La génération contrôlée et à haut débit de gouttes de volume caractéristique un nanolitre dans des canaux microfluidiques permet le suivi simultané de réactions dans des centaines de microréacteurs. En particulier, l'encapsulation d'une cellule par goutte ouvre la voie de l'étude de populations hétérogènes d'organismes biologiques au niveau de la cellule unique. Cette thèse décrit, dans une première partie, le développement d'un microsystème dédié à la mesure haut débit de l'expression de gênes d'intérêt de cellules individuelles isolées dans des gouttes, par la méthode de transcription inverse suivie d'une réaction de polymérisation en chaîne en temps réel. Dans une deuxième partie, la technologie de gouttes est mise à profit pour une étude fondamentale originale des transferts de masse entre une phase dispersée et une phase porteuse. Nous illustrons ce chapitre par deux applications de l'extraction liquide-liquide dans des microgouttes : la première concerne l'extraction du zinc sous forme ionique, la deuxième présente les premières étapes de la purification de l'ARN. Enfin, la dernière partie constitue une ouverture sur les applications potentielles de la génération d'émulsions micrométriques complexes pour la vectorisation de médicaments ou de vaccins par phagocytose.

Les infections à Salmonella Typhimurium constituent un problème de taille pour l’industrie porcine et la santé publique car cet animal est un réservoir pour les infections chez l’homme. De plus, on observe, chez des souches appartenant au lysotype (LT) 104, des résistances multiples aux antimicrobiens associées à des septicémies chez les porcs en engraissement, ce qui peut contribuer à la contamination des carcasses. Il faut donc contrôler l’infection au niveau du troupeau. Pour ce faire, il importe donc de mieux caractériser ces souches, comprendre la pathogénie de l’infection et identifier des facteurs de virulence. L’objectif principal de cette étude était de caractériser des isolats de S. Typhimurium provenant de porcs septicémiques et de les comparer avec ceux de porcs sains. Une banque d’isolats provenant de porcs septicémiques (ASC) et de porcs sains à l’abattoir (SSC) était constituée. Le lysotype des isolats a été identifié et ceux-ci ont été caractérisés selon le profil de résistance aux antimicrobiens, le SDS-PAGE et l’immunobuvardage et le PFGE. Chez les isolats ASC, LT 104 représentait 36.4% des isolats et chez les isolats SSC la proportion était de 51.5%. Les isolats pouvaient être résistants jusqu’à douze antimicrobiens, peu importe leur origine. Il n’a toutefois pas été possible d’associer une protéine spécifique au groupe d’isolats ASC. Parmi les souches LT 104, plusieurs groupes génétiques ont été identifiés. Les différentes étapes de la pathogénie de Salmonella ont ensuite été évaluées, dont l’adhésion et l’invasion des isolats des deux banques sur des cellules intestinales humaines. Nos résultats ont démontré que les isolats ASC avaient un pouvoir accru d’invasion comparés aux isolats SSC (P=0.003). Pour un sous-groupe d’isolats sélectionnés selon leur taux d’invasion, des tests de phagocytose, d’apoptose et d’adhésion au mucus intestinal ont été effectués en utilisant la cytométrie en flux. La survie des bactéries après la phagocytose a aussi été évaluée et la méthode MATS a été utilisée pour évaluer l'adhésion aux solvants. Les pourcentages de phagocytose chez les isolats SSC par les monocytes porcins étaient plus élevés que chez les isolats ASC à 15 minutes (P=0.02). Nous n’avons trouvé aucune différence significative pour les autres méthodes utilisées. Nous avons ensuite comparé le génome d’un isolat ASC (#36) à celui d’un isolat SSC (#1) par le SSH pour identifier des facteurs de virulence potentiels. Des clones correspondant à des gènes retrouvés sur le chromosome ainsi que sur des plasmides ont été identifiés. Ces résultats nous ont dirigés vers l’analyse des profils plasmidiques de tous les isolats. Les différents profils étaient retrouvés autant chez les isolats ASC que chez les isolats SSC. Deux profils (PL14 et PL20) étaient observés plus fréquemment chez les isolats LT 104 que chez les isolats d’autres lysotypes (P=0.01 et P=0.01, respectivement). Le séquençage d’un des plasmides de l’isolat ASC, démontrait la présence d’informations génétiques codant pour la réplication et une bêta-galactosidase-α. Il serait intéressant de préciser le rôle exact de ces gènes dans l’infection. Nos travaux suggèrent que les isolats de S. Typhimurium provenant de porcs septicémiques se distinguent par un pouvoir d’invasion accru ainsi que par des taux de phagocytose plus faibles dans les phases initiales de l’infection. Cette étude aura donc permis d’accroître les connaissances sur la pathogénie des infections à S. Typhimurium chez le porc. / Salmonella Typhimurium infections represent an important threat both to the swine industry and public health since pig is also a reservoir for human infections. Multiresistance to antimicrobial agents is often associated with S. Typhimurium belonging to phage type (PT) 104, and these isolates can cause septicemia in fattening pigs. It is thus necessary to control the infection at the herd level to avoid meat contamination by these isolates. However, in order to develop more efficacious control measures, it is important to characterize isolates, better understand the pathogenesis of infection and identify virulence factors. The main objective of this study was to characterize isolates of S. Typhimurium associated with septicemia in swine and to compare them to isolates recovered from healthy pigs. Isolates of S. Typhimurium associated with septicemia in swine (CS) were compared to isolates recovered from healthy animals at slaughterhouses (WCS). The phage type of each isolate was identified and these isolates were characterized by antimicrobial resistance, SDS-PAGE and immunoblotting, and PFGE. Among the CS isolates, PT 104 represented 36.4% of isolates while it represented 51.5% of WCS isolates. Resistance to as many as twelve antimicrobial agents was found in isolates from CS and WCS. However, it was not possible to associate any particular protein to septicemic isolates. Multiple genetic profiles were identified among the isolates of PT 104. Different steps of the pathogenesis of Salmonella infection were evaluated, in particularly the ability to adhere to and invade intestinal epithelial cell lines by CS and WCS isolates. The isolates recovered from diseased animals invaded intestinal epithelial cell lines at a higher rate than isolates from healthy pigs (P=0.003). Some isolates were selected according to their invasion rate and some analysis, using flow cytometry were done to evaluate phagocytosis, induction of apoptosis, and adhesion to intestinal mucus. The survival in monocytes was evaluated and the MATS method was used to evaluate the bacterial surface properties, measuring interactions with solvents. Isolates from WCS were more phagocytized than isolates fom CS at 15 minutes (P=0.02). We found no significant difference for the other methods used. Using SSH, we also compared the genome of a CS isolate (#36) to that of a WCS isolate (#1), for the identification of putative virulence factors. Clones with chromosome and plasmids homology were obtained. It was therefore decided to analyze the plasmid profiles of all isolates. Two profiles (PL14 and PL20) were more frequently observed in the PT 104 isolates than in the isolates belonging to other phage types (P=0.01 and P=0.01, respectively). Various profiles were found in both isolates from septicemic pigs and those from healthy pigs. An interesting plasmid of the CS isolate was sequenced. This plasmid possesses genetic information for replication as well as a beta-galactosidase-α. It would be needed to characterize the role of these putative virulence factors in the future. Our work suggests that isolates from septicemic pigs may be distinguished from isolates from healthy pigs by their better ability to invade intestinal cells as well as by a lower rate of phagocytosis in the early steps of infection. This study increased our knowledge on the pathogeny of S. Typhimurium infection in pigs.

Bacillus anthracis, agent de la maladie du charbon, est aussi un agent majeur de la menace biologique. Sa virulence est liée à deux principaux facteurs : une capsule et deux toxines, la toxine oedémateuse (ET = EF + PA) et la toxine létale (LT = LF + PA). EF est une adénylate cyclase, calcium et calmoduline dépendante, produisant une élévation de la concentration en AMPc intracellulaire tandis que LF est une métalloprotéase à zinc clivant la majorité des Mitogen Activated Protein Kinase Kinases. Les toxines jouent un rôle central dans la pathogénie de la maladie du charbon et dans la dérégulation des fonctions des cellules du système immunitaire. Le cytosquelette d'actine participe activement aux fonctions de phagocytose et de migration des macrophages et des cellules dendritiques.Cependant, peu d'études analysent l'implication du cytosquelette d'actine des cellules immunitaires dans la physiopathologie des toxines. ET induit une rétraction temps-dépendant des cellules dendritiques et des macrophages normalisés sur des micropatterns de fibronectine, s'accompagnant d'une dépolymérisation de l'actine et d'une perte des points d'ancrage des cellules dendritiques. Précocement, ET active la cofiline par l'activation de la voie de signalisation AMPc – PKA – Protéines phosphatases. Malgré ces altérations du cytosquelette d'actine, ET n'induit pas de modification des capacités phagocytaires des cellules dendritiques, à l'exception d'une dérégulation de la maturation des phagosomes. ET conduit également à une augmentation de la migration des cellules dendritiques in vitro par activation et expression de CCR7 et CXCR4 à la surface des cellules dendritiques.A l'inverse, LT conduit à un étalement temps-dépendant des cellules dendritiques normalisées, accompagné d'une dérégulation de la dynamique de l'actine provoquant des regroupements anormaux d'actine filament. LT active les myosines phosphatases via la voie RhoA-ROCK pour déphosphoryler les myosines II. A la différence de ET, LT inhibe les capacités phagocytaires des cellules dendritiques mais ne conduit pas à une modification de la migration des cellules dendritiques in vitro. / Bacillus anthracis, the agent of anthrax, is also a major agent of biological warfare threat. Its virulence is caused by two main factors : the capsule and two toxins, edema toxin (ET = PA + EF) and lethal toxin (LT = LF + PA). EF is a calcium and calmodulin-dependent adenylate cyclase, producing a rise in intracellular cAMP concentration, while LF is a zinc metalloprotease cleaving the majority of Mitogen Activated Protein Kinase Kinases. The toxins play a central role in the pathogenesis of the disease and the deregulation of the functions of immune cells. The actin cytoskeleton is actively participating in the phagocytosis and the migration of macrophages and dendritic cells.However, few studies analyze the involvement of the actin cytoskeleton of immune cells in the pathogenesis of toxins. ET induces a time-dependent retraction of dendritic cells and macrophages on fibronectin micropatterns, accompanied by actin depolymerization and a loss of the anchor points of dendritic cells. ET early activates cofilin by activating the cAMP - PKA - Protein phosphatases signaling pathway. Despite these alterations of the actin cytoskeleton, ET does not induce any change in the phagocytic capacity of dendritic cells, except for a deregulation of the phagosomes maturation. ET also leads to an increase in the migration of dendritic cells in vitro by activation and expression of CCR7 and CXCR4 on the surface of dendritic cells.In contrast, LT results in a time-dependent spreading of micropatterned dendritic cells, accompanied by a dysregulation of actin dynamics causing abnormal combinations of actin filament. LT activates myosin phosphatase via the RhoA-ROCK pathway to dephosphorylate myosin II. Unlike ET, LT inhibits the dendritic cells phagocytosis but does not lead to a change in dendritic cells migration in vitro.

Bien que connu en tant que pathogène bactérien porcin majeur et agent zoonotique responsable principalement de méningites, septicémies et de morts soudaines, Streptococcus suis a également été isolé chez une variété d’autres animaux tels que les ruminants. Malgré sa diversité génotypique et sérologique, des études taxonomiques récentes ont mené à la reclassification de 6 de ses sérotypes dont le sérotype 33, maintenant dénommé comme nouvelle espèce Streptococcus ruminantium. Contrairement à S. suis, S. ruminantium a principalement été décrit chez les ruminants comme pathogène responsable de diverses manifestations cliniques telles que des endocardites et des arthrites. En raison de sa description récente, plusieurs lacunes concernant ses caractéristiques biologiques et pathologiques demeurent. De plus, S. suis et S. ruminantium sont très difficiles à différencier l’un de l’autre par l’entremise des tests biochimiques traditionnellement utilisés dans les laboratoires de diagnostic. Ainsi, plusieurs souches de S. suisisolées de ruminants malades avant la mise à jour de la classification, s’avèrent mal identifiées. D’où la raison pour laquelle l’importance étiologique de S. ruminantium chez les ruminants reste incertaine. Pour y remédier, 14 isolats de S. suis provenant d’échantillons cliniques chez des ruminants au Canada, ont été reclassifiés en S. ruminantium selon les nouvelles analyses génétiques moléculaires décrites. À ces derniers s’ajoutent 7 isolats de S. ruminantium provenant de cas d’endocardites bovines au Japon, qui ont été également davantage caractérisés génotypiquement et phénotypiquement et leurs interactions avec différentes cellules de l’hôte ont été évaluées. En résumé, on a pu démontrer que tous les isolats étaient faiblement voire non encapsulés avec une surface cellulaire hydrophobe, ils avaient une grande capacité d’auto-agrégation et une habileté à produire du biofilm. Ces phénotypes pourraient contribuer à la pathogénèse de l’infection en intensifiant la capacité d’adhésion et d’invasion des cellules épithéliales et endothéliales et en augmentant la résistance à l’effet bactéricide du sang entier et à la phagocytose par les cellules immunitaires de l’hôte. Cependant, certains isolats étaient plus susceptibles que d’autres à la phagocytose, suggérant que d’autres mécanismes de protection seraient impliqués dans cette étape. Ainsi, cette étude aide à améliorer notre connaissance sur la pathogénicité et la virulence de S. ruminantium pour les maladies chez les ruminants. / Although Streptococcus suis is known as a major swine bacterial pathogen and zoonotic agent mainly responsible for meningitis, septicemia, and sudden death, it has also been isolated from a variety of other animals including ruminants. Despite its genotypical and serological diversity, recent taxonomic studies led to the reclassification of 6 S. suis serotypes such as S. suis serotype 33 currently renamed as the novel species Streptococcus ruminantium. Unlike S. suis, S. ruminantium has been mainly described in ruminants as a cause of endocarditis and arthritis. Because of its recent description, information on its biological and pathological characteristics remains unclear. Moreover, S. suis and S. ruminantium are not easily differentiated by traditional biochemical tests done in diagnostic laboratories. Hence, some S. suis isolates recovered from diseased ruminants before the updated classification, have been misidentified. Consequently, the aetiological importance of S. ruminantium in ruminants remains unknown. To address this,14 S. suis isolates from clinical samples of ruminants in Canada have been reclassified, based on the new genetic molecular testing described for the identification of S. ruminantium. In addition of them, 7 S. ruminantium isolates from bovine endocarditis in Japan, were further genotypically and phenotypically characterized and their interactions with various host cells were studied. Overall, we demonstrated that all isolates were poorly or non-capsulated with a high cell surface hydrophobicity, had a high capacity of self-aggregation and the ability to produce biofilm. These biological phenotypes might contribute to the pathogenesis of the infection by enhancing the adhesion/invasion capacity of both epithelial and endothelial cells, and by increasing the resistance to whole blood killing and phagocytosis by host immune cells. However, some isolates were more susceptible to the phagocytosis than others suggesting that other protective mechanisms might be implicated in this step. Taken together, this study will help to increase our understanding of the pathogenicity and the virulence of S. ruminantium in ruminant diseases.

Résumé L’objectif de cette étude était de déterminer les effets de la source de sélénium sur les concentrations de Se et de GSH-Px des vaches de boucherie (n =33) et leurs veaux et sur des paramètres immunitaires des veaux. Deux groupes de vaches ont reçu 3 mg/j/animal de Se organique ou inorganique dans le minéral. Le troisième groupe n'a pas été supplémenté en Se et leurs veaux ont été divisés en deux sous-groupes, l’un des deux a reçu une injection de sélénite de sodium (0,087 mg/Kg) à la naissance. Le Se et la GSH-Px ont été respectivement mesurés par HPLC-UV et par cinétique enzymatique. La phagocytose, la flambée respiratoire et le ratio CD4:CD8ont été évalués par des kits commerciaux et les IgG totales ont été mesurés par immunodiffusion radiale. La supplémentation de Se a augmenté significativement le Se sérique et colostral (P<0,02) et la GSH-Px(P≤0,04) pour les vaches et leurs veaux avec un effet significativement plus élevé pour le Se organique. Le Se du lait a augmenté de façon significative uniquement avec la source organique du Se (P≤0,0007). L’injection du Se chez les veaux a permis une augmentation significative mais temporaire (P<0,0001) du Se sérique. La supplémentation en Se n’a pas influencé les paramètres immunitaires mesurés (P>0,01, non significatif après correction de Bonferroni). Nous concluons que la supplémentation en Se améliore le niveau du Se colostral, lacté et sérique ainsi que la GSH-Px pour les vaches et leurs veaux sans effet sur les paramètres immunitaires mesurés des veaux. Mots clés: Sélénium, veaux de boucherie, phagocytose, flambée respiratoire, anticorps, ratio CD4:CD8, GSH-Px. / Abstract The aims of this study were to determine the effects of selenium (Se) supplementation sources (organic and inorganic) on Se and GSH-Px concentrations of beef cows (n=33) and their calves and on immune parameters of the calves. Two groups of cows were given daily 3 mg of either organic or inorganic Se in mineral supplement starting from 12 weeks before calving until weaning. The third group had no Se added into the diet and their calves were divided into two subgroups either injected or not with 0.087 mg/kg of sodium selenite after birth. Serum Se and whole blood GSH-Px were respectively measured by HPLC-UV and by kinetic-enzymatic technique. Calves immune parameters were evaluated using commercial kits for phagocytosis, respiratory burst and CD4:CD8 ratio and radial immunodiffusion for total IgG concentrations. In cows and calves, Se supplementation increased significantly serum and colostrum Se concentrations (P<.02) with significant higher effect for organic source. However, milk Se concentrations increased significantly only with the organic source (P≤.0007). Se supplementation increased GSH-Px concentrations in cows (P≤.04) and their calves (P≤.0004); organic source induced a higher effect than inorganic one in calves (P≤.0004). Se injection in calves allowed a temporary increase (P<.0001) of serum Se concentrations. No significant differences were noticed throughout the experiment for all of the immune parameters measured (P>.01, not significant after Bonferroni adjustment). Our results showed that Se supplementation improved colostrum, milk and serum Se and GSH-Px concentrations in cows and their calves without effect on the measured immune parameters in calves. Key words: selenium, beef calves, phagocytosis, respiratory burst, antibodies, CD4:CD8 ratio, GSH-Px.

La phagocytose est un processus cellulaire par lequel de larges particules sont internalisées dans une vésicule, le phagosome. Lorsque formé, le phagosome acquiert ses propriétés fonctionnelles à travers un processus complexe de maturation nommé la biogénèse du phagolysosome. Cette voie implique une série d’interactions rapides avec les organelles de l’appareil endocytaire permettant la transformation graduelle du phagosome nouvellement formé en phagolysosome à partir duquel la dégradation protéolytique s’effectue. Chez l’amibe Dictyostelium discoideum, la phagocytose est employée pour ingérer les bactéries de son environnement afin de se nourrir alors que les organismes multicellulaires utilisent la phagocytose dans un but immunitaire, où des cellules spécialisées nommées phagocytes internalisent, tuent et dégradent les pathogènes envahissant de l’organisme et constitue la base de l’immunité innée. Chez les vertébrés à mâchoire cependant, la transformation des mécanismes moléculaires du phagosome en une organelle perfectionnée pour l’apprêtement et la présentation de peptides antigéniques place cette organelle au centre de l’immunité innée et de l’immunité acquise. Malgré le rôle crucial auquel participe cette organelle dans la réponse immunitaire, il existe peu de détails sur la composition protéique et l’organisation fonctionnelles du phagosome. Afin d’approfondir notre compréhension des divers aspects qui relient l’immunité innée et l’immunité acquise, il devient essentiel d’élargir nos connaissances sur les fonctions moléculaire qui sont recrutées au phagosome. Le profilage par protéomique à haut débit de phagosomes isolés fut extrêmement utile dans la détermination de la composition moléculaire de cette organelle. Des études provenant de notre laboratoire ont révélé les premières listes protéiques identifiées à partir de phagosomes murins sans toutefois déterminer le ou les rôle(s) de ces protéines lors du processus de la phagocytose (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). Au cours de la première étude de cette thèse (Stuart et al, 2007), nous avons entrepris la caractérisation fonctionnelle du protéome entier du phagosome de la drosophile en combinant diverses techniques d’analyses à haut débit (protéomique, réseaux d’intéractions protéique et ARN interférent). En utilisant cette stratégie, nous avons identifié 617 protéines phagosomales par spectrométrie de masse à partir desquelles nous avons accru cette liste en construisant des réseaux d’interactions protéine-protéine. La contribution de chaque protéine à l’internalisation de bactéries fut ensuite testée et validée par ARN interférent à haut débit et nous a amené à identifier un nouveau régulateur de la phagocytose, le complexe de l’exocyst. En appliquant ce modèle combinatoire de biologie systémique, nous démontrons la puissance et l’efficacité de cette approche dans l’étude de processus cellulaire complexe tout en créant un cadre à partir duquel il est possible d’approfondir nos connaissances sur les différents mécanismes de la phagocytose. Lors du 2e article de cette thèse (Boulais et al, 2010), nous avons entrepris la caractérisation moléculaire des étapes évolutives ayant contribué au remodelage des propriétés fonctionnelles de la phagocytose au cours de l’évolution. Pour ce faire, nous avons isolé des phagosomes à partir de trois organismes distants (l’amibe Dictyostelium discoideum, la mouche à fruit Drosophila melanogaster et la souris Mus musculus) qui utilisent la phagocytose à des fins différentes. En appliquant une approche protéomique à grande échelle pour identifier et comparer le protéome et phosphoprotéome des phagosomes de ces trois espèces, nous avons identifié un cœur protéique commun à partir duquel les fonctions immunitaires du phagosome se seraient développées. Au cours de ce développement fonctionnel, nos données indiquent que le protéome du phagosome fut largement remodelé lors de deux périodes de duplication de gènes coïncidant avec l’émergence de l’immunité innée et acquise. De plus, notre étude a aussi caractérisée en détail l’acquisition de nouvelles protéines ainsi que le remodelage significatif du phosphoprotéome du phagosome au niveau des constituants du cœur protéique ancien de cette organelle. Nous présentons donc la première étude approfondie des changements qui ont engendré la transformation d’un compartiment phagotrophe à une organelle entièrement apte pour la présentation antigénique. / Phagocytosis is a cellular process by which large particulate material are internalized in a newly formed vesicule, the phagosome. Once formed, the phagosome acquires its functional properties through a complex maturation process called phagolysosome biogenesis. This pathway involves a series of rapid interactions with organelles of the endocytic apparatus, enabling the gradual transformation of newly formed phagosomes into phagolysosomes in which proteolytic degradation occurs. The amoeba Dictyostelium discoideum uses phagocytosis as a predation mechanism for feeding, whereas multicellular organisms utilize this process as an immune mechanism where specialized cells named phagocytes internalize, kill and degrade phatogens found through the host, forming the basis of innate immunity. In jawed verterbrates however, the phagosome links innate and adaptive immunity by processing and presenting antigenic peptides. Despite its crucial role in immunity, little is known about the composition and the functional organization of the phagosome. It is therefore essential to characterize in details the functional properties that are recruited to the phagosome. High-throughput proteomics analysis of isolated phagosomes has been tremendously helpful for the molecular comprehension of this organelle. Studies of our lab notably have revealed the first proteomics identification of mouse phagosomes without determining the roles of these proteins through the complex process of phagocytosis (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). In the first study of this thesis (Stuart et al, 2007), we characterized the functions of the entire drosophila phagosome proteome by combining high-throughput proteomics, interactive networks and RNAi. By applying this strategy, we’ve identified 617 phagosomal proteins by mass spectrometry from which we’ve expanded this list by building the phagosome interactome. The contribution of each protein to bacterial internalization was tested and validated by RNAi and led to the identification of a new regulator of phagocytosis, the exocyst complex. In generating this 'systems-based model', we show the power of applying this approach to the study of complex cellular processes and organelles and expect that this detailed model of the phagosome will provide a new framework for studying host-pathogen interactions and innate immunity. In the second study of this thesis (Boulais et al, 2010), we characterized some of the key steps that contributed to the remodeling of phagosomes functional properties during evolution. To do so, we isolated this organelle from three distant organisms: the amoeba Dictyostelium discoideum, the fruit fly Drosophila melanogaster, and mouse (Mus musculus) that use phagocytosis for different purposes. By performing and comparing proteomics and phosphoproteomics analyses of isolated phagosomes from the three species, we identified an ancient core of phagosomal proteins around which the immune function of this organelle have likely organized. Our data indicate that a larger proportion of the phagosome proteome, has been acquired through gene duplication at periods coinciding with the emergence of innate and adaptive immunity. Our study also characterizes in detail the acquisition of novel proteins and the significant remodeling of the phagosome phosphoproteome that contributed to modify the core constituents of this organelle in evolution. Our work thus provides the first thorough analysis of the changes that enabled the transformation of the phagosome from a phagotrophic compartment into an organelle fully competent for antigen presentation.

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Résumé L’objectif de cette étude était de déterminer les effets de la source de sélénium sur les concentrations de Se et de GSH-Px des vaches de boucherie (n =33) et leurs veaux et sur des paramètres immunitaires des veaux. Deux groupes de vaches ont reçu 3 mg/j/animal de Se organique ou inorganique dans le minéral. Le troisième groupe n'a pas été supplémenté en Se et leurs veaux ont été divisés en deux sous-groupes, l’un des deux a reçu une injection de sélénite de sodium (0,087 mg/Kg) à la naissance. Le Se et la GSH-Px ont été respectivement mesurés par HPLC-UV et par cinétique enzymatique. La phagocytose, la flambée respiratoire et le ratio CD4:CD8ont été évalués par des kits commerciaux et les IgG totales ont été mesurés par immunodiffusion radiale. La supplémentation de Se a augmenté significativement le Se sérique et colostral (P<0,02) et la GSH-Px(P≤0,04) pour les vaches et leurs veaux avec un effet significativement plus élevé pour le Se organique. Le Se du lait a augmenté de façon significative uniquement avec la source organique du Se (P≤0,0007). L’injection du Se chez les veaux a permis une augmentation significative mais temporaire (P<0,0001) du Se sérique. La supplémentation en Se n’a pas influencé les paramètres immunitaires mesurés (P>0,01, non significatif après correction de Bonferroni). Nous concluons que la supplémentation en Se améliore le niveau du Se colostral, lacté et sérique ainsi que la GSH-Px pour les vaches et leurs veaux sans effet sur les paramètres immunitaires mesurés des veaux. Mots clés: Sélénium, veaux de boucherie, phagocytose, flambée respiratoire, anticorps, ratio CD4:CD8, GSH-Px. / Abstract The aims of this study were to determine the effects of selenium (Se) supplementation sources (organic and inorganic) on Se and GSH-Px concentrations of beef cows (n=33) and their calves and on immune parameters of the calves. Two groups of cows were given daily 3 mg of either organic or inorganic Se in mineral supplement starting from 12 weeks before calving until weaning. The third group had no Se added into the diet and their calves were divided into two subgroups either injected or not with 0.087 mg/kg of sodium selenite after birth. Serum Se and whole blood GSH-Px were respectively measured by HPLC-UV and by kinetic-enzymatic technique. Calves immune parameters were evaluated using commercial kits for phagocytosis, respiratory burst and CD4:CD8 ratio and radial immunodiffusion for total IgG concentrations. In cows and calves, Se supplementation increased significantly serum and colostrum Se concentrations (P<.02) with significant higher effect for organic source. However, milk Se concentrations increased significantly only with the organic source (P≤.0007). Se supplementation increased GSH-Px concentrations in cows (P≤.04) and their calves (P≤.0004); organic source induced a higher effect than inorganic one in calves (P≤.0004). Se injection in calves allowed a temporary increase (P<.0001) of serum Se concentrations. No significant differences were noticed throughout the experiment for all of the immune parameters measured (P>.01, not significant after Bonferroni adjustment). Our results showed that Se supplementation improved colostrum, milk and serum Se and GSH-Px concentrations in cows and their calves without effect on the measured immune parameters in calves. Key words: selenium, beef calves, phagocytosis, respiratory burst, antibodies, CD4:CD8 ratio, GSH-Px.

La phagocytose est un processus cellulaire par lequel de larges particules sont internalisées dans une vésicule, le phagosome. Lorsque formé, le phagosome acquiert ses propriétés fonctionnelles à travers un processus complexe de maturation nommé la biogénèse du phagolysosome. Cette voie implique une série d’interactions rapides avec les organelles de l’appareil endocytaire permettant la transformation graduelle du phagosome nouvellement formé en phagolysosome à partir duquel la dégradation protéolytique s’effectue. Chez l’amibe Dictyostelium discoideum, la phagocytose est employée pour ingérer les bactéries de son environnement afin de se nourrir alors que les organismes multicellulaires utilisent la phagocytose dans un but immunitaire, où des cellules spécialisées nommées phagocytes internalisent, tuent et dégradent les pathogènes envahissant de l’organisme et constitue la base de l’immunité innée. Chez les vertébrés à mâchoire cependant, la transformation des mécanismes moléculaires du phagosome en une organelle perfectionnée pour l’apprêtement et la présentation de peptides antigéniques place cette organelle au centre de l’immunité innée et de l’immunité acquise. Malgré le rôle crucial auquel participe cette organelle dans la réponse immunitaire, il existe peu de détails sur la composition protéique et l’organisation fonctionnelles du phagosome. Afin d’approfondir notre compréhension des divers aspects qui relient l’immunité innée et l’immunité acquise, il devient essentiel d’élargir nos connaissances sur les fonctions moléculaire qui sont recrutées au phagosome. Le profilage par protéomique à haut débit de phagosomes isolés fut extrêmement utile dans la détermination de la composition moléculaire de cette organelle. Des études provenant de notre laboratoire ont révélé les premières listes protéiques identifiées à partir de phagosomes murins sans toutefois déterminer le ou les rôle(s) de ces protéines lors du processus de la phagocytose (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). Au cours de la première étude de cette thèse (Stuart et al, 2007), nous avons entrepris la caractérisation fonctionnelle du protéome entier du phagosome de la drosophile en combinant diverses techniques d’analyses à haut débit (protéomique, réseaux d’intéractions protéique et ARN interférent). En utilisant cette stratégie, nous avons identifié 617 protéines phagosomales par spectrométrie de masse à partir desquelles nous avons accru cette liste en construisant des réseaux d’interactions protéine-protéine. La contribution de chaque protéine à l’internalisation de bactéries fut ensuite testée et validée par ARN interférent à haut débit et nous a amené à identifier un nouveau régulateur de la phagocytose, le complexe de l’exocyst. En appliquant ce modèle combinatoire de biologie systémique, nous démontrons la puissance et l’efficacité de cette approche dans l’étude de processus cellulaire complexe tout en créant un cadre à partir duquel il est possible d’approfondir nos connaissances sur les différents mécanismes de la phagocytose. Lors du 2e article de cette thèse (Boulais et al, 2010), nous avons entrepris la caractérisation moléculaire des étapes évolutives ayant contribué au remodelage des propriétés fonctionnelles de la phagocytose au cours de l’évolution. Pour ce faire, nous avons isolé des phagosomes à partir de trois organismes distants (l’amibe Dictyostelium discoideum, la mouche à fruit Drosophila melanogaster et la souris Mus musculus) qui utilisent la phagocytose à des fins différentes. En appliquant une approche protéomique à grande échelle pour identifier et comparer le protéome et phosphoprotéome des phagosomes de ces trois espèces, nous avons identifié un cœur protéique commun à partir duquel les fonctions immunitaires du phagosome se seraient développées. Au cours de ce développement fonctionnel, nos données indiquent que le protéome du phagosome fut largement remodelé lors de deux périodes de duplication de gènes coïncidant avec l’émergence de l’immunité innée et acquise. De plus, notre étude a aussi caractérisée en détail l’acquisition de nouvelles protéines ainsi que le remodelage significatif du phosphoprotéome du phagosome au niveau des constituants du cœur protéique ancien de cette organelle. Nous présentons donc la première étude approfondie des changements qui ont engendré la transformation d’un compartiment phagotrophe à une organelle entièrement apte pour la présentation antigénique. / Phagocytosis is a cellular process by which large particulate material are internalized in a newly formed vesicule, the phagosome. Once formed, the phagosome acquires its functional properties through a complex maturation process called phagolysosome biogenesis. This pathway involves a series of rapid interactions with organelles of the endocytic apparatus, enabling the gradual transformation of newly formed phagosomes into phagolysosomes in which proteolytic degradation occurs. The amoeba Dictyostelium discoideum uses phagocytosis as a predation mechanism for feeding, whereas multicellular organisms utilize this process as an immune mechanism where specialized cells named phagocytes internalize, kill and degrade phatogens found through the host, forming the basis of innate immunity. In jawed verterbrates however, the phagosome links innate and adaptive immunity by processing and presenting antigenic peptides. Despite its crucial role in immunity, little is known about the composition and the functional organization of the phagosome. It is therefore essential to characterize in details the functional properties that are recruited to the phagosome. High-throughput proteomics analysis of isolated phagosomes has been tremendously helpful for the molecular comprehension of this organelle. Studies of our lab notably have revealed the first proteomics identification of mouse phagosomes without determining the roles of these proteins through the complex process of phagocytosis (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). In the first study of this thesis (Stuart et al, 2007), we characterized the functions of the entire drosophila phagosome proteome by combining high-throughput proteomics, interactive networks and RNAi. By applying this strategy, we’ve identified 617 phagosomal proteins by mass spectrometry from which we’ve expanded this list by building the phagosome interactome. The contribution of each protein to bacterial internalization was tested and validated by RNAi and led to the identification of a new regulator of phagocytosis, the exocyst complex. In generating this 'systems-based model', we show the power of applying this approach to the study of complex cellular processes and organelles and expect that this detailed model of the phagosome will provide a new framework for studying host-pathogen interactions and innate immunity. In the second study of this thesis (Boulais et al, 2010), we characterized some of the key steps that contributed to the remodeling of phagosomes functional properties during evolution. To do so, we isolated this organelle from three distant organisms: the amoeba Dictyostelium discoideum, the fruit fly Drosophila melanogaster, and mouse (Mus musculus) that use phagocytosis for different purposes. By performing and comparing proteomics and phosphoproteomics analyses of isolated phagosomes from the three species, we identified an ancient core of phagosomal proteins around which the immune function of this organelle have likely organized. Our data indicate that a larger proportion of the phagosome proteome, has been acquired through gene duplication at periods coinciding with the emergence of innate and adaptive immunity. Our study also characterizes in detail the acquisition of novel proteins and the significant remodeling of the phagosome phosphoproteome that contributed to modify the core constituents of this organelle in evolution. Our work thus provides the first thorough analysis of the changes that enabled the transformation of the phagosome from a phagotrophic compartment into an organelle fully competent for antigen presentation.

Les polynucléaires neutrophiles représentent 50-70% des leucocytes sanguins et possèdent un rôle majeur dans la défense de l'organisme contre les pathogènes. Le Ca2+ est un second messager qui joue un rôle primordial dans le chimiotactisme, la phagocytose, la dégranulation et la production de formes réactives de l'oxygène (FRO) afin de neutraliser l'agent pathogène. Dans ces cellules, l'influx calcique de type SOCE est essentiel pour l'homéostasie calcique. Il est peu étudié en raison du manque d'outils pharmacologiques spécifiques d'où l'importance dans un premier temps de chercher de nouvelles molécules. Les cellules T Jurkat dont le SOCE est largement caractérisé servent de modèle pour la caractérisation initiale de ces molécules. Le 2-APB est parmi les molécules les plus largement utilisées dans la caractérisation du SOCE en raison de sa double activité sur le SOCE avec une potentialisation à [1-10 μM] et une inhibition à [> 20 μM]. En revanche, ce produit manque de spécificité et agit sur d'autres cibles cellulaires comme les récepteurs à l'inositol (1,4,5)-trisphosphate (InsP3Rs). La 1ère étape est de sélectionner à partir d'analogues commerciaux du 2-APB (Methoxy-APB, Dimethoxy-APB, Cyclic-APB, Benzothienyl-APB, Thienyl-APB et MDEB), des composés plus spécifiques et également plus efficaces que la molécule mère. Deux molécules se sont distinguées : le MDEB comme uniquement potentialisant du SOCE et le Benzothienyl-APB comme un puissant inhibiteur. En revanche, tous les analogues du 2-APB inhibent les InsP3Rs à l'exception du MDEB qui semble plus spécifique du SOCE. L'effet du MDEB sur le courant calcique, ICRAC, a été étudié grâce à la technique du patch-clamp. Il augmente d'environ 4 fois l'amplitude de ICRAC par rapport à celle enregistrée dans les cellules contrôle. Par ailleurs, le MDEB ralentie l'inactivation rapide de ICRAC due au Ca2+. Sur le plan physiologique, le MDEB à des concentrations croissantes inhibe la synthèse de l'IL-2 dans les cellules Jurkat stimulées et ceci malgré son effet potentialisant du SOCE. Cette activité est liée à son effet pro-apoptotique dans les cellules Jurkat stimulées. Le MDEB et le Benzothienyl-APB caractérisés dans la 1ère partie nous ont servi d'outils potentiels afin d'étudier le SOCE des cellules PLB-985 différenciées en cellules proches de neutrophiles. Le SOCE a été induit soit par un traitement des cellules avec la thapsigargine (Tg) soit de manière physiologique avec les peptides fMLF et le WKYMVm deux chimioattractants, ligands des récepteurs aux peptides formylés FPR et FPRL1 respectivement. En plus, le SOCE induit par la Tg est modulable par le 2-APB, potentialisé par le MDEB et inhibé par le Benzothienyl-APB. La phagocytose des levures par les cellules PLB-985 différenciées ainsi que la production de FRO intraphagosomales ont été inhibées par le MDEB et le Benzothienyl-APB. Les FRO extracellulaires ont été également inhibées par Benzothienyl-APB en revanche à cause de la forte interférence du MDEB avec la technique de mesure nous n'avons pas pu étudier ses activités. En conclusion, le MDEB et le Benzothienyl-APB sont de nouveaux outils pharmacologiques potentialisant ou inhibant le SOCE des leucocytes, qui nous permettront dans l'avenir une meilleure compréhension de l'entrée calcique et ses rôles dans ces cellules.