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

Les modifications post-traductionnelles (MPTs) d’histones sont apparues comme un acteur majeur de la régulation de l’expression des gènes. Cependant peu de choses sont connues sur le réel impact des MPTs sur la chromatine. Il a été suggéré que les MPTs d’histones (H2A, H2B, H3 et H4) ont le potentiel de moduler la fonction chromatinienne selon un « codehistone » en recrutant des protéines spécifiques de liaison. L’objectif de mon projet est d’approfondir la fonction de l’acétylation du domaine globulaire de l’histone H3 et de comparer cette modification avec celles des queues N-terminale in vivo sur une lignée ES cellulaire. Pour étudier l’impact de ces MPTs in vivo, toutes les copies endogènes du gène H3 sauvage (WT) doivent être remplacées par des copies mutées. Ainsi la première étape de mon projet est d’établir une lignée cellulaire exprimant seulement H3 mutée (e.g reproduisant une acétylation permanente) afin d’étudier les effets des modifications sur le domaine globulaire de H3 sur (a) l’expression génique, (b) l’architecture chromatinienne mais également pour étudier (c) les effets réciproques et synergiques entre les différentes modifications du domaine globulaire et (d) comparer ces effets avec les modifications sur la queue N-terminale dans un système in vivo. / Post-translational modifications (PTMs) of histones have emerged as key players in the regulation of gene expression. However, little is known to what extent PTMs can directly impact chromatin. It has been suggested that PTMs of core histones (H2A, H2B, H3 and H4) have the potential to govern chromatin function according to the so called ‘‘histone code’’ hypothesis by recruiting specific binding proteins. The goal of my project is to gain insight in the function acetylation within the globular domain of H3 and to compare these modifications with histone tail modifications, in vivo by using the CRISPR in mouse embryonic stem cells (ES). To study the impact of PTMs in vivo, all endogenous wild type (WT) H3 gene copies have to be replaced with mutant copies. Hence, the primary focus of my project is to establish cell lines that exclusively express mutated H3 (e.g. mimicking acetylation) in order to study effects of H3 globular domain modifications on (a) gene expression (b) chromatin architecture as well as to study (c) cross talks and synergisms between globular domain modifications and (d) compare the effects with tail modifications in an vivo system.

Les cils sont des organites très conservés au cours de l’évolution des eucaryotes et présents à la surface de presque tous les types cellulaires. Ils sont constitués d’une structure microtubulaire, l’axonème, entourée d’une membrane en continuité avec la membrane plasmique. Ils sont nucléés par un corps basal, centriole ancré à la surface cellulaire. Grâce aux nombreux récepteurs qu’ils concentrent à leur membrane, tous les cils sont des senseurs de leur environnement. Ils peuvent aussi être motiles et assurer, par leur battement coordonné, le déplacement relatif de la cellule et du fluide environnant. Tandis que cil et structure centriolaire, hérités du premier eucaryote, ont été perdus par certains champignons et par les plantes supérieures, certains gènes codant des protéines ciliaires et centriolaires sont pourtant retrouvés dans le génome de ces espèces. Cette conservation de protéines sans l’organite suggère soit que ces protéines interviennent dans un même processus moléculaire utilisé dans plusieurs organites, soit qu’elles jouent des rôles dans des processus moléculaires distincts via leur interaction avec différents types de partenaires.J’ai choisi d’étudier l’une de ces protéines ciliaires et centriolaires, Bug22p, hautement conservée en séquence protéique entre l'homme et la paramécie, mais également présente chez les plantes supérieures. J’ai mené cette étude principalement sur la paramécie, système modèle pour la biogénèse des corps basaux et des cils, mais aussi sur des cellules de mammifère et de végétaux supérieurs. Si Bug22p est impliquée dans la détermination du battement ciliaire chez la paramécie, elle se localise également dans des cils immotiles de cellules de mammifère suggérant que son activité ciliaire n’est pas réduite à cette seule fonction. Des expériences d’inactivation génique suggèrent par ailleurs un lien entre l’activité de Bug22p et la polyglycylation. Sa surexpression dans les cellules de mammifère en culture entraîne l’apparition d’extensions cellulaires et une augmentation des réseaux de tubulines acétylées probablement associées à une stabilisation des microtubules. L'ensemble de mes résultats suggère donc un rôle de Bug22p dans la régulation de modifications post-traductionnelles. En plus d’être présente dans les structures ciliaires, Bug22p se localise aussi bien dans les noyaux de la paramécie que dans ceux des cellules humaines et des plantes supérieures Arabidopsis et Nicotiana. Ces observations ouvrent un nouveau champ d’études. En effet, si l’on sait que les tubulines ciliaires sont soumises à différentes modifications post-traductionnelles telles que polyglycylation ou acétylation, ce type de modifications touchent également des protéines nucléaires régulant ainsi le trafic de protéines nucléaires ou l’expression génique. Nous pouvons donc avancer l’hypothèse selon laquelle Bug22p agirait sur la régulation de ces modifications dans le cil et dans le noyau. Il serait donc intéressant de caractériser les modifications post-traductionnelles chez les plantes supérieures afin de vérifier une possible implication de Bug22p dans leur régulation et donc comprendre les raisons de sa conservation chez les végétaux. / Cilia, organelles that have been conserved throughout the evolution of eukaryotes, are found at the surface of most cell types. They are composed of a microtubular structure, the axoneme, surrounded by a membrane continuous to the plasma membrane. Cilia are nucleated by basal body, which is a centriole anchored to the cell surface. Cilia are environmental sensors concentrated in the ciliary membrane. Cilia can be motile and ensure the relative movement of the cell with respect to the surrounding fluid by their coordinated beating. While cilia and centriolar structures inherited from the first eukaryote have been lost by certain fungi and higher plants, certain genes encoding ciliary and centriolar proteins are found in the genomes of organisms lacking these structures. The conservation of these proteins without organelle suggests that these proteins are involved in the same molecular process into different organelles or proteins are involved into different processes through some interactions with different partners.I chose to study the ciliary and centriolar protein, Bug22p, highly conserved between human and Paramecium proteins sequences, and also present in higher plants. My work addressed this study primarily on Paramecium, a model system for biogenesis of basal bodies and cilia, and I also pursued investigation of mammalian cells and higher plants. I was able to show that Bug22p is necessary for efficient Paramecium ciliary beating, but I also localized in the immotile cilia of mammalian cells suggesting that Bug22p is not only restricted to the motile ciliary function. By knockdown experiments in Paramecium, I obtained evidence that Bug22p is involved in polyglycylation. Bug22p overexpression in mammalian cells led to the appearance of cell extensions and increased acetylated tubulin networks consistent with microtubule stabilization. My results suggest that Bug22p may regulate post-translational proteins modifications.Bug22p is also localized in the nuclei of Paramecium, human and higher plants such as Arabidopsis and Nicotiana. These observations open a new field of study. The axoneme microtubules are highly modified by post-translational modifications such as acetylation and polyglycylation; we know that in the nucleus, theses modifications are involved in the control of nuclear trafficking of some proteins and the regulation of gene expression. We can therefore speculate that Bug22p acts on the regulation of these changes in the cilium and in the nucleus. Finally, it would be interesting to characterize the post-translational modifications in higher plants to verify the possible involvement of Bug22p in their regulation and thus understand the meaning of its conservation in higher plants lacking cilia.

Thèse de doctorat : Chimie : Strasbourg 1 : 2008. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

Leishmania est un protozoaire parasite de l’ordre de Kinétoplastida de la famille des Trypanosomatidés, agent pathogène des leishmanioses. Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés à l’apoptose chez L. major. Bien que ce processus soit phénotypiquement identique à l’apoptose des mammifères, les protéines clés et les voies métaboliques impliquées restent largement inconnues. L’autophagie étant paradoxalement étroitement liée à l’apoptose, nous nous sommes également intéressés à ce processus de survie cellulaire. La première partie de ce travail a permis de décrire le phénotype autophagique et de montrer qu’apoptose et autophagie sont deux processus distincts mais également en lien étroit. Dans la deuxième partie, nous nous sommes focalisés sur la métacaspase de L. major LmjMCA. Nous avons observé un rôle de LmjMCA similaire à celui des caspases humaines au cours de l’apoptose, en lien avec son domaine catalytique. Nous avons montré que la surexpression de LmjMCA induit l’entrée en autophagie des cellules. Enfin, la troisième partie de ce travail s’est concentrée sur l’étude du cytosquelette. Nous avons ainsi pu établir un lien entre (dé)glutamylation, apoptose et autophagie. Nous avons mis en évidence que la polyglutamylation du cytosquelette, entraîne l’entrée en apoptose des cellules tandis que la déglutamylation du cytosquelette est associée au processus de survie cellulaire. Ce travail a permis de mieux caractériser les processus d’autophagie et d’apoptose chez Leishmania. Ces résultats permettent d’ouvrir des perspectives dans le développement de nouveaux outils thérapeutiques. / Leishmania is a protozoan parasite of the Kinetoplastida order and the Trypansomatid family and is the causative agent of leishmaniasis. In this thesis we focused on apoptosis in L. major. Although this process is phenotypically similar to mammal apoptosis, key proteins and metabolic pathways involved remain largely unknown. Autophagy being paradoxically closely linked to apoptosis, we were also interested in this cell survival process and its relationship with programmed cell death. The first part of this thesis has described the phenotypical changes during autophagy and shown that apoptosis and autophagy are two separate processes, but there is also a close relationship between these two mechanisms. In the second part of this thesis, we have demonstrated that LmjMCA has a role similar to the one of human caspases during apoptosis, through its catalytic domain. In addition, we have shown that LmjMCA overexpression induces autophagy entry after nutrient deprivation via its C-terminal domain.The third part of this work has focused on the study of the cytoskeleton. We could establish a link between (de)glutamylation, apoptosis and autophagy. Indeed, we have shown that cytoskeleton polyglutamylation induces cell death while cytoskeleton deglutamylation is associated with the cell survival process autophagy. This thesis allowed us to better characterize the autophagy and apoptosis processes in Leishmania and to identify the metacaspase as involved in the corresponding pathways. These results open perspectives in the development of new therapeutic tools.

Ilf3 et NF90, deux protéines de liaison aux ARN localement structurés en double-brin, sont générées par épissage mutuellement exclusif à partir du gène ILF3. Pour chacune d’entre-elles, un épissage alternatif permet la synthèse de deux isoformes, une longue et une courte, qui diffèrent par la présence ou non d’une séquence de 13 acides aminés localisée à leur extrémité N-terminale et qui correspond à un signal de localisation nucléolaire. La particularité de ces deux protéines est de présenter une forte hétérogénéité avec au moins 20 isoformes produites à partir du même gène, 12 pour Ilf3 et 8 pour NF90. Elle est générée par deux mécanismes complémentaires, l’épissage alternatif et les modifications post-traductionnelles dont deux ont été mises en évidence au laboratoire, la diméthylation asymétrique de l’arginine 609/622 présente dans une séquence consensus de type RGG et catalysée par PRMT1 (« protein arginine N-methyltransferase 1 ») ainsi qu’une phosphorylation sur la sérine 190/203. Ce polymorphisme pourrait être à l’origine des différences de localisation subcellulaire observées selon l’isoforme considérée et/ou aurait comme fonction de réguler soit leurs interactions avec leurs partenaires protéiques ou nucléiques, soit leur activité biologique. Par des expériences d’immunofluorescence et de « GST pull-down », il a été montré que ces deux modifications post-traductionnelles d’Ilf3 et de NF90 ne semblent impliquées ni dans leur localisation subcellulaire, ni dans la régulation de leurs interactions avec leurs partenaires protéiques. Du fait des nombreuses fonctions associées aux protéines Ilf3 et NF90 dans la littérature, les modifications identifiées pourraient être impliquées dans la régulation de leurs interactions avec leurs partenaires nucléiques, ADN ou ARN. / Ilf3 and NF90, two double stranded RNA-binding proteins, are generated by exclusive splicing from the ILF3 gene. For each one, a 5? alternative splicing leads to the synthesis of a long and a short isoforms that differ by the presence or not of 13 amino acid sequence at their N-terminus corresponding to a nucleolar localization signal. The characteristic of these two proteins is to exhibit a high degree of heterogeneity with at least 20 isoforms produced from the same gene, 12 for Ilf3 and 8 for NF90. It is generated by two complementary mechanisms, alternative splicing and posttranslational modifications which two have been identified in the laboratory, the arginine 609/622 asymmetric dimethylation present in a RGG consensus sequence and catalyzed by PRMT1 ("protein arginine N-methyltransferase 1") and the serine 190/203 phosphorylation. This polymorphism could explain the various cellular functions described for both proteins and could regulate their subcellular localization and the interaction with protein or nucleic partners. By immunofluorescence and GST pull-down experiments, it was shown that these two posttranslational modifications of Ilf3 and NF90 neither seem involved in their subcellular localization, nor in the regulation of interactions with their protein partners. Because of the many functions associated with Ilf3 and NF90 proteins in the literature, the identified modifications may be implicated in regulating the interactions with their nucleic partners, DNA or RNA.

La migration des cellules est nécessaire au cours du développement. Chez l’adulte, elle contribue au renouvellement des tissus, à la cicatrisation et à la circulation des cellules immunitaires. Les cellules cancéreuses acquièrent des capacités de migration qui échappent aux mécanismes normaux de régulation. Elles peuvent ainsi envahir les tissus environnants et, éventuellement, former des métastases. Les astrocytes représentent une majorité de cellules gliales du système nerveux central. Ils migrent en réponse à des facteurs inflammatoires et interviennent ainsi dans la cicatrisation et la régénération des tissus lésés. Les astrocytes peuvent être à l’origine de tumeurs appelées gliomes qui représentent la majorité des tumeurs cérébrales primaires. Les formes les plus agressives, appelées glioblastomes, sont des tumeurs extrêmement invasives, ce qui les rend particulièrement difficiles à traiter. Les microtubules jouent un role crucial dans la migration des astrocytes et des cellules de gliomes (Etienne-Manneville, 2013a). Au cours de la migration, le réseau de microtubules est totalement réorganisé pour permettre la polarisation de la cellule. Formés par association de dimères de tubuline, leur régulation intervient de multiples manières comme par exemple au niveau de leur dynamique de polymérisation à la périphérie de leurs interactions avec les composants cellulaires ou par leurs modifications post-traductionnelles (Etienne- Manneville, 2010). En effet, les dimères de tubulines polymérisées, inclues dans les microtubules, peuvent être, entre autres, détyrosinées, acétylées, mono ou poly-glutamylées, et mono ou poly-glycylées (Janke and Chloë Bulinski, 2011). Durant la migration cellulaire, ces modifications post-traductionnelles peuvent notamment jouer un rôle dans la régulation du trafic intracellulaire. L’objectif majeur de mon projet de thèse est d’étudier les mécanismesIii de régulation des microtubules au cours de la migration des astrocytes normaux et tumoraux, et plus particulièrement le rôle des modifications post-traductionnelles de la tubuline. Je me suis focalisée sur trois principales modifications post-traductionnelles des microtubules durant la migration : la polyglutamylation, la détyrosination et l’acétylation. En premier lieu, j’ai étudié le rôle potentiel de la polyglutamylation dans la mise en place de la polarité cellulaire chez les astrocytes. Je n’ai pas observé d’effet de cette modification durant la migration… / The migration of cells is necessary during the development. At the adult, she contributes to the renewal of fabrics, to the healing and to the traffic of immune cells. Cancer cells acquire capacities of migration which escape the normal mechanisms of regulation...

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / La cartographie peptidique est une technique comparative couramment utilisée pour l'analyse des protéines et l'identification de substitutions d'acides aminés ou de modifications post-transductionnelles dont certaines sont à l'origine de maladies graves comme l'anémie. Cette technique est constituée de trois étapes: le clivage enzymatique ou chimique de la protéine, la séparation et la détection des fragments peptidiques par une technique chromatographique. La cartographie peptidique de protéines provenant d'échantillons biologiques est une technique longue et fastidieuse. Afin de digérer les protéines, nous avons mis au point un microréacteur qui contient de la trypsine immobilisée sur un support solide. La solution de protéine est perfusée à travers le microréacteur où a lieu la digestion. Les fragments peptidiques sont collectés à la sortie du micro-réacteur et séparés par électrophorèse capillaire (CE). Ce microréacteur a montré une bonne reproductibilité des cartes peptidiques pour des concentrations de protéines assez élevées (0.08 mM). Cependant, le nombre de pics obtenus sur nos électrophérogrammes dans le cas de la [3-caséine est supérieur au nombre de peptides attendus. Nous avons montré que ce phénomène est dû au fait que les échantillons commerciaux de cette protéine comportent plusieurs isoforrnes. Dans les échantillons biologiques, les fragments peptidiques issus de la digestion de protéines sont souvent présents à des concentrations inférieures aux limites de détection usuelles par spectrophotométrie. Nous avons donc fabriqué un préconcentrateur fait de billes d'octadécylsilane (1 mm x 370 lm). Dans un premier temps, la solution de fragments peptidiques est perfusée à travers le préconcentrateur où les peptides sont retenus. Après connexion de celui-ci à un capillaire de séparation par électrophorèse capillaire, la désorption est effectuée en injectant à travers le préconcentrateur un petit volume d'une solution d'acétonitrile (65 n1). Ce volume d'élution est ensuite poussé par pression dans le capillaire de séparation. Pour éviter les problèmes associés à la présence du préconcentrateur lors de la séparation, ce dernier est déconnecté du capillaire de séparation avant application du voltage. Nos études ont montré que l'étape de préconcentration induit un phénomène chromatographique qui se superpose à la séparation électrophorétique. En conséquence, les cartes peptidiques obtenues avec une étape de préconcentration sont très différentes de celles obtenues à des concentrations élevées. En dépit de ce phénomène, nous avons obtenu des cartes peptidiques de digestats de la [3-caséine avec une bonne reproductibilité et avec des solutions de protéine à des concentrations de 400 nM. Afin de minimiser la perte d'échantillon, les manipulations et le temps nécessaires pour obtenir la cartographie peptidique à partir de la solution de protéine à basse concentration, nous avons connecté le microréacteur, le préconcentrateur et le capillaire de séparation en un système continu. Malgré la perte de résolution et d'efficacité induite par le design du système et le relativement important volume de désorption injecté (60 n1), nous avons atteint un facteur de préconcentration de 500. Nous avons obtenu les cartes peptidiques de différentes protéines à des concentrations allant de 400 nM à 800 nM en quatre heures et ce de manière reproductible. De plus, notre système est réutilisable.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ces travaux de recherche visent à mettre au point par une nouvelle « Approche Chimique Inverse » des antigènes synthétiques pour le diagnostic de maladies auto-immunes; utilisant les autoanticorps spécifiques de ces pathologies en tant que biomarqueurs.L'efficacité de ces peptides modifiés en tant qu'outils pour le diagnostic est évaluée par un screening au moyen de tests immunoenzymatiques (SP-ELISA), de sérums de patients atteints de pathologies auto-immunes sélectionnées.Trois maladies ont été étudiées en particulier.La cirrhose primitive biliaire est une maladie auto-immune cholestatique affectant le foie, caractérisée par une destruction progressive des canaux intra-hépatiques, pouvant mener à une cirrhose. Il existe des autoanticorps antimitochondriaux spécifiques à cette maladie qui reconnaissent un epitope lipoylé de la PDC-E2, protéine impliquée dans le cycle énergétique mitochondrial. La synthèse de sondes moléculaires lipoylées basées sur la PDC-E2(167-186) a été mise au point et optimisée. Les antigènes synthétiques ont ainsi été testés sur des sérums de patients de PBC. Les résultats montrent que: 1) la séquence a une importance pour la reconnaissance des anticorps; 2) la chiralité du dithiolane de la lipoyl-lysine ne semble pas avoir d'influence majeure sur la reconnaissance des autoanticorps; 3) l'absence de lipoylation sur le mime de la protéine native semble donner de meilleurs résultats que l'antigène synthétique lipoylé.Le diabète est une maladie caractérisée par une hyperglycémie provoquée par l'action réduite ou inexistante de l'insuline. L'excès de sucre dans le sang peut provoquer des modifications de diverses natures sur les protéines circulantes (glycation, O-glycosylation, N-glycosylation).La synthèse de sondes moléculaires portant ces structures en tant que modifications post-traductionnelles a été mise au point. Les antigènes synthétiques ont ainsi été testés sur des sérums de patients atteints de diabète. Les résultats montrent que trois des peptides testés permettent de différencier les patients atteints de diabète de type 1 (forme autoimmune) de ceux de type 2 (forme non autoimmune) ainsi que des controles sains.La sclérose en plaques est une maladie impliquant une démyélinisation des fibres nerveuses du système nerveux central. Le système immunitaire détruit les protéines composante cette gaine de myéline. La kynurénine est un des métabolites principaux du Tryptophane, et il a été montré que dans la sclérose en plaques, la voie métabolique du Tryptophane pourrait être déréglée.Ainsi, la synthèse de peptides modifiés portant une kynurénine comme modification post-traductionnelle aberrante a été menée à bien. Les résultats ne montrent pas de détection particulière d'anticorps dirigés contre cette modification dans le cas de la sclérose en plaques. / This research work aims to apply the novel concept of “Chemical Reverse Approach” to the design, the production, and the immunological screening of synthetic antigens able to specifically detect autoantibodies in sera of patients affected by immune-mediated diseases. Such specific autoantibodies are considered disease biomarkers and can be used to develop novel diagnostic/prognostic tools for the aforementioned pathologies.In particular, three diseases have been investigated.Primary Biliary Cirrhosis is an autoimmune cholestatic disease of the liver, characterized by progressive destruction of intrahepatic bile ducts. Specific antimitochondrial autoantibodies directed against a lipoylated epitope of the PDC-E2 protein, are considered relevant for the disease. The PDC-E2 protein is involved in the energetic cycle of mitochondria. Synthesis of lipoylated molecular probes based on PDC-E2(167-186) was carried out and optimized. These new synthetic antigens were tested on PBC patients' sera. The results showed that: 1) the sequence is fundamental for antibody recognition; 2) dithiolane lipoyl-lysine chirality does not seem to have any significant influence on antibody recognition; 3) the unlipoylated analogue of the native protein appears to detect a more relevant antibody titre than the lipoylated one.Diabetes is a disease characterized by hyperglycaemia. This condition is caused by the reduced or inexistent action of insulin. Hyperglycaemia can cause various modifications on circulating proteins (such as glycation, O-glycosylation, N-glycosylation).The synthesis of post-translationally modified peptides containing such structures was carried out. These new synthetic antigenic probes were tested on sera from patients suffering from diabetes. The results showed that three peptides among those tested can differentiate patients with type-1 diabetes (autoimmune form) from those with type-2 (non-autoimmune form) and healthy patients.Multiple sclerosis is a demyelinating disease of the central nervous system. The immune system destroys proteins components of myelin sheath. Kynurenine is a major metabolite of Tryptophan, and it has been shown that in multiple sclerosis, the metabolic pathway of Tryptophan may be deregulated.Thus, the synthesis of modified peptides incorporating a kynurenine as an aberrant post-translational modification was carried out. The results show no specific antibody detection in multiple sclerosis sera.