Un des défis de l’ère post-génomique est de déterminer la fonction des protéines et plus précisément d’établir une cartographie protéomique de la cellule. Ainsi le défi de la génomique fonctionnelle et plus précisément de la protéomique est de comprendre les événements qui ont lieu au cours de la maturation des protéines. Plusieurs approches ont été décrites pour comprendre la fonction des protéines dont les interactions protéiques. Traditionnellement, les études des interactions protéiques étaient basées sur des approches ciblées ou sur des hypothèses d’interactions. Récemment, le développement des analyses à haut débit a généré une quantité impressionnante d’information. Face à l’accumulation des données, une approche uniquement expérimentale n’apparaît plus suffisante. Par conséquent, la création de méthodes bioinformatiques développant des procédures de prospection de données couplées avec des approches expérimentales permettra de prédire les interacteurs in silico. C’est dans cette optique que le laboratoire a développé son projet de recherche sur la famille des poly (ADP-ribose) polymérases (PARPs). La poly(ADP-ribosyl)ation est une modification post-traductionnelle qui consiste en l’ajout d’une chaîne d’ADP-ribose sur des protéines cibles.L’objectif principal de notre étude est de caractériser par des expériences d’immunoprécipitation le rôle dynamique de la poly(ADP-ribosyl)ation. L’identification des interacteurs des PARPs s’effectuera par spectrométrie de masse. Cette technique va générer d’importantes quantités de données et nécessitera une plate-forme d’analyse et de grandes capacités de calcul informatique. Dans ce contexte général, l’objectif de ce travail de thèse était de développer la plateforme bioinformatique d’analyse, d’implémenter les outils d’identifications des protéines, d’établir un contrôle de qualité des méthodes d’identification (spécificité/sensibilité) et enfin d’explorer le contenu des bases de connaissances. A l’aide du système mis en place au sein de la plateforme de protéomique, nous avons identifié de nouvaux interacteurs de la famille des PARPs comme par exemple RFC1, 2, 3, 4, 5. / An ambitious goal of proteomics is to elucidate the structure, interactions and functions of all proteins within cells and organisms. In the “post-genome” era, mass spectrometry (MS) has become an important method for the analysis of proteome data. One strategy to determine protein function is to identify protein–protein interactions. The rapid advances made in mass spectrometry in combination with other methods used in proteomics results in an increasing of proteomics projects. The increasing use of high-throughput and large-scale bioinformatics-based studies has generated a massive amount of data stored in a number of different databases. A challenge for bioinformatics is to explore array of information to uncover biologically relevant interactions and pathways. Thus for protein interaction studies, there is clearly a need to develop a systematic and stepwise in silico approach that can predict potential interactors or are most likely to improve our understanding of how complex biological systems work. The focus of our laboratory is the study of the activity of poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs) and their role in the cell. Poly(ADP-ribosylation) is a post-synthetic protein modification consisting of long chains of poly(ADP-ribose) (pADPr) synthesized by PARPs at the expense of NAD+. The overall objective of this research is to extensively characterize the dynamic roles of poly(ADP-ribosyl)ation in response to cellular stresses that cause DNA damage. Our approach utilizes immunoprecipitation and affinity purification followed by mass spectrometry identification of associated proteins. One part of this thesis projet is to develop the architecture and major features of a web-based utility tool, which is designed to rationally organize protein and peptide data generated by the tandem mass spectrometry. Next, we have performed benchmarking to optimize protein identification. The system will be expanded as needed in order to make the analysis more efficient. We have also explored the public database information for protein identification data mining. Using the described pipeline, we have successfully identified several interactions of biological significance between PARP and other proteins such as RFC1, 2, 3, 4, 5.

La duplication de gènes est l’un des plus importants mécanismes évolutifs pour la génération de diversité fonctionelle. Lorsqu’un gène est dupliqué, la nouvelle copie partage toutes ses fonctions avec la copie ancestrale car elles encodent pour des protéines identiques. Donc, les deux protéines, appelées paralogues, auront le même réseau d’interactions physiques protéine-protéine. Cependant, dans le cas de la duplication des gènes qui codent des protéines qui interagissent avec elles-mêmes (homomères), la nouvelle protéine interagira aussi avec la copie ancestrale, ce qui introduit une nouvelle interaction (heteromère) (Kaltenegger and Ober, 2015; Pereira-Leal et al., 2007). Puisque ces interactions peuvent avoir des différents motifs de rétention et de fonction (Ashenberg et al., 2011; Baker et al., 2013; Boncoeur et al., 2012; Bridgham et al., 2008), il est important de mieux comprendre comment ces états sont atteints et quelles forces évolutives les favorisent. Dans ce memoire, je cible ces questions avec des simulations in silico de l’évolution des protéines suite à la duplication de gènes en travaillant avec des structures crystallographiques de haute qualité, provenant de la Protein Data Bank (Berman et al., 2000; Dey et al., 2018). Les simulations montrent que les sous-unités et interfaces partagées entraînent une forte corrélation entre les trajectoires évolutives de ces complexes. Ainsi, les simulations prédisent que la préservation de seulement les deux homomères ou seulement l’hétéromère ne devrait pas être fréquente. Toutefois, la simulation qui applique la sélection seulement sur un homomère montre que l’homomère neutre est destabilisé plus rapidement que l’hétéromère neutre. Nous avons comparé ces prédictions avec des résultats expérimentaux du réseau d’interactions protéine-protéine de la levure. Comme suggéré par les simulations, les patrons d’interactions les plus fréquents ont été la formation des trois complexes (deux homomères et un hétéromère) ou la formation de seulement un homomère. Les patrons correspondants à deux homomères sans hétéromères ou un hétéromère sans homomères sont rares. Nos résultats démontrent l’extension de l’hétéromérisation entre paralogues dans le réseau d’interactions physiques protéine-protéine de la levure, les mécanismes sous-jacents et ses implications. / Gene duplication is one of the most important evolutionary mechanisms for the generation of functional diversity. When a gene is duplicated, the new copy shares all of the ancestral copy’s functions because they encode identical proteins. Therefore, the two proteins, called paralogs, will have the same protein-protein interaction network. However, in the case of the duplication of genes encoding proteins that self-interact (homomers), the new protein will also interact with the ancestral copy, introducing a novel interaction (heteromer) (Kaltenegger and Ober, 2015; Pereira-Leal et al., 2007). As these interactions can have different retention and functional patterns (Ashenberg et al., 2011; Baker et al., 2013; Boncoeur et al., 2012; Bridgham et al., 2008), it is important to understand better how these states are reached and what evolutionary forces favor each of them. In this thesis, I approach these questions by means of in silico simulations of protein evolution after gene duplication by working with high-quality crystal structures from the Protein Data Bank (Berman et al., 2000; Dey et al., 2018). The simulations show that the shared subunits and interfaces lead to these complexes having highly correlated evolutionary trajectories. Thus, the simulations predict that the preservation of only the two homomers or only the heteromer is not likely to happen often. Nevertheless, simulating evolution with selection on only one homomer shows that the neutral homomer is destabilized faster than the neutral heteromer. We compared these predictions against experimental results from the yeast protein-protein interaction network. As suggested by the simulations, the most abundant interaction patterns were either the formation of all three complexes (two homomers and one heteromer) or the formation of only one homomer, with motifs corresponding to two homomers without a heteromer or a heteromer without homomers being rare. Our results highlight the extent of heteromerization between paralogs in the yeast protein-protein interaction network, the underlying mechanisms, and its implications

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

Les papillomavirus à « haut risque » (HR) sont les agents étiologiques du cancer du col de l’utérus. Les vaccins prophylactiques actuels assurent une protection contre les lésions induites par les génotypes 16 et 18, responsables de 70% de ces cancers. Les lésions induites par les treize autres HPV HR responsables de 30% des cancers ne sont potentiellement pas prévenues par ces vaccins. Les objectifs de ma thèse ont été d’évaluer la capacité du vaccin quadrivalent anti-HPV et des vaccins de seconde génération à induire une immunité cross-neutralisante contre les HPV HR. Tout d’abord, la capacité du vaccin quadrivalent anti-HPV à induire des anticorps neutralisant les HPV 31 et 58 a été analysée. L’induction d’anticorps neutralisant les HPV 31 et 58 a été mise en évidence, 1 mois après la dernière injection, chez 33% et 24% des femmes vaccinées, respectivement. Les pseudovirions (PsV) de l'HPV 58 produits en système cellulaire et utilisés pour cette étude présentent une capacité de transduction des cellules COS-7 10 fois supérieure à celle des PsV 31 et représente un vecteur de choix pour des applications en immunisation génique. La deuxième partie de ma thèse s’est orientée sur le développement et l’analyse de la réponse immune induite par des vaccins de seconde génération basés sur la protéine L2. L’utilisation de la protéine L2, capable d’induire des anticorps cross-neutralisants, est un candidat de choix pour développer un vaccin protégeant contre l'ensemble des papillomavirus HR. Afin d’augmenter la réponse anti-L2, trois systèmes reposant sur l'interaction streptavidine/biotine ont été évalués pour exposer la protéine L2 à de multiples copies à la surface de VLP.Enfin, une stratégie reposant sur l’immunisation avec des PsV, composés des protéines L1 et L2 de l’HPV 58 contenant le gène de la protéine L2 de l’HPV 31, a également été évaluée. Les résultats obtenus indiquent que les PsV58-31L2 représentent la meilleur formulation de la protéine L2 et permet d’induire des anticorps neutralisants les HPV 16, 31,58 et surtout l'HPV 18, phylogénétiquement éloigné des valences vaccinales. / High risk human papillomaviruses (HR HPV) are the etiologic agents of cervical cancer. Current prophylactic HPV vaccines have been shown to protect against natural infection and against the development of high-grade lesions associated with HPV 16 and 18, both responsible of 70% of cervical cancer. However, these vaccines have not the potential to protect against all the thirteen other HR HPV. The aims of my PhD thesis were to evaluate the quadrivalent anti HPV vaccine and second generation vaccine capacity to induce cross-neutralizing antibodies against HR HPV. First, we have investigated the neutralizing antibodies against HPV 58 and HPV 31 after immunization in a population of 65 vaccinated HPV 31 and HPV 58 DNA-negative Colombian women. The results have shown that 33% and 24% of the immunized women exhibited cross neutralizing antibodies against HPV 31 and HPV 58 one month after vaccination, respectively. HPV 58 pseudovirions generated in a cellular system and used in this study exhibit a 10 fold higher capacity to transduce COS-7 cells than those of the HPV 31 PsV and thus represent an interesting candidate for DNA immunization application. The second and third parts of my work were to develop and analyze the immune response induced by second generation vaccine based on L2 protein. In fact, because L2 protein is able to induce cross-neutralizing antibodies, it represents a good alternative in order to develop broad-spectrum HPV vaccine. In order to enhance the anti-L2 immune response, three systems based on the streptavidin/biotin interaction have been evaluated in order to decorate HPV 16 VLPs with multiple L2 protein.Finally, we have produced HPV58 pseudovirions encoding the HPV31 L2 protein. Results obtained indicated that cross-neutralizing antibodies against HPV 16, 31, 58 and a more distant type HPV 18 are only obtained after immunization with pseudovirions encoding the L2 protein.

Le lysosome est un organite acide qui contient de nombreuses hydrolases responsables de la dégradation d’une grande variété de molécules issues majoritairement des voies d’endocytose et d’autophagie. La membrane de l’organite contient, elle aussi, un certain nombre de protéines qui assurent diverses fonctions telles que la génération d’un gradient de pH intralysosomal, la translocation de produits de dégradation vers le cytosol, la régulation des contacts membranaires, etc. Cependant, au vu de la grande diversité des produits générés par l’hydrolyse intralysosomale et susceptibles d’être transportés vers le cytosol, et de la complexité des mécanismes de contact/fusion/fission qui impliquent la membrane lysosomale, il est hautement probable que de nombreuses protéines membranaires restent à être identifiées. Nous avons mis en évidence un nouveau candidat membranaire lysosomal au cours d’une analyse protéomique réalisée sur des fractions enrichies en membranes de lysosomes. Cette protéine de 372 acides aminés, que nous avons dénommée p40, présente de nombreux segments transmembranaires prédits, quatre motifs potentiels d’adressage aux lysosomes et une homologie de séquence partielle avec des transporteurs de sucres nucléotidylés. Nous avons recherché la localisation de p40 dans la cellule par des techniques de fractionnement subcellulaire, appliquées sur le foie de souris. Nous avons comparé la distribution de cette protéine au sein des fractions obtenues par centrifugation différentielle et par centrifugation isopycnique sur un gradient continu de saccharose (avec et sans traitement préalable de la souris avec du Triton WR-1339) à celles de protéines marqueurs des organites. Nous avons combiné cette approche à une analyse morphologique par microscopie à fluorescence confocale de la localisation de p40 dans des cellules eucaryotes transfectées. Nos résultats nous ont permis de démontrer la localisation lysosomale de p40. D’autre part, nous avons mis en évidence que le temps de demi-vie de p40 est d’environ 10 heures et que p40 est une protéine dépourvue de chaînes oligosaccharidiques, fortement associée aux membranes. Nous avons ensuite entrepris de rechercher une possible activité de transport pour p40, suggérée par l’homologie de séquence détectée avec des transporteurs connus. Pour cela, nous avons utilisé une technique d’électrophysiologie perfectionnée, bien adaptée à la réalisation d’un large criblage de substrats potentiels d’une hypothétique activité de transport. Bien que nous ayons testé près de 70 composés au total, nous n’avons pas mis en évidence la fonction de p40 par cette approche. Dans un troisième temps, nous nous sommes intéressés à la façon dont la protéine p40 néosynthétisée est spécifiquement ciblée vers les lysosomes. Nous avons muté les quatre motifs potentiels d’adressage aux lysosomes présents dans la séquence de p40 et nous avons observé l’impact de ces mutations sur sa localisation subcellulaire. Ces travaux ont révélé que l’envoi de p40 vers les lysosomes est assuré par un signal de type « dileucine » situé 11 résidus en amont de l’extrémité C-terminale de la protéine : le motif EQERL360L361. En effet, la substitution des deux résidus leucine critiques par d’autres acides aminés abolit le transport de la protéine p40 vers les lysosomes et induisait son envoi vers la membrane plasmique. En conclusion, notre recherche visant à caractériser p40 montre que cette protéine nouvellement identifiée est une protéine membranaire lysosomale non glycosylée, ciblée vers les lysosomes à partir du TGN par un signal d’adressage EQERL360L361 localisé dans sa queue C-terminale. Des études complémentaires sont nécessaires afin de cerner la fonction assurée par p40 au sein de la membrane des lysosomes.

La NEM1 est un syndrome cancéreux affectant de nombreuses glandes endocrines, qui résulte d’une prédisposition génétique liée à des mutations du gène MEN1. La Menin, protéine codée par MEN1 possède de nombreux partenaires qui interviennent dans la dynamique de la chromatine, la régulation de la transcription et de la stabilité du génome. Le besoin de mieux connaître les fonctions biochimiques de la Menin m’a conduit à tenter de produire la protéine purifiée en grande quantité. Ce faisant, j’ai pu apporter des informations sur la structure de la Menin. Sur un plan fonctionnel, j’ai étudié l’interaction entre Menin et l’oncosuppresseur p53, et montré que certaines modifications post-traductionnelles de p53 déterminantes pour son activité et sa stabilité en réponse à un stress génotoxique, n’affectent pas l’interaction, rendant possible que ce soient des modifications de la Menin qui y jouent un rôle déterminant. J’ai ainsi montré que la Menin pouvait être mono-ubiquitinée. La Menin interfère également avec un autre régulateur du cycle cellulaire, la protéine RB dont elle semble réguler le niveau de phosphorylation et peut-être même la quantité totale dans la cellule. / MEN1 is a cancer syndrome affecting many endocrine glands, which results from a genetic predisposition related to mutations of the MEN1 gene. Menin, the protein encoded by MEN1 has many partners that play a role in the dynamics of chromatin and in the regulation of the transcription and of genome stability. The need for knowing better the biochemical functions of Menin led me to try to produce the purified protein in great quantity. By doing this, I could bring information on the structure of Menin. On a functional level, I studied the interaction between Menin and the oncosuppressor p53, and showed that certain post-translational modifications of p53 crucial for its activity and its stability in response to a genotoxic stress, do not affect the interaction, making possible that modifications of Menin play a determining role there. I thus showed that Menin could be monoubiquitinylated. Menin also interferes with another regulator of the cell cycle, the protein RB of which it seems to control the level of phosphorylation and perhaps even the total amount in the cell.

Les Apicomplexes constituent une vaste famille de parasites protozoaires responsables de nombreuses maladies chez l’Homme et chez les animaux. C’est le cas de Toxoplasma gondii, agent de la toxoplasmose et de Cryptosporidium parvum, responsable de la cryptosporidiose. Ces pathogènes représentent un réel problème de santé publique et vétérinaire. A l’heure actuelle, les seuls moyens de lutte contre ces parasites demeurent la chimiothérapie car il n’existe aucune stratégie prophylactique efficace. L’identification de cibles vaccinales repose sur le décryptage des mécanismes de défense mis en jeux vis-à-vis de ces agents infectieux. Dans le cadre de cette thèse, nos recherches se sont tournées vers l’étude du bras inné de la réponse immunitaire et plus particulièrement vers les voies de signalisation intracellulaires conséquentes de la reconnaissance de ces parasites. / No summary available

Tau est une protéine neuronale qui est observé hyperphosphorylé et agrégée dans les filaments hélicaux appariés (PHFs) dans les cerveaux de la maladie d’Alzheimer. La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire a permis une caractérisation analytique de la protéine Tau phosphorylée, également d’étudier les interactions de Tau avec des partenaires moléculaires. Parmi de 16 motifs pS/pT-P présents dans la séquence de Tau, il y a 14 sites phosphorylés par ERK2(Extracellular signal-Regulated Kinase2). Ce profil de phosphorylation est très semblable à celui obtenu avec un extrait de cerveau de rat. En plus, il est montré que la protéine Tau phosphorylée uniquement par ERK2 présente des propriétés d’agrégation semblables à la protéine Tau phosphorylée par les extraits de cerveaux de rat. Nous avons mis en évidence que Tau est un substrat de ERK2 reconnu par des sites multiples d’ancrage. Par ailleurs, des oligonucléotides interagissent avec Tau au niveau des séquences [209-246] et [267-289], et cette interaction est abolie par la phosphorylation de Tau par la kinase ERK. En conclusion, la phosphorylation de Tau par ERK sur les motifs S/T-P, localisés tout le long de sa séquence mais particulièrement dans le domaine régulateur riche en proline, a un impact sur les capacités d’agrégation de la protéine modifiée et sur ses propriétés d’interaction avec un partenaire moléculaire physiologique, l’ADN. Ces résultats concordent avec les études de réalisées dans des contextes cellulaires qui identifient ERK comme une kinase activée dans des conditions de stress du neurone qui pourrait conduire à une phosphorylation pathologique de Tau. / Tau has a central role in neurodegeneration and is implicated in Alzheimer’s disease development. It is found aggregated in neurons affected by the disease, typically in paired helical filaments (PHFs) constituted of hyper-phosphorylated Tau. Nuclear Magnetic resonance Spectroscopy is used to characterize Tau phosphorylation pattern, as well as to study Tau interactions with molecular partners. Analysis of in vitro phosphorylated Tau by activated recombinant ERK2(Extracellular signal-Regulated Kinase2) with NMR spectroscopy revealed phosphorylation of 14 S/T-P sites among 16 such motifs, which has a similar phosphorylation pattern In vitro by rat brain extract, and both of phosphorylated Tau show similar ability to produce pTau filaments. In addition, Tau is ERK2 substrate to present multiple docking sites instead of one high affinity single D-site motif. Additionally, I have investigated the functional consequences of Tau interaction by ERK. Oligonucleotide sequences interact with [209-246] and [267-289] regions. I have shown that this interaction is abolished by Tau phosphorylation by ERK2. This study shows that the ERK2 kinase has the capacity by itself to phosphorylate Tau on many sites and that the resulting phosphorylation pattern increases pTau aggregation propensity. Moreover, ERK2 phosphorylation of Tau can lead to a loss of physiological function, such as its capacity to bind DNA. These results support the hypothesis that ERK activation might have a detrimental effect for Tau function and participate in AD physio-pathology.

Les travaux de thèse ici présentés portent sur l’analyse intégrée de cellules biologiques par spectroscopie d’impédance en basse fréquence dans des systèmes microfluidiques. L’impédancemétrie représente une alternative intéressante aux marqueurs optiques car elle semble moins invasive. Le but de ces travaux est de développer des bioMEMS impédimétriques pour l’analyse du parasite aquatique Cryptosoridium parvum (C. parvum) et la détection des interactions protéine-cellule. Pour cela, des réseaux de microélectrodes interdigitées ont été réalisés au sein de puits et de microcanaux. Différentes géométries d’électrodes sont caractérisées. Des circuits électrique de modélisation sont présentés. Les spectres de relaxation diélectrique de l’eau déionisée en basse fréquence (< 1 MHz) et les temps de relaxation mis en jeu ont été déterminés. Une méthode électrique permettant de quantifier automatiquement et sans marqueurs la concentration de parasites C. parvum suspendus dans de l’eau purifiée est présentée. La viabilité de ces parasites est discriminée par impédancemétrie. Pour étudier les interactions protéine-cellule, la lactoferrine (Lf) et des cellules d’ovaires d’hamster chinois (CHO) ont été choisies comme modèle d’étude. Différents paramètres biologiques de culture cellulaire sont analysés pour optimer les mesures impédimétriques. L’interaction de la Lf avec les CHO est détectée spécifiquement. Afin d’injecter des réactifs aux cellules tout en minimisant les perturbations électrochimiques, l’analyse impédimétrique des interactions cellule-protéine est effectuée dans des canaux microfluidiques. Dans ces conditions, les mesures élecrtriques ont des effets invasifs. / The thesis presented here deals with the integrated analysis of biological cells by low frequency impedance spectroscopy in microfluidic systems. Impedancemetrey represents an interesting alternative to optical labels because they seem to be less invasive. The purpose of this work is to develop an impedimetric bioMEMS for the analysis of aquatic parasite Cryptosoridium parvum (C. parvum) and the detection of cell-protein interactions. Arrays of interdigitated microelectrodes were realized in wells and microchannels. Different geometries of electrodes were characterized. Electrical circuit models are presented. Dielectric relaxation spectrums of deionized water in low frequencies (<1 MHz) and relaxation times were established. An electrical label free method to quantify automatically the concentration of C. parvum parasites suspended in purified water is presented. The viability of these parasites was discriminated by impedancemetry. To study protein-cell interactions, lactoferrin (Lf) and cells of chinese hamster ovary (CHO) were chosen as study model. Different biological parameters are studied to optimize impedimetric measurements. Lf-CHO interaction is detected specifically. To inject reagents into cells while minimizing electrochemical perturbations, impedimetric analysis of CHO-Lf interaction was also performed within microfluidic channels. In these conditions, electrical currents can have invasive effects.

La protéine PARL (Presenilins-Associated Rhomboid-Like protein) est une nouvelle protéine présentant des similarités significatives avec la famille de régulateurs développementaux de Drosophila melanogaster Rhomboid, assurant la protéolyse intramembranaire régulée (RIP). La RIP est un processus par lequel certaines protéines transmembranaires sont clivées à l'intérieur de la membrane pour libérer un domaine cytoplasmique actif. Pour valider l'homologie fonctionnelle entre PARL et Rhomboid-1, nous avons conduit une analyse phylogénétique complète portant sur l'ensemble des membres de la super-famille Rhomboid. Cette étude révèle que cette famille est présente à tous les niveaux évolutifs et que tous ses membres, y compris PARL, sont des sérine-protéases catalysant la RIP. Nos études immunohistochimiques démontrent que le profil d'expression de PARL est régulé dynamiquement au cours du développement postnatal du cerveau de souris. D'autre part, PARL est sélectivement exprimée dans les cellules mitotiques et les neurones indifférenciés, mais pas dans les cellules gliales. De plus, chez l'adulte, l'expression de PARL est restreinte aux zones de neurogenèse active tout au long de la vie de l'animal. L'ensemble de ces résultats indique que l'expression de PARL commence durant la phase proliférative des précurseurs neuronaux, continue dans les étapes précoces de la différenciation neuronale et qu'elle est ensuite régulée négativement au cours de la différenciation. Nous proposons donc que l'activité de RIP-protéase de la protéine PARL joue un rôle essentiel dans l'engagement de la cellule vers la destinée neuronale et dans la neurogenèse.