La compréhension et la prédiction des relations structure-fonction de protéines par des approches in sillico représentent aujourd'hui un challenge. Malgré le développement récent de méthodes algorithmiques pour l'étude du mouvement et des interactions moléculaires, la flexibilité de macromolécules reste largement hors de portée des outils actuels de modélisation moléculaire. L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle approche basée sur des algorithmes de planification de mouvement issus de la robotique pour mieux traiter la flexibilité moléculaire dans l'étude des interactions protéiques. Nous avons étendu un algorithme récent d'exploration par échantillonnage aléatoire, ML-RRT pour le désassemblage d'objets articulés complexes. Cet algorithme repose sur la décomposition des paramètres de configuration en deux sous-ensembles actifs et passifs, qui sont traités de manière découplée. Les extensions proposées permettent de considérer plusieurs degrés de mobilité pour la partie passive, qui peut être poussée ou attirée par la partie active. Cet outil algorithmique a été appliqué avec succès pour l'étude des changements conformationnels de protéines induits lors de la diffusion d'un ligand. A partir de cette extension, nous avons développé une nouvelle méthode pour la résolution simultanée du séquençage et des mouvements de désassemblage entre plusieurs objets. La méthode, nommée Iterative-ML-RRT, calcule non seulement les trajectoires permettant d'extraire toutes les pièces d'un objet complexe assemblé, mais également l'ordre permettant le désassemblage. L'approche est générale et a été appliquée pour l'étude du processus de dissociation de complexes macromoléculaires en introduisant une fonction d'évaluation basée sur l'énergie d'interaction. Les résultats présentés dans cette thèse montrent non seulement l'efficacité mais aussi la généralité des algorithmes proposés. / Understanding and predicting structure-function relationships in proteins with fully in silico approaches remain today a great challenge. Despite recent developments of computational methods for studying molecular motions and interactions, dealing with macromolecular flexibility largely remains out of reach of the existing molecular modeling tools. The aim of this thesis is to develop a novel approach based on motion planning algorithms originating from robotics to better deal with macromolecular flexibility in protein interaction studies. We have extended a recent sampling-based algorithm, ML-RRT, for (dis)-assembly path planning of complex articulated objects. This algorithm is based on a partition of the configuration parameters into active and passive subsets, which are then treated in a decoupled manner. The presented extensions permit to consider different levels of mobility for the passive parts that can be pushed or pulled by the motion of active parts. This algorithmic tool is successfully applied to study protein conformational changes induced by the diffusion of a ligand inside it. Building on the extension of ML-RRT, we have developed a novel method for simultaneously (dis)assembly sequencing and path planning. The new method, called Iterative-ML-RRT, computes not only the paths for extracting all the parts from a complex assembled object, but also the preferred order that the disassembly process has to follow. We have applied this general approach for studying disassembly pathways of macromolecular complexes considering a scoring function based on the interaction energy. The results described in this thesis prove not only the efficacy but also the generality of the proposed algorithms

En recherche clinique ou environnementale, les biomarqueurs protéiques présentent un intérêt croissant. Bien que les immuno-dosages restent les méthodes de référence pour leur quantification, les récentes avancées en spectrométrie de masse (MS) font de cette technique une alternative crédible à l’ELISA. Ce travail apporte quelques éléments méthodologiques pour repousser certaines limitations de la MS. D’abord, deux dosages ont été proposés. Celui réalisé chez G. fossarum représente le premier exemple de dosage de la Vitellogénine chez un invertébré par LC-MS/MS. L’un des défis de la méthode présentée est de doser spécifiquement une protéine dans un organisme dont le génome est majoritairement inconnu. Le second dosage concerne les peptides contenant une méthionine. Nous avons développé un protocole d’oxydation des méthionines afin de s’affranchir du biais lié à leur oxydation partielle. Cette méthode a ensuite été appliquée à une protéine impliquée dans la maladie d’Alzheimer (l’Apolipoprotéine E4) dans une cohorte de 673 plasmas. Ce dosage est à ce jour l’une des plus grandes études réalisées par LC-MS/MS et montre toute la robustesse de cette approche. Enfin, l’influence de la phase mobile sur la sensibilité des dosages de peptides a été étudiée : d’abord en phase inverse, où le méthanol est une bonne alternative à l’acétonitrile ; ensuite en HILIC, où les difficultés liées à l’étude d’ions multichargés en milieu majoritairement organique ont été abordées. Les problèmes liés à la capacité de charge des colonnes ont également été soulevés. La chromatographie HILIC reste prometteuse pour la quantification de peptides puisqu’un facteur dix en sensibilité peut être apporté. / Both in clinical and environmental research, protein biomarkers are of growing interest. Although immunoassays are the gold standard for their quantification, recent advances in mass spectrometry (MS) make this technique a viable alternative to ELISA. This work provides some methodological elements to eliminate some limitations of the MS approach. First, two assays have been proposed. The first one achieved for G. fossarum represents the first example of quantification of vitellogenin in an invertebrate by LC-MS/MS. One of the challenges of the presented method is to specifically assay a protein in an organism whose genome is largely unknown. The second assay relates to methionine-containing peptides. A protocol was developped for total oxidation of methionines in order to overcome the bias due to their partial oxidation. This method was then applied to a protein involved in Alzheimer's disease (Apolipoprotein E4) in a cohort of 673 plasma samples. This assay is to date one of the largest study carried out by LC-MS/MS and shows all the robustness of this approach. Lastly, the influence of the mobile phase on the sensitivity of peptides assays was studied: first in reversed phase, where methanol is a good alternative to acetonitrile; then in HILIC, where the difficulties associated with the study of multicharged ions in a mainly organic content were discussed. Problems related to the carrying capacity of the columns were also raised.

Les hydrolysats protéiques ont une haute valeur ajoutée pour des secteurs industriels variés, de par leurs propriétés nutritives, fonctionnelles et / ou nutraceutiques. Pour améliorer les propriétés des hydrolysats, l’ultrafiltration est utilisée. Cependant, le manque d’outils de modélisation lié à la complexité des mélanges est un verrou pour une mise en œuvre rationnelle du procédé. Ces travaux ont permis de valider une stratégie de prédiction basée sur des caractéristiques classiques des hydrolysats et un étalonnage expérimental de la membrane d’ultrafiltration. Cette méthode permet de prédire les rendements et enrichissements en fraction(s) ou peptide(s) cible(s), ainsi que la productivité du procédé. Le modèle global de prédiction de l’ultrafiltration obtenu est alors utilisé afin d’optimiser la mise en œuvre de ce procédé. La démarche d’optimisation consiste à maximiser l’enrichissement de fractions ou de peptides cibles en minimisant la consommation d’eau et la durée du procédé / Protein hydrolysates are high added value mixtures for various industrial areas, thanks to their nutritive, functional or nutraceutical properties. To enhance hydrolysates performances, fractionation processes such as ultrafiltration are used. However, the lack of tools to predict ultrafiltration performances is a major bottleneck for a rational implementation of the process. This research thesis work enables to validate a prediction strategy based on classical characteristics of hydrolysates and an experimental calibration of the membrane. Yields and enrichment factors in targeted peptides or fractions during ultrafiltration as well as the productivity of the process can be predicted. This global methodology of performances prediction is then used to optimize the implementation modes of ultrafiltration. The multiobjective optimization approach consists in maximizing the enrichment in targeted peptides or fractions while water consumption and / or process duration is minimized

En pathologie tumorale, l'étude du micro-environnement tumoral doit prendre en compte différents modes de communication cellulaire : contacts directs entre membranes plasmiques, émission et réception de cytokines et enfin émission et internalisation d'objets biologiques plus complexes comme les microvésicules et les exosomes qui peuvent être assimilés à de véritables organites extra-cellulaires. Le virus d'Epstein-Barr (EBV) participe à l'oncogenèse de plusieurs affections malignes humaines d'origine épithéliale (carcinomes nasopharyngés ou NPC) ou lymphocytaire (lymphomes post-transplantation). Dans ces tumeurs, les cellules malignes qui sont infectées de façon latente par EBV libèrent des exosomes et des microvésicules qui contiennent des protéines et des acides nucléiques d'origine virale. L'étude de ces éléments doit permettre de mieux comprendre les interactions hôte-tumeur et de mettre en évidence de nouveaux biomarqueurs utiles pour le diagnostic précoce et la surveillance de la maladie sous traitement. Le premier objectif de ma thèse consistait à étudier la sécrétion par les cellules malignes d'une famille de microARN viraux appelés miR-BART et leur diffusion dans le sang périphérique chez les sujets porteurs de tumeurs associées à EBV. Pour la première fois j'ai mis en évidence une sécrétion d'exosomes porteurs de miR-BART par les cellules de NPC en culture in vitro. J'ai également montré que les miR-BART, particulièrement miR-BART7, sont détectables dans le plasma de sujets porteurs de NPC. Contrairement à ce qui se passe in vitro les miR-BART plasmatiques ne sont pas transportés par des exosomes. Des données obtenues chez la souris montrent qu'ils peuvent être transportés par des complexes extra-cellulaires que l'on peut précipiter au moyen d'anticorps anti-ago2. Nous cherchons à confirmer ces données sur des échantillons de plasma provenant de patients porteurs de NPC. Ces données pourront guider à l'avenir l'utilisation des miR-BART circulants comme source de biomarqueurs.Le deuxième volet de ma thèse avait pour but d'étudier les modifications du protéome des exosomes induites par une oncoprotéine du virus d'Epstein-Barr appelée LMP1 (latent membrane protein 1). J'ai montré que la LMP1, lorsqu'elle est exprimée dans les cellules lymphocytaires ou épithéliales, infectées ou non par EBV, induit la libération de la protéine PARP1 dans le milieu extra-cellulaire. Cette PARP1 extra-cellulaire n'est pas associée aux exosomes ni aux microvésicules mais à des nano-objets non-vésiculaires contenant notamment des histones et de l'ADN. Nous avons désignés ces objets sous le terme de complexes ADN-protéines extra-cellulaires. Nous ne savons presque rien de la biogenèse de ces complexes ; nous pensons qu'ils ne proviennent pas uniquement de cellules en apoptose. En revanche, des expériences préliminaires suggèrent que la présence de PARP1 dans ces complexes coïncide avec une activation permanente de la PARP1 induite dans les cellules productrices par l'expression de l'oncoprotéine LMP1. Cette hypothèse est en cours de vérification grâce à des expériences menées sur des lignées cellulaires exprimant différentes formes sauvages ou mutées de la LMP1. Ces données sur l'activation de la PARP1 et sur sa sécrétion induite par la LMP1 auront des retombées intéressantes pour notre compréhension des mécanismes d'oncogenèse et d'auto-immunité liés à l'infection par le virus d'Epstein-Barr.

L'objectif de cette thèse consiste à comprendre les interactions procédé/produit et à mettre en évidence les paramètres d'influence (conditions du traitement thermique, formulation, paramètres opératoires de foisonnement) afin de maîtriser les propriétés d'usage, et notamment la microstructure des produits foisonnés stabilisés par des agrégats de protéines sériques (WPI). Une première étude nous a permis d'évaluer l'impact du traitement thermique sur la solution protéique (proportion, taille, morphologie des assemblages protéiques) et sur l'aptitude au foisonnement des WPI natives et dénaturées lorsqu'un procédé de bullage a été utilisé. Dans un deuxième temps, à l'aide d'un batteur ménager nous avons mis en avant le rôle clef joué par les agrégats solubles sur l'amélioration de la stabilité et sur celle de la texture des mousses en l'absence de matière grasse. En revanche, l'application d'un post-traitement thermique sévère s'est avérée défavorable à la stabilité et la rigidité de la mousse. L'utilisation de deux foisonneurs continus a ensuite permis de démontrer le couplage entre formulation et procédé. Lorsqu'on applique un traitement thermique 80°C en amont du foisonnement sur l'installation rotor-stator, celuici semble améliorer d'une manière significative la texture des mousses et a confirmé que leur stabilité dans le temps reste gouvernée par l'état de dénaturation et d'agrégation des protéines, les conditions opératoires ne jouant ici qu'un rôle secondaire. En revanche, lors du foisonnement dans une colonne à faible entrefer, cet effet bénéfique du traitement thermique sur la stabilité et sur la texture est masqué par les effets du procédé et aucune amélioration n'a été observée.

Un défi majeur de l’ère post-génomique est de définir l’ensemble des protéines encodées par le génome : le protéome. Un ARNm mature est en général associé à un seul cadre ouvert de lecture (ORF, open reading frame en anglais) de référence (RefORF) codant pour une protéine. Des ORFs alternatifs (AltORFs) sont cependant présents dans les régions non-traduites (UTRs), ou chevauchant le RefORF dans les cadres de lecture alternatifs +2 et +3. Les AltORFs offrnt le potentiel d’augmenter la diversité protéique, mais leur réelle contribution au protéome est peu caractérisée. Par des techniques de biologie moléculaire, de biochimie, et de biologie cellulaire, j'ai tout d’abord mis en évidence chez plusieurs mammifères supérieurs, l’expression endogène d'une protéine alternative appelée AltPrP à partir du gène PRNP. La découverte d'AltPrP devrait améliorer notre compréhension des rôles pathologiques et physiologiques de ce gène. Suite à la découverte d'AltPrP, et basé sur ce modèle d’AltORF chevauchant un RefORF, j'ai entrepris d’investiguer l’étendue de l’utilisation de ces AltORFs comme source de diversité protéique, chez l’humain en particulier. Par des méthodes computationnelles, j'ai participé à la création d'une base de données d'AltORFs prédits dans les ARNm humains (HA1tORF, pour Human Alternative ORFs). HA1tORF est consultable et interrogeable en ligne. Elle facilitera et accélérera la découverte et l’étude des AltORFs. J'ai ensuite mis au point une approche protéomique afin d'apporter des preuves expérimentales de l’utilisation à grande échelle des AltORFs. Une base de données d’AltORFs, mise à jour pour inclure ceux chevauchant en tout ou partie les UTRs, a été créée et utilisée pour déterminer par spectrométrie de masse la contribution des protéines alternatives au protéome humain. J'ai validé l’expression de 1259 protéines alternatives prédites à travers différents échantillons. J'ai aussi démontré que l’expression d'AltORFs impliquait d’importants biais dans les dessins expérimentaux (transfections ou criblage de banques d’ADNc par exemple). Enfin, un grand nombre de protéines alternatives semblent conservées à travers l’évolution, suggérant leur importance fonctionnelle. En conclusion, mes travaux de doctorat ont permis de mettre en évidence que les AltORFs conduisent à l’expression de nouvelles protéines jusqu’alors ignorées. Ces résultats redéfinissent notre vision du protéome, remettent en question notre compréhension de la structure et de la fonction des gènes eucaryotes, et ouvrent la voie vers l’étude fonctionnelle des protéines alternatives.

Cette thèse porte sur la découverte de gènes humains non caractérisés codant pour des précurseurs à hormones peptidiques. Les hormones peptidiques (PH) ont un rôle important dans la plupart des processus physiologiques du corps humain. Ce sont de petites protéines sécrétées générées après clivage de précurseurs plus larges codés par le génome. Dans la première partie de la thèse, l'on introduit des algorithmes, basés sur les chaînes de Markov cachées (HMM), qui vont nous permettent de modéliser les séquences protéiques des précurseurs à hormones peptidiques. On montre que l'on peut dégager des caractéristiques particulières au niveau de la séquence chez ce groupe de protéines et l'on s'attarde en particulier sur la modélisation de deux signaux toujours présents chez ces protéines, les peptides signaux et les sites de clivage par les prohormones convertases. On présente ensuite des algorithmes qui prennent en compte le degré de conservation des résidus le long d'alignements de protéines orthologues. On montre que ces nouveaux algorithmes améliorent de manière significative les résultats obtenus à l'aide des algorithmes classiques. Enfin, après lancement de l'algorithme sur des données de protéomes, l'on dégage une liste de candidats dont certains ont pu être étudiés au laboratoire. La deuxième et la troisième partie de la thèse présentent les conclusions que l'on peut tirer des données de Western blot relatives aux profils de sécrétion et de découpage (processing) de chacun des deux candidats les plus prometteurs, " spexine " et " augurine ". On présente des données d'expression sur la souris (hybridation in situ, immunohistochimie,...) que l'on a récemment obtenues sur ces nouvelles hormones peptidiques potentielles ainsi que des données fonctionnelles sur la " spexine ". En conclusion, l'on avance des hypothèses quant aux fonctions de ces deux protéines. Si les fonctions de ces nouveaux peptides nous sont encore inconnues, leur expression chez la souris, tant au niveau de l'ARN messager que de la protéine, révèle des pistes qui devraient soulever un intérêt certain chez les spécialistes du domaine des peptides. Enfin, dans la quatrième et dernière partie de la thèse, l'on présente pour quatre autres candidats (dont on n'a pu mener une étude approfondie) des données préliminaires d'expression de gène et de sécrétion in vitro après transfection de l'ADN codant pour ces protéines dans des cellules issues de lignées cellulaires pancréatiques.

Lors de la production des poudres protéiques laitières, des précautions sont prises pour assurer des fonctions technologiques optimales selon leurs utilisations. Cependant, des évolutions structurales et fonctionnelles surviennent lors du stockage. Ce projet vise ainsi à comprendre les mécanismes de modification qui interviennent lors du stockage des poudres d’isolat de protéines solubles du lait (WPI). Pour ce faire, des poudres de WPI ont été stockées en conditions contrôlées (15 mois à 20°C, 40°C et 60°C), et leurs évolutions structurales et fonctionnelles après réhydratation ont été suivies expérimentalement à intervalles réguliers.Les résultats montrent que le vieillissement suit une trajectoire définie impliquant d’abord la lactosylation d’une partie des protéines, puis leur agrégation à l’état sec. De plus, cette trajectoire est caractérisée par un phénomène de rattrapage des modifications observées aux basses températures vers les plus hautes. L’impact des évolutions structurales sur les propriétés fonctionnelles est contrasté : les résultats montrent que les propriétés moussantes et interfaciales sont peu affectées, alors que les propriétés d’agrégation thermo-induites sont grandement modifiées. Pour minimiser ces modifications, deux pistes d’amélioration ont été suivies : 1. la granulométrie des poudres et 2. la teneur en lactose résiduel. La différence de granulométrie n’a pas eu d’influence sur le vieillissement alors que la diminution de la teneur en lactose a permis de limiter significativement l’étendue des modifications induites lors du stockage. / During dairy powder manufacture, precautionary measures are taken to ensure optimal technological functionalities regarding their use requirements. However, changes in structural and functional properties appear during storage. This project aimed understand the mechanisms of changes that occur during storage of whey protein isolate (WPI) powders. To do this, WPI powders were stored under controlled conditions (20°C, 40°C and 60°C for 15 months), and their structural and functional changes after rehydration were experimentally monitored at regular intervals. The results showed that ageing follows a specific path involving first protein lactosylation and then their aggregation in the dry state. In addition, this path was characterized by a catching up behaviour from the changes obtained at lower temperatures to those at highest temperatures. The impact of these structural changes on the functional properties was mixed:the results showed that the foaming and interfacial properties were only slightly affected, while the heat-induced aggregation properties were greatly modified. To minimize these storage-induced changes, several areas for improvement were followed, playing on either the powder particle size, or on lactose content whose role appeared to be crucial for the development of the Maillard reaction. The study showed that the difference in powder particle size had no influence on their ageing path while lowering the lactose concentration allowed to significantly reduce the extent of the storage-induced changes.

Les protéines BCL-2 jouent un rôle essentiel dans la décision de vie ou de mort des cellules. Elles contrôlent l'induction de l'apoptose (mort cellulaire programmée) par la voie mitochondriale via des fonctions opposées de régulateurs anti- et pro-apoptotiques. Les protéines contenant un ou plusieurs domaines dits d'homologie à Bcl-2 (BHl- 4) sont systématiquement classées dans cette famille. Grâce à une analyse bioinformatique et phylogénétique, nous avons revisité les différents critères d'inclusion dans le groupe de protéines BCL-2 et proposé une nouvelle classification tenant compte des données structurales et évolutives. Cette nouvelle nomenclature distingue : un premier groupe de protéines homologues (dérivant d'un ancêtre commun), partageant une structure 3D semblable à celle de Bcl-2 et pouvant ne posséder aucun motif BH, et un conglomérat, en pleine expansion, regroupant des protéines sans lien phylogénétique apparent et partageant une courte région de similarité de séquence correspondant au motif BH3. Sur la base de ces résultats, nous avons construit un processus, basé sur des profils HMM, pour identifier les protéines appartenant au groupe de protéines BCL-2. Notre processus automatisé est utilisé pour i) récupérer les séquences nucléotidiques et protéiques mensuellement ii) les annoter et iii) les intégrer dans la base de connaissances BCL2DB (« The BCL-2 Database »). Celle-ci est accessible via une interface Web (http://bcl2db.ibcp.fr) qui permet aux chercheurs d'extraire des données et d'effectuer des analyses de séquence / BCL-2 proteins play an essential role in the decision of life or death of animal cells. They control the induction of apoptosis (programmed cell death) in the mitochondrial pathway via regulators having opposite functions: anti- or pro-apoptotic. Proteins containing one or more Bcl-2 homology domains (BHl-4) are systematically classified in this family. Through bioinformatics and phylogenetic analysis, we revisited the different criteria for protein inclusion in the BCL-2 group and proposed a new classification taking into account structural and evolutionary data. This new nomenclature distinguishes a first group of homologous proteins (derived from a common ancestor), sharing a similar 3D structural fold with Bcl-2 and often (but not necessarily) having one or more BH motifs, and a fast expanding conglomerate of proteins without apparent phylogenetic relationships and sharing only a short region of sequence similarity corresponding to the BH3 motif. Based on these results, we built a process based on profiles HMM to identify proteins belonging to the BCL-2 protein group. Our automated process i) recovers on a monthly basis the nucleotide and protein sequences ii) annotates them and iii) integrates this information into BCL2DB ("The BCL-2 Database"). This resource can be accessed via a web interface (http://bcl2db.ibcp.fr) which allows researchers to extract data and perform sequence analysis

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