La recherche en protéomique s' est développée en étant intimement liée à l' apparition d' outils analytiques sophistiqués et à haut débit tels que les spectromètres de masse (MS). Cependant, des méthodes permettant l'analyse rapide et efficace de ces données, telle que l'analyse multivariée, pourrait procurer des outils intéressants pour tout laboratoire de bioprocédés se spécialisant dans la production de protéines recombinantes. Ces travaux représentent une percée technologique en suivi et contrôle de bioprocédé. En effet, l'emploi de l'analyse multivariée sur des données de chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse (LCMS) afin d'identifier des isoformes protéiques et de suivre la production de protéines constitue une innovation significative pouvant mener à de nombreuses applications industrielles. Ces techniques procurent de nouvelles avenues pour l' optimisation et le contrôle de qualité pour des procédés de production de protéines recombinantes par culture cellulaire. Trois modèles expérimentau, x furent employés et analysés pour cette thèse. Des albumines purifiées de différentes origines animales ayant des similarités de séquence variant de 69,6 % à 92,4% et des masses moléculaires à l'intérieur de marges de ± 0,7% furent employées afin de démontrer la capacité de l'analyse multivariée à correctement distinguer des isoformes. Le suivi d'une culture cellulaire (HEK293) infectée par un adénovirus (Ad5- CMV-GFPsg25) par analyse multivariée des signaux LCMS fut aussi exécuté. Ce suivi permit d'identifié automatiquement les protéines produites au cours du processus et d'effectuer directement leur quantification. Finalement, ces techniques furent aussi appliquées à l'analyse de signaux provenant d'un spectromètre de mase en tandem (MS/MS) de type quadrupôle temps d'envol (Quadrupole Time Of Flight QTOF) pour l'étude de mélanges protéiques dans un contexte de recherche de biomarqueurs. Étant donné la capacité des algorithmes développés dans cette thèse de distinguer de petites différences entre des spectres de protéines, de directement identifier et quantifier une protéine d'intérêt dans un contexte de bio production et également de sélectionner les zones corrélées avec des peptides d'intérêt pour augmenter la sensibilité des études protéomiques, nos résultats indiquent que l'analyse multivariée des signaux LCMS ou LCMSIMS peut contribuer significativement au suivi, contrôle de qualité et diagnostic des bioprocédés lors de production de protéines recombinantes par des cultures cellulaires. 1

Nous avons étudié le potentiel du système SELDI TOF MS (de l'anglais: surface-enhanced laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry) pour la détection des effets de l'éliciteur chimique benzothiadiazole (BTH) sur le patron polypeptidique foliaire de plantes de tomate traités a posteriori avec un éliciteur antagoniste, le jasmonate de méthyle (MeJA). Les polypeptides et protéines foliaires de plantes témoins et traitées ont été extraits à différents moments pendant sept jours (168 h) afin de générer des empreintes polypeptidiques différentielles par SELDI TOF MS, avec pour buts (i) de mesurer l'impact relatif du BTH sur le profil des polypeptides et des protéines de faible masse moléculaire dans les feuilles, et (ii) de déterminer l'importance relative des effets possibles du MeJA sur l'effet du BTH. Sur un total d'environ 150 polypeptides et protéines détectés sur les spectres de masse dans l'intervalle m/z [1,000-20,000], 18 étaient sur- ou sous-exprimés 24 ou 48 h après traitement au BTH. De ces polypeptides, 13 (i.e. -70%) ont montré ensuite des niveaux d'accumulation altérés dans les feuilles traitées au MeJA, alors que seulement deux sont demeurés non affectés par le second éliciteur. Des effets spécifiques au BTH ou au MeJA, des effets positifs et des effets antagonistes ont été observés au cours de l'expérience, en accord avec des études récentes suggérant l'établissement d'interactions complexes aussi bien positives que négatives entre les sentiers de défense du salicylate et du jasmonate chez les plantes. Ces observations suggèrent, dans l'ensemble, le potentiel de la technologie SELDI pour la détection de réponses de défense conflictuelles et coopératives chez les plantes et le suivi temporel des effets de composés éliciteurs variés comme le BTH ou l'acide jasmonique.

Le foie est le principal organe impliqué dans la biotransformation des xénobiotiques. Les cytochromes P450 (CYP) en sont des enzymes dés. Parmi elles, leCYP4A est impliqué dans rhydroxylatlon des acides gras et la biotransformation de médicaments, tels que le bézafibrate (BE2A), un hypolipémiant utilisé enthérapeutique humaine. Cette molécule a été montrée hépatocarcinogène chez les rongeurs mais cet effet n'a pas été rapporté chez l'Homme. H est doncimportant de connaître les mécanismes d'action impliqués dans les effets du BEZA chez l'Homme. Dans une première étude, nous avons étudié l'expression duCYP4A au niveau ARNm et apoprotéine ainsi qu'au niveau de son activité dans des cultures primaires d'népatocytes de rat et d'Homme traitées ou non par duBEZA et de la N-acétylcystéine, molécule précurseur du glutathion. Nous avons mis en évidence d'importantes différences Interespèces et l'influence del'environnement redox des cellules en termes de réponse aux Inducteurs. L'implication des récepteurs nucléaires PPARa, PXR et CAR et des CYP4A/3A/2B aensuite été évaluée pour expliquer les différences inter-espèces observées. D'autre part, nous avons montré pour la première fois que le BEZA diminuel'expression de l'ARNm de OATP2 chez le rat et la biodisponibilité des statines en utilisant un système de biochromatographie original. Enfin, nous avonsmontré que le BEZA, en fonction de l'environnement redox de la cellule, régule des protéines impliquées dans le métabolisme des acides gras et lipides, ainsique des biomarqueurs d'hépatocarcinogenèse chez l'Homme, ce qui pose réellement la question du bien-fondé de l'utilisation de cette molécule enthérapeutique / The liver is the main organ involved in biotransformation of xenobkrtics invotving the cytochrome P450 (CYP). Among thèse enzymes, the CYP4A participate in the <o-hydroxylat!on of fatty acids and the met a bolis m of drugs such as be zafibrate (Beza), a lipld-lo wering molécule used In human therapy. It has been shown hepatocarcinogen In rodent; but no effect was reported in humans. It is thus important to understand thé mechanisms of action of Beza in humans. In a first study, we Investigated the expression of CYP4A at the mRNA, apoprotein and activity leveis In primary cultures of rat and human hepatocytes treated or not wlth Beza and/or N- acetylcysteine, a glutathtone precursor. We hâve highlighted Important différences between spedes and the Influence of ce» redox envlronment in terms of response to inducers. The involvement of nudear receptors PPARa, PXR and CAR and of CYP4A/3A/2B was then evaluated to explain the différences observed between species. On the other hand, we showed for the flrst time that Beza decreases the expression of rat OATP2 mRNA and the bioavailability of statins by uslng an original biochromatography System. Flnally, we showed that Beza, dependlng on the cellular redox envlronment modulâtes proteins involved In the metabolism of fatty acids and liplds, and also some biomarkers of hepatocarcinogenesis In humans, which raises the reai question a bout the appropr iateness of using t h is drug in human therapy.

Le cancer de la vessie (BCa), est une tumeur maligne de l’urothélium, fréquente dans le monde entier, dont le traitement particulièrement coûteux ne permet cependant pas d’éviter les récidives et les progressions. FGFR3 est l'un des gènes les plus fréquemment mutés dans le BCa et les cellules tumorales sont dépendantes de son expression pour leur prolifération. La mutation FGFR3 S249C est fortement surreprésentée (62% des mutations récurrentes de FGFR3). Dans la première partie de ma thèse, en réalisant une étude de la signature de mutation, nous avons montré que cette surreprésentation de la mutation FGFR3 était liée à une pression sélective induite par la mutagenèse APOBEC et non due à un gain de fonction plus important induit par cette mutation. En plus de FGFR3 S249C, 44 mutations fréquentes (représentant près de la moitié des mutations fréquentes du BCa) ont été identifiées comme étant associées à la signature mutationnelle APOBEC et la plupart d'entre elles étaient surreprésentées par rapport à d'autres mutations au sein du même gène. Il est intéressant de noter que ces mutations associées à APOBEC incluaient à la fois de nouveaux ‘conducteurs’ et des ‘passagers’ fréquents potentiels et qu’elles pouvaient potentiellement prédire la réponse à l’immunothérapie et à un traitement anti-ATR (pas anti-ATM). Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux effets fonctionnels du gène FGFR3 dans le BCa. En utilisant un modèle de souris transgénique, nous avons apporté la première preuve in vivo selon laquelle cette mutation FGFR3 S249C conférait un pouvoir de transformation maligne. Ce processus était associé à une instabilité accrue du génome, activation de MYC et à une angiogenèse accrue, probablement induites par le facteur induisant l'hypoxie (HIF1A). En outre, nous avons caractérisé le réseau de régulation contrôlé par FGFR3 en analysant des données protéomiques obtenues par spectrométrie de masse à partir d'une lignée de cellules cancéreuses du cancer de la vessie portant la mutation FGFR3 S249C - UMUC14. Plusieurs voies de signalisation bien connues comme étant régulées par FGFR3 ont été identifiées. Nous avons également mis en évidence de nouvelles cascades de signalisation suite à l'activation de FGFR3 pouvant être jouer un rôle dans la progression tumorale, notamment un axe FGFR3 / HIF1A / angiogenèse qui a été validé dans certains modèles de BCa in vitro et in vivo. / Bladder cancer (BCa) is a worldwide frequent and costly urothelial malignancy. FGFR3 is one of the most frequently mutated genes in BCa and a driver of an oncogenic dependency. Here, we systematically catalogued the FGFR3 point mutation spectrum in BCa and identified 14 recurrent residues (frequency ≥ 2). One hotspot mutation - FGFR3 S249C - was strongly over-represented compared to other recurrent FGFR3 mutations (62% of all recurrent mutations). Based on in-depth investigation of mutational signature, we revealed that this over-representation of FGFR3 S249C mutation was merely favoured by APOBEC mutagenesis rather than a stronger functional selection compared to other oncodriver mutations on FGFR3. Similarly, together with FGFR3 S249C, 44 frequent mutations (accounts for nearly half of all frequent mutations in BCa) were pinpointed to be associated with APOBEC mutational signature and most of them were over-represented compared to other mutations within the same gene. Interestingly, these APOBEC-associated mutations included both novel potential ‘drivers’ as well as ‘frequent passengers’, and had a potential to predict responders for immunotherapy and anti-ATR but not anti-ATM treatment. On the other hand, we were interested in functional effects of FGFR3 activation in BCa. We provided the first in vivo evidence that FGFR3 S249C mutation conferred potency to BCa transformation using a transgenic mice model. This process was associated with increased genome instability, MYC activation and enhanced angiogenesis probably mediated by hypoxia-inducing factor (HIF1A). Further, we tried to characterize FGFR3-driven regulatory network through mass spectrometry based proteomic data generated in a BCa cell line bearing FGFR3 S249C mutation – UMUC14. As expected, several well-known FGFR3 regulated signaling pathways could be identified. Of note, we also highlighted some novel signaling cascades that may be relevant to FGFR3 activation, including a FGFR3/HIF1A/angiogenesis signaling axis that we validated in several in vitro and in vivo BCa models.

Les dommages provoqués par l'exposition au cadmium proviennent de l'inactivation de diverses bio-molécules par le métal et de l'interférence du toxique avec les homéostasies redox et de métaux essentiels comme le zinc. Une lignée cellulaire dérivée de la lignée épithéliale humaine HeLa résistante au zinc (HZR) est également résistante au cadmium sur une période de 24 heures. Les mécanismes de toxicité et de résistance ont été étudiés. La localisation du cadmium intracellulaire est semblable entre les deux lignées. Toutefois, des sollicitations accrues du réticulum endoplasmique ainsi que du protéasome dans les cellules HZR affectent la prise en charge du cadmium dans ces cellules. Une adaptation catabolique concernant la tyrosine, peut-être en rapport avec la production de mélanine, a aussi été notée en analysant des gels d'électrophorèse bi-dimensionnels de haute résolution. La résistance des cellules HZR vis-à-vis du cadmium s'explique principalement par la limitation de la concentration de cadmium intracellulaire lors d'expositions massives; au contraire du zinc qui s'accumule. Cela ne se produit pas par augmentation de l'efflux de toxique, mais par inhibition de l'influx: il semble cependant que la voie d'entrée de cadmium éteinte chez les cellules HZR soit inédite puisqu'elle ne correspond pas à des systèmes moléculaires de transport de cadmium préalablement caractérisés. Pour son identification, une analyse globale du transcriptome des cellules HZR, dans des conditions variables quant à la concentration appliquée des métaux zinc et cadmium, a indiqué que le phénotype de ces cellules est sans doute défini par modification de voies de signalisation multiples. Mais la variété des cibles de ces voies n'a pas permis d'identifier précisément les molécules participant directement à la prise en charge des métaux zinc et cadmium. Ce travail a cependant conduit à une hiérarchisation de la réponse des cellules de mammifères à l'exposition au cadmium parmi les nombreux effets décrits dans la littérature. L'intoxication au cadmium peut engendrer une anémie par perturbation de l'homéostasie du fer. Au niveau cellulaire, celle-ci est principalement assurée au niveau traductionnel par le système IRP (Iron Regulatory Proteins) / IRE (Iron Responsive Element). Les effets du cadmium sur ce système ont été étudiés dans les principaux organes de souris intoxiquées, et, pour comparaison, dans les lignées cellulaires étudiées par ailleurs dans ce travail. Bien que le cadmium s'accumule dans les reins, le foie, les intestins et dans une moindre mesure la rate, aucun signe d'anémie n'a été observé et l'activité tissulaire des IRP est restée insensible au toxique dans les conditions appliquées. Par contre, l'impact du cadmium sur le système IRP/IRE diffère entre la lignée HeLa et la lignée HZR. Si, dans les cellules HeLa, le cadmium n'active pas IRP1 mais diminue sa stabilité, dans les cellules HZR, la protéine IRP1 est initialement très active mais elle est peu sensible au cadmium. Ces résultats illustrent la versatilité des réponses à un stress cadmium suivant des conditions cellulaires très précises, en accord avec la prépondérance et la diversité des voies de signalisation sensibles au stress extracellulaire révélées pour les cellules HZR.

Le premier acide aminé incorporé dans une chaîne polypeptidique naissante est toujours la méthionine. On identifie donc toujours ce premier résidu à la méthionine N-terminale. Cependant, les deux tiers des protéines accumulées à l'état stationnaire ne présentent plus leur méthionine initiatrice. Cet enlèvement résulte essentiellement d'une maturation protéolytique affectant chaque protéine. Ainsi, l'Excision de la Méthionine N-terminale (NME) concerne la majorité des protéines et ce dès que les premiers résidus émergent du ribosome. Ce mécanisme est retrouvé dans tous les compartiments cellulaires où une synthèse protéique a lieu : le cytoplasme, les plastes et les mitochondries. Les enzymes responsables du clivage de la méthionine initiatrice sont les METhionine AminoPeptidases (METAPs) ; les METAPs sont conservées dans le Règne vivant. Des études fonctionnelles de délétions géniques ont montré le caractère létal du maintien de la première méthionine dans tous les organismes. Il y a plus de dix ans, les METAPs ont été identifiées comme étant la cible de composés naturels ayant des effets anticellulaires. Aujourd'hui un nombre croissant d'études rapportent que la NME est une cible prometteuse pour le traitement de nombreuses pathologies. Néanmoins, les bases moléculaires qui expliquent le caractère essentiel de la NME restent très peu comprises, en particulier dans le cytoplasme des eucaryotes supérieurs. Grâce à un système inductible permettant de moduler finement la NME cytoplasmique dans la plante modèle Arabidopsis thaliana et différentes approches incluant des analyses protéomiques et métabolomiques, j'ai pu étudier les événements moléculaires précoces associés à l'inhibition de la NME cytoplasmique. J'ai également caractérisé la contribution relative des deux types de METAP cytoplasmiques au processus. Dans ce contexte, j'ai pu démontrer chez A. thaliana que la NME cytoplasmique agit sur deux voies de signalisation fréquemment dérégulées lors de conditions pathologiques : le statut des composés thiolés et la protéolyse. La diminution de la NME cytoplasmique induit une protéolyse accrue principalement via une augmentation du nombre de protéines destinées à une dégradation rapide. Ainsi, l'activité de la NME, en modulant la sensibilité de nombreuses protéines à subir la protéolyse, est un élément fondamental de la régulation de la demi-vie protéique. Finalement, mes résultats simialires obtenus également chez les Archées, levures et les lignées de cellules humaines suggèrent l'existence d'un mécanisme ubiquitaire associé à la NME.

Chez les plantes, l'oxyde nitrique (NO) est impliqué dans de nombreux processusbiologiques tels que la germination ou le développement racinaire et intervient dans les réponses àdivers stress biotiques ou abiotiques. Ainsi, en situation de stress en fer, la production de NOconstitue un événement précoce dans la voie de signalisation qui aboutit à l'induction desferritines. Les cibles du NO demeurent toutefois mal connues, mais il est établi qu'un effet majeurest la S-nitrosylation de cystéines dans les protéines. Dans ce travail, nous avons cherché àidentifier les protéines (et les cystéines) qui constituent les cibles moléculaires du NO dans deuxsituations de stress abiotique chez Arabidopsis thaliana. Dans ce but, une démarche deprotéomique post-traductionnelle dédiée, fondée sur la méthode classique dite du «Biotin-switch»(BS), a été privilégiée pour l'identification des protéines nitrosylées. Par ailleurs, afin de pouvoirévaluer les variations de nitrosylation et analyser des réponses physiologiques, nous avonsintroduit une dimension quantitative en combinant le BS à un marquage des thiols par des réactifsdifférant par la présence d'isotopes lourds (Isotope coded affinity tag, ICAT). La méthode ainsidéveloppée (BS-ICAT) a permis de caractériser des variations de nitrosylation de protéines lorsd'un stress ferrique et d'un stress salin. A côté de l'identification de cibles potentielles du NO, lesrésultats ont également attiré l'attention sur certaines limites du BS. Sur cette base, la méthodeBS-ICAT a été utilisée pour revisiter quantitativement le BS. Nous avons montré que le blocagedes thiols libres, étape initiale-clé fondant le BS, n'est que partiel et conduit à l'apparition de fauxpositifs. Simultanément, de nouveaux contrôles de spécificité ont été éprouvés. La combinaisonBS-ICAT constitue l'une des toutes premières tentatives pour la caractérisation quantitative àlarge échelle de réponses de nitrosylation. A côté d'un premier répertoire de sites de Snitrosylationchez les plantes et de l'identification de candidats potentiellement impliqués dans lesréponses aux stress en fer et en sel, l'analyse quantitative permet de proposer une utilisation du BSintégrant ses limites de façon plus contrôlée. Cette analyse souligne le besoin de méthodesalternatives où le marquage soit réalisé directement sur les nitrosothiols. / In plants, nitric oxide (NO) is involved in many biological processes such as germination or roots development and in responses to various biotic and abiotic stresses. Thereby, in iron stress situations, NO production is the earliest signaling pathway event leading to ferritins induction. NO targets remain largely unknown but it is now stated that cysteine S-nitrosylation in proteins is the main NO consequence. The present work aims at identifying NO target proteins in Arabidopsis thaliana in the context of two abiotic stresses. For this purpose, a posttranslational proteomics approach based on the classical “Biotin-Switch” method (BS) was favored to identify nitrosylated proteins. Moreover, in order to estimate changes in nitrosylation and analyze physiological responses, a quantitative dimension combining the BS and a differential isotope based labeling of thiol with the ICAT reagents (Isotope Coded Affinity Tag) was introduced. This method named BS-ICAT allowed us to characterize quantitative variations of S-nitrosylation during an iron and a salt stress. Beside the identification of potential NO targets, our results highlighted limitations of BS method through incomplete free thiol blockage, the key initial step in BS, leading to false positive identifications. Simultaneously, new control have been introduced to test the specificity of the labeling. The combination of BS and ICAT is one the first attempt to quantitatively characterize the NO response at a large scale. This quantitative analysis results in one of the first repertoire of S-nitrosylation sites in plant proteins under abiotic stress and highly suggests a careful use of BS under strict control conditions. Moreover this analysis re-enforces the emerging need for alternative methods where the labeling molecules react directly with the nitrosothiols.

Identifier rapidement des microorganismes pathogènes dans des échantillons environnementaux est un enjeu majeur dans le domaine de la biodéfense. Dans ce contexte, la spectrométrie de masse MALDI-TOF peut offrir une réponse simple, rapide et peu coûteuse. L'enjeu de la thèse, dans le cadre du projet ANR franco-allemand GEFREASE, a été de développer des méthodes permettant l'identification des microorganismes pathogènes et notamment de mettre en place des approches ciblées pour la préparation d'échantillon à l'aide d'anticorps en amont de la spectrométrie de masse. Dans un premier temps, l'étude du protéome de la bactérie modèle, Francisella tularensis subsp. holarctica LVS, responsable de la tularémie, a permis d'identifier les protéines et les peptides les plus abondants donnant un signal intense par spectrométrie de masse. Ensuite l'étude protéogénomique de douze protéines cibles a permis de choisir trois biomarqueurs dont le profil des masses par spectrométrie de masse de type MALDI-TOF (approche top-down) est spécifique de l'espèce et de la sous-espèce des bactéries du genre Francisella. Par cette méthode la virulence d'une souche est donc rapidement déterminée puisqu'elle est dépendante de la sous-espèce à laquelle la bactérie appartient. Ce test mis au point présente l'avantage d'être simple et rapide. Dans un deuxième temps, la mise au point d'un protocole d'enrichissement de la bactérie modèle par immunocapture magnétique a permis de montrer qu'il est possible de concentrer des bactéries grâce à des billes magnétiques couplées à des anticorps dirigés contre la bactérie entière. Cette approche a été expérimentée dans le cas de mélanges de bactéries où la bactérie modèle était largement minoritaire et dans des échantillons de matrices alimentaires diverses telles que de l'eau minérale ou du lait. La méthodologie a été validée sur un agent de classe 3, Francisella tularensis subsp. tularensis. / The rapid identification of pathogenic microorganisms in environmental samples is a major issue in the biodefense field. MALDI-TOF mass spectrometry can offer a fast, straightforward and inexpensive answer. In the framework of the Franco-German ANR project GEFREASE, the purpose of the thesis was to develop methodologies allowing identification of pathogenic microorganisms and particularly to set up targeted approaches using antibodies for sample preparation beforehand mass spectrometry. First of all, the proteome study of Francisella tularensis subsp. holarctica LVS, responsible for tularemia, allowed us to identify the most abundant proteins and peptides, and for which the most intense signals are observed when using mass spectrometry. The proteogenomic study of twelve of these proteins enable us to choose three biomarkers for which the masses monitored by MALDI-TOF mass spectrometry (top down approach) allow deciphering the Francisella species and subspecies. The interest of this work is being able to conclude on a strain virulence based on the knowledge of the subspecies it belongs. The finalized test is easy and fast. Secondly, the development of a magnetic immunocapture of Francisella tularensis subsp. holarctica LVS allowed us to show that it is possible to concentrate bacteria using magnetic beads coupled to antibodies raised against the entire bacterium. This approach has been experimented in the case of bacterial mixtures where the model bacterium was largely in minority and for samples containing various food matrices such as mineral water or milk. The methodology has been validated on a class 3 agent, Francisella tularensis subsp. tularensis.