of synthesizing androgens de novo, we hypothesized that insulin may also influence steroidogenesis in CRPC. In this study, we examined this hypothesis by evaluating the effect of insulin on steroid synthesis in prostate cancer cell lines. Treatment with 10 nmol/L insulin increased mRNA and protein expression of steroidogenesis enzymes and upregulated the insulin receptor substrate insulin receptor substrate 2 (IRS-2). Similarly, insulin treatment upregulated intracellular testosterone levels and secreted androgens, with the concentrations of steroids observed similar to the levels reported in prostate cancer patients. With similar potency to dihydrotestosterone, insulin treatment resulted in increased mRNA expression of prostate-specific antigen. CRPC progression also correlated with increased expression of IRS-2 and insulin receptor in vivo. Taken together, our findings support the hypothesis that the elevated insulin levels associated with therapeutic castration may exacerbate progression of prostate cancer to incurable CRPC in part by enhancing steroidogenesis.

De Novo Transcriptome Sequence Assembly and Analysis of RNA Silencing Genes of Nicotiana benthamiana

Background: Nicotiana benthamiana has been widely used for transient gene expression assays and as a model plant in the study of plant-microbe interactions, lipid engineering and RNA silencing pathways. Assembling the sequence of its transcriptome provides information that, in conjunction with the genome sequence, will facilitate gaining insight into the plant's capacity for high-level transient transgene expression, generation of mobile gene silencing signals, and hyper-susceptibility to viral infection. Methodology/Results: RNA-seq libraries from 9 different tissues were deep sequenced and assembled, de novo, into a representation of the transcriptome. The assembly, of16GB of sequence, yielded 237,340 contigs, clustering into 119,014 transcripts (unigenes). Between 80 and 85% of reads from all tissues could be mapped back to the full transcriptome. Approximately 63% of the unigenes exhibited a match to the Solgenomics tomato predicted proteins database. Approximately 94% of the Solgenomics N. benthamiana unigene set (16,024 sequences) matched our unigene set (119,014 sequences). Using homology searches we identified 31 homologues that are involved in RNAi-associated pathways in Arabidopsis thaliana, and show that they possess the domains characteristic of these proteins. Of these genes, the RNA dependent RNA polymerase gene, Rdr1, is transcribed but has a 72 nt insertion in exon1 that would cause premature termination of translation. Dicer-like 3 (DCL3) appears to lack both the DEAD helicase motif and second dsRNA binding motif, and DCL2 and AGO4b have unexpectedly high levels of transcription. Conclusions: The assembled and annotated representation of the transcriptome and list of RNAi-associated sequences are accessible at www.benthgenome.com alongside a draft genome assembly. These genomic resources will be very useful for further study of the developmental, metabolic and defense pathways of N. benthamiana and in understanding the mechanisms behind the features which have made it such a well-used model plant. © 2013 Nakasugi et al.

A transcriptomic analysis of striped catfish (Pangasianodon hypophthalmus) in response to salinity adaptation: De novo assembly, gene annotation and marker discovery

The striped catfish (Pangasianodon hypophthalmus) culture industry in the Mekong Delta in Vietnam has developed rapidly over the past decade. The culture industry now however, faces some significant challenges, especially related to climate change impacts notably from predicted extensive saltwater intrusion into many low topographical coastal provinces across the Mekong Delta. This problem highlights a need for development of culture stocks that can tolerate more saline culture environments as a response to expansion of saline water-intruded land. While a traditional artificial selection program can potentially address this need, understanding the genomic basis of salinity tolerance can assist development of more productive culture lines. The current study applied a transcriptomic approach using Ion PGM technology to generate expressed sequence tag (EST) resources from the intestine and swim bladder from striped catfish reared at a salinity level of 9 ppt which showed best growth performance. Total sequence data generated was 467.8 Mbp, consisting of 4,116,424 reads with an average length of 112 bp. De novo assembly was employed that generated 51,188 contigs, and allowed identification of 16,116 putative genes based on the GenBank non-redundant database. GO annotation, KEGG pathway mapping, and functional annotation of the EST sequences recovered with a wide diversity of biological functions and processes. In addition, more than 11,600 simple sequence repeats were also detected. This is the first comprehensive analysis of a striped catfish transcriptome, and provides a valuable genomic resource for future selective breeding programs and functional or evolutionary studies of genes that influence salinity tolerance in this important culture species.

Assembly and annotation of a non-model gastropod (Nerita melanotragus) transcriptome: a comparison of De novo assemblers

Background The sequencing, de novo assembly and annotation of transcriptome datasets generated with next generation sequencing (NGS) has enabled biologists to answer genomic questions in non-model species with unprecedented ease. Reliable and accurate de novo assembly and annotation of transcriptomes, however, is a critically important step for transcriptome assemblies generated from short read sequences. Typical benchmarks for assembly and annotation reliability have been performed with model species. To address the reliability and accuracy of de novo transcriptome assembly in non-model species, we generated an RNAseq dataset for an intertidal gastropod mollusc species, Nerita melanotragus, and compared the assembly produced by four different de novo transcriptome assemblers; Velvet, Oases, Geneious and Trinity, for a number of quality metrics and redundancy. Results Transcriptome sequencing on the Ion Torrent PGM™ produced 1,883,624 raw reads with a mean length of 133 base pairs (bp). Both the Trinity and Oases de novo assemblers produced the best assemblies based on all quality metrics including fewer contigs, increased N50 and average contig length and contigs of greater length. Overall the BLAST and annotation success of our assemblies was not high with only 15-19% of contigs assigned a putative function. Conclusions We believe that any improvement in annotation success of gastropod species will require more gastropod genome sequences, but in particular an increase in mollusc protein sequences in public databases. Overall, this paper demonstrates that reliable and accurate de novo transcriptome assemblies can be generated from short read sequencers with the right assembly algorithms. Keywords: Nerita melanotragus; De novo assembly; Transcriptome; Heat shock protein; Ion torrent

Optimizing de novo transcriptome assembly and extending genomic resources for striped catfish (Pangasianodon hypophthalmus)

Striped catfish (Pangasianodon hypophthalmus) is a commercially important freshwater fish used in inland aquaculture in the Mekong Delta, Vietnam. The culture industry is facing a significant challenge however from saltwater intrusion into many low topographical coastal provinces across the Mekong Delta as a result of predicted climate change impacts. Developing genomic resources for this species can facilitate the production of improved culture lines that can withstand raised salinity conditions, and so we have applied high-throughput Ion Torrent sequencing of transcriptome libraries from six target osmoregulatory organs from striped catfish as a genomic resource for use in future selection strategies. We obtained 12,177,770 reads after trimming and processing with an average length of 97 bp. De novo assemblies were generated using CLC Genomic Workbench, Trinity and Velvet/Oases with the best overall contig performance resulting from the CLC assembly. De novo assembly using CLC yielded 66,451 contigs with an average length of 478 bp and N50 length of 506 bp. A total of 37,969 contigs (57%) possessed significant similarity with proteins in the non-redundant database. Comparative analyses revealed that a significant number of contigs matched sequences reported in other teleost fishes, ranging in similarity from 45.2% with Atlantic cod to 52% with zebrafish. In addition, 28,879 simple sequence repeats (SSRs) and 55,721 single nucleotide polymorphisms (SNPs) were detected in the striped catfish transcriptome. The sequence collection generated in the current study represents the most comprehensive genomic resource for P. hypophthalmus available to date. Our results illustrate the utility of next-generation sequencing as an efficient tool for constructing a large genomic database for marker development in non-model species.

De novo combination therapy adefovir plus lamivudine as a treatment for women of child-bearing age with HBeAg-positive chronic hepatitis B before pregnancy

Substantial progress has been achieved in antiviral therapy for chronic hepatitis B; however, options for women of child-bearing age with HBeAg-positive chronic hepatitis B remain a challenge. In this study, we sought to determine whether de novo combination therapy of Adefovir plus Lamivudine was a super treatment for women of child-bearing age with HBeAg-positive chronic hepatitis B prior to conception. A total of 122 women patients of child-bearing age with HBeAg-positive chronic hepatitis B were randomly assigned to receive (i) 10 mg Adefovir plus 100 mg Lamivudine (64 patients) or (ii) 10 mg Adefovir monotherapy (58 patients), administrated orally once daily for 96 weeks. The therapeutic efficacy within each group was compared at weeks 48 and 96. The results showed that de novo combination therapy of Adefovir plus Lamivudine significantly reduced HBV-DNA detectability, and enhanced ALT normalization and HBeAg seroconversion in women of child-bearing age with HBeAg-positive chronic hepatitis B. No virological breakthrough and genotypic resistance were observed in the combination therapy group. Additionally, the combination therapy with Adefovir plus Lamivudine was well tolerated. This study suggests that de novo combination therapy of Adefovir plus Lamivudine offers a therapeutic advantage for women of child-bearing age with HBeAg-positive chronic hepatitis B when taken before conception.

Combining transcriptome assemblies from multiple de novo assemblers in the allo-tetraploid plant Nicotiana benthamiana

Background Nicotiana benthamiana is an allo-tetraploid plant, which can be challenging for de novo transcriptome assemblies due to homeologous and duplicated gene copies. Transcripts generated from such genes can be distinct yet highly similar in sequence, with markedly differing expression levels. This can lead to unassembled, partially assembled or mis-assembled contigs. Due to the different properties of de novo assemblers, no one assembler with any one given parameter space can re-assemble all possible transcripts from a transcriptome. Results In an effort to maximise the diversity and completeness of de novo assembled transcripts, we utilised four de novo transcriptome assemblers, TransAbyss, Trinity, SOAPdenovo-Trans, and Oases, using a range of k-mer sizes and different input RNA-seq read counts. We complemented the parameter space biologically by using RNA from 10 plant tissues. We then combined the output of all assemblies into a large super-set of sequences. Using a method from the EvidentialGene pipeline, the combined assembly was reduced from 9.9 million de novo assembled transcripts to about 235,000 of which about 50,000 were classified as primary. Metrics such as average bit-scores, feature response curves and the ability to distinguish paralogous or homeologous transcripts, indicated that the EvidentialGene processed assembly was of high quality. Of 35 RNA silencing gene transcripts, 34 were identified as assembled to full length, whereas in a previous assembly using only one assembler, 9 of these were partially assembled. Conclusions To achieve a high quality transcriptome, it is advantageous to implement and combine the output from as many different de novo assemblers as possible. We have in essence taking the ‘best’ output from each assembler while minimising sequence redundancy. We have also shown that simultaneous assessment of a variety of metrics, not just focused on contig length, is necessary to gauge the quality of assemblies.

A soluble preparation from developing groundnut seeds (Arachis hypogaea) catalyzes de novo synthesis of long chain fatty acids

A 100,000 x g supernatant fraction prepared from developing groundnut seeds (30-35 days after flowering) catalyzed the synthesis of fatty acids from [l-14C]acetate at a rate of 120nmoles of acetate incorporated per hr per gram fresh weight of tissue. 90% of this incorporated label was associated with fatty acids. The major fatty acids formed were stearic- (77%) and palmitic acids (14%) with 4% of oleic acid. The fatty acid synthetase activity was stable when stored at 0-4 degrees C for at least fifteen days. It is concluded from these results that acetyl-coA carboxylase and all the enzymes of fatty acid synthetase from developing groundnut seeds are soluble.