La grande complexité des échantillons biologiques peut compliquer l'identification des protéines et compromettre la profondeur et la couverture des analyses protéomiques utilisant la spectrométrie de masse. Des techniques de séparation permettant d’améliorer l’efficacité et la sélectivité des analyses LC-MS/MS peuvent être employées pour surmonter ces limitations. La spectrométrie de mobilité ionique différentielle, utilisant un champ électrique élevé en forme d'onde asymétrique (FAIMS), a montré des avantages significatifs dans l’amélioration de la transmission d'ions peptidiques à charges multiples, et ce, en réduisant les ions interférents. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était d'explorer les capacités analytiques de FAIMS afin d'élargir à la fois la gamme dynamique de détection des protéines/peptides et la précision des mesures en protéomique quantitative par spectrométrie de masse. Pour cela, nous avons systématiquement intégré FAIMS dans des approches classiques en protéomique afin de déterminer les changements dynamiques du protéome humain en réponse à l’hyperthermie. Nous avons d’abord étudié les avantages de FAIMS par rapport à la quantification par marquage isobare (tandem mass tag, TMT). Cette approche permet le marquage d'ions peptidiques avec différents groupements chimiques dont les masses nominales sont identiques mais différant par leur distribution respective d'isotopes stables. Les ions peptidiques marqués par TMT produisent des ions rapporteurs de masses distinctes une fois fragmentés en MS/MS. Malheureusement, la co-sélection d'ions précurseurs conduit souvent à des spectres MS/MS chimériques et une approche plus lente basée sur le MS3 est nécessaire pour une quantification précise. Comme FAIMS améliore l’efficacité de séparation en transmettant sélectivement des ions en fonction de leur voltage de compensation (CV), nous avons obtenu moins de co-sélection de peptides. FAIMS a amélioré la quantification des peptides TMT au niveau MS2 et a permis d’obtenir 68% plus de peptides quantifiés par rapport aux analyses LC-MS/MS classiques, fournissant ainsi un aperçu plus vaste des changements dynamiques du protéome humain en réponse au stress thermique. De plus, nous avons étudié le marquage métabolique par incorporation d’acides aminés marqués par des isotopes stables en culture cellulaire (SILAC). Si des interférences co-éluent avec les isotopes SILAC, la quantification devient imprécise et les contreparties de SILAC peuvent être assignées de manière erronée aux ions interférants du chromatogramme, faussant ainsi le rapport SILAC. Le fractionnement post-ionisation FAIMS pourrait filtrer les ions appartenant au bruit de fond qui pourraient autrement être attribués à une paire ou à un triplet SILAC pour la quantification. Dans ce projet, FAIMS a été particulièrement bénéfique pour les espèces peu abondantes et s’est montré plus performant que le fractionnement par échange de cations (SCX). En outre, FAIMS a permis la séparation des phosphoisomères fréquemment observés dans les extraits complexes de phosphoprotéomes. Le troisième objectif de ce travail de recherche était d'explorer la séparation de l'état de charge et la transmission améliorée de peptides fortement chargés avec FAIMS et son application à l'analyse de peptides SUMOylés. FAIMS pourrait ainsi améliorer la transmission des peptides SUMOylés triplement chargés par rapport aux peptides tryptiques usuels, lesquels sont principalement doublement chargés. Ceci permettait l'enrichissement en phase gazeuse des ions peptides SUMOylés. FAIMS est une approche alternative plus simple pour fractionner les peptides SUMOylés, ce qui réduit les pertes d’échantillon et permet de simplifier le traitement des échantillons, tout en augmentant l’efficacité de séparation de manière plus automatisée et en ajoutant un ordre de grandeur de sensibilité. Le dernier objectif de cette thèse était d’améliorer l’instrumentation de FAIMS en le jumelant aux instruments à la fine pointe de la technologie. Avec un nouveau dispositif FAIMS, développé par nos collaborateurs chez Thermo Fisher Scientific, nous avons montré une amélioration dans la robustesse et la transmission des ions pour la nouvelle interface. Dans des expériences simples en protéomique shotgun, FAIMS a étendu la gamme dynamique d'un ordre de grandeur pour une couverture protéomique plus profonde par rapport aux analyses LC-MS/MS classiques. En outre, le fractionnement en phase gazeuse de FAIMS a généré moins d’analyses chimériques en MS2, ce qui a permis d’obtenir plus d’identifications et une meilleure quantification. Pour ce faire, nous avons directement comparé le LC-FAIMS-MS/MS au LC-MS/MS/MS en utilisant la sélection de précurseur synchrone (SPS) avec et sans fractionnement en phase inverse basique. Des mesures quantitatives comparables ont été obtenues pour toutes les méthodes, à l'exception du fait que FAIMS a parmi d’obtenir un nombre 2,5 fois plus grand de peptides quantifiables par rapport aux expériences sans FAIMS. Globalement, cette thèse met en évidence certains des avantages que FAIMS peut offrir aux expériences en protéomique en améliorant à la fois l'identification et la quantification des peptides. / The high complexity of biological samples can confound protein identification and compromise the depth and coverage of mass spectrometry-based proteomic analyses. Separation techniques that provide improved peak capacity and selectivity of LC-MS/MS analyses are often sought to overcome these limitations. High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS), a differential ion mobility device, has shown significant advantages by enhancing the transmission of multiple-charged peptide ions by reducing singly-charged interferences. In this context, the goal of this thesis was to explore the analytical capabilities of FAIMS to extend both the dynamic range of proteins/peptides detection and the precision of quantitative proteomic measurements by mass spectrometry. For this, we systematically integrated FAIMS in standard workflows to monitor the dynamic changes of the human proteome in response to hyperthermia. We first studied the merits of FAIMS to aid isobaric labeling quantification with tandem mass tags (TMT). This approach allows the labeling of peptide ions with different chemical groups of identical nominal masses but differing in their respective distribution of stable isotopes. TMT-labeled peptide ions produce reporter ions of distinct masses once fragmented by MS/MS. Unfortunately, the co-selection of precursor ions often leads to chimeric MS/MS spectra, and a slower MS3 centric approach is needed for precise quantification. Since FAIMS improves peak capacity by selectively transmitting ions based on their compensation voltage (CV), we obtained less peptide co-selection. FAIMS improved TMT quantification at the MS2 level and achieved 68 % more quantified peptides compared to regular LC-MS/MS, providing a deeper insight into the dynamic changes of the human proteome in response to heat stress. Further, we investigated stable isotope labeling by amino acids in cell culture (SILAC) quantification. If interferences co-elute simultaneously with SILAC isotopomers, quantification becomes inaccurate and SILAC counterparts can be missassigned to interfering ions in the highly populated chromatogram, thus skewing the SILAC ratio. FAIMS post-ionization fractionation could filter out background ions that can otherwise be attributed to a SILAC pair/triplet for quantification. In this work, FAIMS was especially beneficial for low abundant species and outperformed the standard strong cation exchange (SCX) fractionation workflow. In addition, FAIMS allowed the separation of phosphoisomers that are frequently observed in complex phosphoproteome extracts. The third aim of this work explored the charge state separation and enhanced transmission of highly charged peptides with FAIMS and its application for SUMOylated peptide analysis. FAIMS could enhance the transmission of triply charged SUMOylated peptides over typical tryptic peptide that are predominantly doubly charged, by applying more negative CVs with FAIMS. This allowed for gas-phase enrichment of SUMOylated peptide ions. FAIMS is an alternate and more straightforward approach to fractionate SUMOylated peptides that reduced sample loss, avoided sample processing, while increasing peak capacity in a more automated manner and added one order of magnitude in sensitivity. The last aim of this thesis was to improve the FAIMS instrumentation by interfacing it to the latest state-of-the-art instruments. With a new FAIMS device developed by our collaborators at Thermo Fisher Scientific, we demonstrate the robustness and the improved ion transmission for the new interface. In simple shotgun proteomics, FAIMS extended the dynamic range by one order of magnitude for deeper proteome coverage compared to regular LC-MS/MS. Moreover, fewer MS2 chimeric scans were generated with FAIMS gas-phase fractionation, which garnered more identifications and better quantification. For this, we directly compared LC-FAIMS-MS/MS to LC-MS/MS/MS using synchronous precursor selection (SPS) with and without basic reverse phase fractionation. Comparable quantitative measurements were obtained for all methods, except that FAIMS provided a 2.5-fold increase in the number of quantifiable peptides compared with non-FAIMS experiments. Overall, this thesis highlights some of the advantages that FAIMS can provide for proteomics experiments by improving both peptide identification and quantification.

Les dépôts intracellulaires de la protéine Tau agrégée sont la caractéristique commune des tauopathies, une famille de maladies neurodégénératives dont fait partie la maladie d’Alzheimer. Alors que les isoformes de Tau contenant trois (3R) ou quatre (4R) domaines de liaison aux microtubules sont retrouvées à des niveaux similaires dans le cerveau des individus sains, elles diffèrent au sein des inclusions intracellulaires en fonction des tauopathies. Notre étude repose sur l’identification de déterminants structuraux communs et distincts de fibres de Tau 3R et 4R. Pour cela deux approches de protéomique structurale complémentaires ont été mises au point à partir de fibres de Tau 1N3R et 1N4R produites in vitro. La première stratégie, reposant sur l’utilisation de protéolyses ménagées, nous a permis d’identifier les fragments protéolytiques qui composent un « code-barre » moléculaire propre à chaque assemblage. La seconde stratégie a utilisé un marquage chimique covalent des lysines accessibles suivi de l’analyse qualitative et quantitative des acides aminés marqués par spectrométrie de masse. Nous avons ainsi pu montrer que la partie N-terminale de la protéine était accessible au sein des fibres 1N3R et 1N4R tandis que la région C-terminale de la protéine est protégée pour Tau 1N3R et accessible au solvant pour Tau 1N4R. Nos résultats ouvrent la voie à de nouveaux outils moléculaires pour discriminer les tauopathies. / Intracellular deposits of Tau protein aggregates are the common hallmark of tauopathies, a range of neurodegenerative diseases including Alzheimer's disease. Levels of tau with three (3R) or four (4R) microtubule binding repeats are found similar in the normal adult brain, whereas they differ in neuropathological intracellular Tau inclusions, according to the type of tauopathy. Our study consists of the identification of common and different structural molecular determinants of 3R and 4R Tau fibrils. To this end, two proteomic approaches were optimized using 1N3R and 1N4R recombinant fibrils. The first strategy, using limited proteolysis, allowed us to identify the proteolytic fragments composing the molecular “bar-code” for each type of fibril. The second strategy we optimized used chemical covalent surface labelling of accessible lysines, and qualitative and quantitative analysis of the biotinylated residues using mass spectrometry. We show that, while the N-terminal part of the protein remains accessible within 1N3R and 1N4R fibrils, the C-terminal region is protected within 1N3R yet solvent accessible for 1N4R assemblies. Our results pave the way to new molecular tools to discriminate tauopathies.

Le corps humain est composé de plus de 100 000 protéines qui interagissent entre elles afin d’assurer son bon fonctionnement. Néanmoins, il peut arriver que certaines de ces protéines subissent une mutation changeant l’équilibre de fonctions du corps telles que la réplication cellulaire. Ces mutations affectant la réplication cellulaire peuvent mener à des cancers, une maladie qui touche de plus en plus de gens à travers le monde. Afin de développer des médicaments efficaces contre cette maladie, il est nécessaire de bien comprendre les mécanismes biologiques impliqués pour établir une approche thérapeutique. Cette compréhension repose notamment sur l’utilisation d’outils moléculaires, de petites molécules possédant des fonctions chimiques versatiles pouvant donner des informations critiques dans le développement de médicaments. Ce présent mémoire se consacre sur le développement d’outils moléculaires à travers deux projets ayant des objectifs distincts. Le premier projet avait comme principal objectif d’approfondir les connaissances sur l’inhibition de la protéine RAS, une GTPase responsable de plus de 30% des cancers. À cet effet, l’approche privilégiée a été celle de la synthèse de macrocycles peptidiques se liant à la cystéine 118 de RAS d’après la structure du monobody NS1. Les structures cristallines et les données protéomiques obtenues ont permis d’identifier les interactions clés entre la protéine RAS et une série d’inhibiteurs cherchant à émuler les effets biologiques de NS1. Le second projet s’intéresse quant à lui aux effets du composé UM171 sur les cellules souches. En effet, cette petite molécule possède la capacité d’empêcher la différenciation des cellules souches hématopoïétiques et permet donc leur multiplication. Cette propriété est une source d’espoir dans le traitement des leucémies et des transplantions. Cependant, la cible biologique de ce composé reste un mystère à ce jour. Ainsi la seconde partie de ce mémoire mettra de l’avant la synthèse d’outils moléculaire à base de diazirines pour tenter de venir identifier la cible d’intérêt en utilisant la protéomique. / The human body is made up of more than 100 000 proteins which interact with each other to keep it functioning properly. However, it can happen that some of these proteins undergo a mutation which changes the balance of body functions such as cell proliferation. These mutations affecting cell proliferation can lead to cancer, a disease that is affecting more and more people around the world. To develop effective drugs against this disease, it is necessary to understand the biological mechanisms involved in order to establish a therapeutic approach. This understanding is particularly based on the use of molecular tools, small molecules with versatile chemical functions that can provide critical information for drug development. This thesis is devoted to the development of molecular tools through two projects with distinct objectives. The main objective of the first project was to deepen knowledge about the inhibition of the RAS protein, a GTPase responsible for more than 30% of cancers. To this end, the preferred approach has been the synthesis of peptide macrocycles binding to RAS cysteine 118 based on the structure of NS1 monobody. The crystal structures and proteomic data obtained have made it possible to identify key interactions between the RAS protein and a series of inhibitors seeking to emulate the biological effects of NS1. The second project focuses on the effects of compound UM171 on stem cells. Indeed, this small molecule can prevent the differentiation of hematopoietic stem cells and therefore allows their multiplication. This property is a source of hope in the treatment of leukemia and transplants. However, the biological target of this compound remains a mystery to this day. Thus, the second part of this thesis will focus on the synthesis of molecular tools based on diazirines in an attempt to identify the target of interest using proteomics.

L'insuffisance cardiaque (IC) est l'une des principales causes de décès dans le monde. Les maladies cardiovasculaires sont devenues une préoccupation majeure de santé publique et le resteront probablement à l'avenir avec le vieillissement de la population et l'augmentation du taux de survie des patients atteints de maladies cardiovasculaires. L'infarctus du myocarde (IM) est le principal facteur de risque favorisant le développement de l’IC. L'une des principales caractéristiques de l'IC est une dérégulation du fonctionnement du système nerveux autonome (SNA), en particulier une hyperactivité du système nerveux sympathique (SNS) qui contribue largement à la progression de la maladie et à l'augmentation de la morbidité. Le mécanisme de l'hyperactivité du SNS n'est que partiellement connu. En ce qui concerne la progression de l'IM à l'IC, des études suggèrent un engagement concerté du cerveau (médulla), du nerf vague et des nerfs sympathiques, en plus du tissu cardiaque qui serait à l'origine de la maladie systémique. En plus des altérations du SNA, des exemples de comorbidités de l'IC comprennent des troubles cognitifs tel que l’anxiété et la dépression ainsi que des modifications atrophiques des régions cérébrales chez les patients atteints d'IC. L’ensemble, de ces données montrent l'importance du système nerveux central et périphérique dans l'IC. En plus du système nerveux cardiaque intrinsèque, qui comprend un réseau de ganglions intracardiaques et de neurones interconnectés, le coeur, en particulier l'épicarde, possède des milliers de neurones intégrés, dont beaucoup expriment le récepteur vanilloïde 1 (TRPV1). Au cours des dernières années, des études scientifiques ont montré que l'application épicardique de résinifératoxine (RTX), un agoniste spécifique de TRPV1, au moment de l'IM induit, conduit à une réduction de la fibrose cardiaque, prévient l'hyperactivation du SNS et améliore la fonction cardiaque dans plusieurs modèles. La thèse visait à mieux caractériser la fonction de ces fibres exprimant TRPV1 dans l'IM et l'IC qui en découle. Les principaux objectifs de présente étude sont les suivants : 1) Identifier si les fibres épicardiques exprimant TRPV1 entraînent des modifications des fonctions cérébrales. 2) Élucider les mécanismes moléculaires sous-jacents dans les tissus du système nerveux en aval des traitements IM et RTX en utilisant la protéomique ; et 3) Déterminer si les stimuli nociceptifs dans un modèle alternatif, C. elegans, via la modulation des récepteurs vanilloïdes orthologues par RTX, peuvent entraîner une modification du comportement et des mécanismes moléculaires associés aux effets induits par l'exposition à RTX. Pour répondre à ces 4 objectifs, nous avons combiné la dénervation des afférences sympathiques cardiaques, via l'application épicardique de RTX, avec un modèle IM validé. Des études comportementales ont été menées pour évaluer la dépression et l'anxiété des animaux après le début de l’IC. L'analyse protéomique a été réalisée sur plusieurs tissus dont le cortex frontal, le ventricule gauche, le bulbe rachidien (médulla), la moelle épinière et le nerf vague. Les principaux résultats de cette thèse ont montré que la dénervation afférente cardiaque sympathique par RTX atténue le remodelage cardiaque et restaure la fonction cardiaque lors d’un IM dans un modèle murin. L'analyse comportementale a démontré que les souris IM sont déprimées et anxieuses et que le traitement RTX réduit significativement l'expression du phénotype anxieux. La protéomique réalisée sur des cortex frontaux isolés a identifié des signatures protéiques uniques pour chacun des groupes (IM, RTX et IM/RTX), indiquant des voies partagées et uniques attribuées par IM et RTX. Les analyses bio-informatiques ont montré un enrichissement significatif des voies métaboliques dans tous les tissus et traitements, et à tout moment, suggérant un rôle central de la fonction mitochondriale après les traitements IM et RTX. Des voies fonctionnelles enrichies dans ces tissus, y compris le cytosquelette, les vésicules et la transduction du signal, peuvent être en aval des réponses initiées par les mitochondries en raison de modifications du taux d'impulsion neuronale après un IM ou d'une altération de la communication coeur-cerveau après l'application de RTX. Certaines voies et molécules communes ont aussi été observées chez C. elegans, comme la voie de signalisation de Wnt, ce qui suggère des effets semblable de RTX. La thèse contribue à une meilleure compréhension des mécanismes physiologiques des nerfs exprimant TRPV1 et offre des informations clés pour comprendre les mécanismes sous-jacents aux troubles neurologiques d'origine cardiaque. Le modèle de C. elegans peut servir de futur modèle pour tester des molécules pharmacologiquement actives pour de futures thérapeutiques. / Heart failure (HF) is one of the leading causes of death worldwide. Cardiovascular diseases are therefore becoming a major health problem and will probably continue to be so in the future with the aging of the population and the increase in the survival rate of patients with cardiovascular disease. Myocardial infarction (MI) is the main risk factor for developing HF. One of the prominent features of HF is a dysregulation in the functioning of the autonomic nervous system (ANS), in particular a sympathetic nervous system (SNS) hyperactivity that largely contributes to disease progression and increased morbidity. The mechanism for the SNS hyperactivity is only partially known. Regarding the progression from MI to HF, studies suggest a concerted engagement of the brain (medulla oblongata), the vagus nerve and the sympathetic nerves, in addition to cardiac tissue that are thought to instigate systemic disease. In addition to the alterations in the ANS, examples of HF comorbidities include cognitive impairment and atrophic changes in brain regions in HF patients. Together these data show the importance of the central and peripheral nervous system in HF. In addition to the intrinsic cardiac nervous system, which includes a network of intracardiac ganglia and interconnecting neurons, the heart, especially the epicardium, has thousands of embedded neurons, many of which express the transient receptor potential cation channel subfamily V member 1 (TRPV1). Over recent years studies have shown that the epicardial application of resiniferatoxin (RTX), a specific agonist of TRPV1, at the time of induced MI, leads to a reduction of cardiac fibrosis, prevents hyperactivation of the SNS and improves the heart function in several model systems. The thesis was aimed to better characterize the function of these TRPV1-positive fibers in MI and resulting HF. The main objectives of the current study were : 1) To identify whether the TRPV1 expressing epicardial fibers lead to changes in brain activity and function. 2) To elucidate the underlying molecular mechanisms in nervous system tissue downstream from MI and RTX treatments using proteomics; and 3) To determine if nociceptive stimuli in an alternate model, C. elegans, via the modulation of orthologous vanilloid receptors by RTX, can lead to altered behavior and molecular mechanisms associated with RTX exposureinduced effects. To meet these objectives, we combined denervation of cardiac sympathetic afferents, via epicardial application of RTX, with a validated MI model. Behavioral studies were carried out to evaluate the depression and anxiety of the animals after the onset of HFt. Proteomic 6 analysis was carried out on several tissues including the frontal cortex, left ventricle, medulla oblangata, spinal cord, and vagus nerve. The major findings of this thesis are that sympathetic cardiac afferent denervation by RTX attenuates cardiac remodeling and restores cardiac function during MI in a mouse model. Behavioral analysis demonstrated that MI mice are depressed and anxious and that RTX treatment significantly reduced the expression of the anxious phenotype. Proteomics performed on isolated frontal cortices identified unique protein signatures for each of the groups (MI, RTX and MI/RTX), indicating shared and unique pathways attributed by MI and RTX. Bioinformatic analyses showed a significant enrichment for metabolic pathways in all tissues and treatments, and at all time points, suggesting a central role of mitochondria function following MI and RTX treatments. Enriched functional pathways in these tissues, including cytoskeleton, vesicles, and signal transduction, may be downstream of mitochondria-initiated responses due to changes in neural impulse rate after MI or altered heart-brain communication following RTX application. Some common pathways and molecules were observed in C. elegans, such as the Wnt signaling pathway, suggesting similar effects of RTX. The current thesis contributes to a better understanding of the physiological mechanisms of the TRPV1 expressing nerves and offers key information to understand the mechanisms underlying neurological disorders of cardiac origin. The C. elegans model may serve as a future model for testing pharmacologically active molecules for future therapeutics.

Afin de pallier le manque de précision dans l’estimation du sexe via les méthodes morphologiques, surtout dans le cas des juvéniles, diverses méthodes basées sur la génétique ont été appliquées en bioarchéologie. Outre l’analyse de l’ADN ancien, la présence dans l’émail de certaines protéines associées au sexe, telle que l’amélogénine, permet d’apporter des informations hautement précises. Le présent mémoire a donc pour objectif d’appliquer cette méthode sur un échantillon archéologique issu de trois cimetières euro-québécois en vue de comparer les résultats avec les données ostéologiques antérieures. Afin d’extraire l’amélogénine, l’émail de molaires de 47 individus a subi une abrasion minimale à l’acide et les échantillons extraits ont ensuite été analysés au spectromètre de masse. Les résultats indiquant la présence ou l’absence de différentes chaînes de peptides (N = 40) associées au chromosome X (AMELX) ou au chromosome Y (AMELY), nous ont permis d’estimer le sexe de chaque individu (masculin = présence d’au moins une des 18 chaînes de peptides d’AMELY; féminin = absence de chaînes de peptides d’AMELY). Les résultats issus de la protéomique sont presque tous en accord (85 %) avec les données ostéologiques. Pour les individus adultes (N = 24), l’accord inter-méthodologique est presque parfait et hautement significatif. Pour les individus juvéniles, les résultats ont été soit confirmés (N = 10), modifiés (N = 6) ou attribués (N = 7) par la protéomique. Dans notre échantillon, on remarque qu’il y a plus de femmes et de filles que d’hommes et de garçons. L’apport de données protéomiques pour l’estimation du sexe des juvéniles est non négligeable et propose des avenues de recherches intéressantes pour les futures analyses qui concernent la mortalité reliée au sexe dont celle des enfants. / In order to compensate for the lack of accuracy for sex estimation especially for juveniles, various methods based on genetics were applied in bioarchaeology. Apart from ancient DNA, the presence of some sex-related proteins such as the amelogenin in tooth enamel can yield precise information in this regard. The objective of this thesis was therefore to apply this method on an archaeological sample originating from three euro-Canadian cemeteries, in order to compare the results with those obtained from the previous osteological data. To extract amelogenin the enamel of molars sampled from 47 individuals went through a minimal abrasion using acid and the sample was then analyzed by mass spectrometry. The results indicated the presence or absence of different peptide chains (N = 40) associated with the X (AMELX) or Y (AMELY) chromosome, allowing us to estimate the sex of each individual (male = presence of at least one of the 18 Y-coding peptide chains; female = absence of Y-coding peptide chains). The results from proteomics were almost completely in agreement (85 %) with the osteological data. For the adults (N= 24), the inter-methodological agreement was nearly perfect and highly significant. For the juveniles, the results were either confirmed (N = 10), modified (N = 6) or even assigned for the first time (N = 7) by proteomics. In our sample, there are more women and girls than men and boys. The proteomic analysis brings substantial data for both adults and children sex determination and provide interesting research avenues for the future analysis of mortality linked to sex, especially for juvenile samples.

On retrouve dans le complexe Chrosomus eos-neogaeus une forme cybride ayant le génome nucléaire de C. eos et le génome mitochondrial de C. neogaeus. Ce modèle particulier fournit une occasion unique d’étudier l’influence d’une mitochondrie exogène sur le métabolisme et la physiologie d'organismes vivant en milieu naturel, et s'étant donc adaptés à cette situation cellulaire atypique. La mitochondrie jouant un rôle fondamental vital, nous nous attendons à ce que la présence d’une mitochondrie exogène chez la forme cybride ait un impact sur l’expression de son génome et du protéome qui en découle. L’objectif de ce projet est d’étudier les différences au niveau protéomique entre des individus C. eos purs (forme sauvage) et des cybrides provenant d'habitats similaires afin de faire ressortir au maximum les différences dues à la présence de mitochondries C. neogaeus chez la forme cybride. Pour ce faire, nous avons comparé les protéomes des formes cybride et sauvage en utilisant l'électrophorèse en deux dimensions. Un sous-groupe de protéines produisant un signal spécifique révélé par l’analyse comparative a été identifié et analysé par spectrométrie de masse (LC/MS). Les résultats indiquent que la présence de mitochondries C. neogaeus chez le cybride influence fortement la régulation génique chez ce dernier. De plus, les protéines identifiées apportent des pistes intéressantes supportant l'hypothèse que la présence de mitochondries C. neogaeus chez le cybride rendrait ce biotype plus résistant au froid que la forme sauvage. / The Chrosomus eos-neogaeus genetic complex regroups different forms of hybrids of these two species, among which a cybrid form, that harbours the nuclear genome of C. eos and the mitochondria of C. neogaeus. This peculiar model is thus a unique opportunity to study the influence of an exogenous mitochondria on the metabolism and cellular physiology in a living animal in the wild, and thus perfectly adapted to this atypical cellular environment. Mitochondria being at the core of fundamental biological processes, we expect that the presence of foreign mitochondria will modify gene expression and the resulting proteome of these fishes. The overall goal of this master thesis is thus to compare the proteome of pure (wild type) C. eos with the cybrid form sampled in similar lakes from the same geographical area so that most differences could be attributed to the different mitochondrial genomes. To achieve this goal, we used two dimensional electrophoresis. We selected a sub-group of proteins that showed the most extreme expression differences and identified these spots by mass spectrometric analyses (LC/MS). Results demonstrate that C. neogaeus mitochondria has a strong influence on gene expression in cybrid. Proteins identified bring new clues supporting the hypothesis that cybrid are more cold tolerant than the wild type biotype.

L’autophagie est une voie hautement conservée de dégradation lysosomale des constituants cellulaires qui est essentiel à l’homéostasie cellulaire et contribue à l’apprêtement et à la présentation des antigènes. Les rôles relativement récents de l'autophagie dans l'immunité innée et acquise sous-tendent de nouveaux paradigmes immunologiques pouvant faciliter le développement de nouvelles thérapies où la dérégulation de l’autophagie est associée à des maladies auto-immunes. Cependant, l'étude in vivo de la réponse autophagique est difficile en raison du nombre limité de méthodes d'analyse pouvant fournir une définition dynamique des protéines clés impliquées dans cette voie. En conséquence, nous avons développé un programme de recherche en protéomique intégrée afin d’identifier et de quantifier les proteines associées à l'autophagie et de déterminer les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l’autophagosome dans la présentation antigénique en utilisant une approche de biologie des systèmes. Pour étudier comment l'autophagie et la présentation antigénique sont activement régulés dans les macrophages, nous avons d'abord procédé à une étude protéomique à grande échelle sous différentes conditions connues pour stimuler l'autophagie, tels l’activation par les cytokines et l’infection virale. La cytokine tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) est l'une des principales cytokines pro-inflammatoires qui intervient dans les réactions locales et systémiques afin de développer une réponse immune adaptative. La protéomique quantitative d'extraits membranaires de macrophages contrôles et stimulés avec le TNF-alpha a révélé que l'activation des macrophages a entrainé la dégradation de protéines mitochondriales et des changements d’abondance de plusieurs protéines impliquées dans le trafic vésiculaire et la réponse immunitaire. Nous avons constaté que la dégradation des protéines mitochondriales était sous le contrôle de la voie ATG5, et était spécifique au TNF-alpha. En outre, l’utilisation d’un nouveau système de présentation antigènique, nous a permi de constater que l'induction de la mitophagie par le TNF-alpha a entrainée l’apprêtement et la présentation d’antigènes mitochondriaux par des molécules du CMH de classe I, contribuant ainsi la variation du répertoire immunopeptidomique à la surface cellulaire. Ces résultats mettent en évidence un rôle insoupçonné du TNF-alpha dans la mitophagie et permet une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la présentation d’auto-antigènes par les molécules du CMH de classe I. Une interaction complexe existe également entre infection virale et l'autophagie. Récemment, notre laboratoire a fourni une première preuve suggérant que la macroautophagie peut contribuer à la présentation de protéines virales par les molécules du CMH de classe I lors de l’infection virale par l'herpès simplex virus de type 1 (HSV-1). Le virus HSV1 fait parti des virus humains les plus complexes et les plus répandues. Bien que la composition des particules virales a été étudiée précédemment, on connaît moins bien l'expression de l'ensemble du protéome viral lors de l’infection des cellules hôtes. Afin de caractériser les changements dynamiques de l’expression des protéines virales lors de l’infection, nous avons analysé par LC-MS/MS le protéome du HSV1 dans les macrophages infectés. Ces analyses nous ont permis d’identifier un total de 67 protéines virales structurales et non structurales (82% du protéome HSV1) en utilisant le spectromètre de masse LTQ-Orbitrap. Nous avons également identifié 90 nouveaux sites de phosphorylation et de dix nouveaux sites d’ubiquitylation sur différentes protéines virales. Suite à l’ubiquitylation, les protéines virales peuvent se localiser au noyau ou participer à des événements de fusion avec la membrane nucléaire, suggérant ainsi que cette modification pourrait influer le trafic vésiculaire des protéines virales. Le traitement avec des inhibiteurs de la réplication de l'ADN induit des changements sur l'abondance et la modification des protéines virales, mettant en évidence l'interdépendance des protéines virales au cours du cycle de vie du virus. Compte tenu de l'importance de la dynamique d'expression, de l’ubiquitylation et la phosphorylation sur la fonction des proteines virales, ces résultats ouvriront la voie vers de nouvelles études sur la biologie des virus de l'herpès. Fait intéressant, l'infection HSV1 dans les macrophages déclenche une nouvelle forme d'autophagie qui diffère remarquablement de la macroautophagie. Ce processus, appelé autophagie associée à l’enveloppe nucléaire (nuclear envelope derived autophagy, NEDA), conduit à la formation de vésicules membranaires contenant 4 couches lipidiques provenant de l'enveloppe nucléaire où on retrouve une grande proportion de certaines protéines virales, telle la glycoprotéine B. Les mécanismes régissant NEDA et leur importance lors de l’infection virale sont encore méconnus. En utilisant un essai de présentation antigénique, nous avons pu montrer que la voie NEDA est indépendante d’ATG5 et participe à l’apprêtement et la présentation d’antigènes viraux par le CMH de classe I. Pour comprendre l'implication de NEDA dans la présentation des antigènes, il est essentiel de caractériser le protéome des autophagosomes isolés à partir de macrophages infectés par HSV1. Aussi, nous avons développé une nouvelle approche de fractionnement basé sur l’isolation de lysosomes chargés de billes de latex, nous permettant ainsi d’obtenir des extraits cellulaires enrichis en autophagosomes. Le transfert des antigènes HSV1 dans les autophagosomes a été determine par protéomique quantitative. Les protéines provenant de l’enveloppe nucléaire ont été préférentiellement transférées dans les autophagosome lors de l'infection des macrophages par le HSV1. Les analyses protéomiques d’autophagosomes impliquant NEDA ou la macroautophagie ont permis de decouvrir des mécanismes jouant un rôle clé dans l’immunodominance de la glycoprotéine B lors de l'infection HSV1. Ces analyses ont également révélées que diverses voies autophagiques peuvent être induites pour favoriser la capture sélective de protéines virales, façonnant de façon dynamique la nature de la réponse immunitaire lors d'une infection. En conclusion, l'application des méthodes de protéomique quantitative a joué un rôle clé dans l'identification et la quantification des protéines ayant des rôles importants dans la régulation de l'autophagie chez les macrophages, et nous a permis d'identifier les changements qui se produisent lors de la formation des autophagosomes lors de maladies inflammatoires ou d’infection virale. En outre, notre approche de biologie des systèmes, qui combine la protéomique quantitative basée sur la spectrométrie de masse avec des essais fonctionnels tels la présentation antigénique, nous a permis d’acquérir de nouvelles connaissances sur les mécanismes moléculaires régissant les fonctions de l'autophagie lors de la présentation antigénique. Une meilleure compréhension de ces mécanismes permettra de réduire les effets nuisibles de l'immunodominance suite à l'infection virale ou lors du développement du cancer en mettant en place une réponse immunitaire appropriée. / Autophagy is a highly conserved lysosomal-mediated protein degradation pathway that plays a crucial role in maintaining cellular homeostasis and contributes to antigen processing and presentation. The emerging roles of autophagy in both innate and adaptive immunity underpin novel immunological paradigms that may provide opportunities for the development of new therapies where impaired autophagy is associated with autoimmune diseases. However, the in vivo study of autophagic response is challenging in view of the limited number of analytical approaches that can provide a dynamic definition of the key proteins involved in this pathway. Accordingly, we developed an integrated proteomics research program to unravel the molecular machines associated with autophagy and to decipher the fine details of the molecular mechanisms governing the functions of the autophagosome in antigen presentation using a systems biology approach. To study how autophagy and antigen presentation are actively modulated in macrophages, we first conducted comprehensive, global proteomics studies under different conditions known to stimulate autophagy. Autophagy is modulated by cytokines as well as by viral infection in various ways. TNF-alpha is one of the major proinflammatory cytokines that mediate local and systemic responses and direct the development of adaptive immunity. Label-free quantitative proteomics analysis of membrane extracts from TNF-alpha activated and resting macrophages revealed that TNF-alpha activation led to the downregulation of mitochondrial proteins and the differential regulation of several proteins involved in vesicle trafficking and immune response. Importantly, we found that the downregulation of mitochondria proteins occurred through Atg5-dependent mitophagy, and was specific to TNF-alpha. Furthermore, using a novel antigen presentation system, we observed that the induction of mitophagy by TNF-alpha enabled the processing and presentation of mitochondrial antigens at the cell surface by MHC class I molecules, suggesting that TNF-alpha induced mitophagy contributes to the modification of the MHC class I peptide repertoire. These findings highlight an unsuspected role of TNF-alpha in mitophagy and expanded our understanding of the mechanisms responsible for MHC class I presentation of self-antigens. A complex interplay also exists between viral infection and autophagy. Recently, our lab provided the first evidence that macroautophagy can contribute to the presentation of viral proteins on MHC class I molecules during Herpes Simplex Virus type 1 (HSV1) infection. HSV1 are among the most complex and widespread human viruses. While the composition of viral particles has been studied, less is known about the expression of the whole viral proteome in infected cells. To comprehensively characterize the system, we analyzed the proteome of the prototypical HSV1 in infected macrophages by LC-MS/MS. We achieved a very high level of protein coverage and identified a total of 67 structural and non-structural viral proteins (82% of the HSV1 proteome) using LC-MS/MS on a LTQ-Orbitrap instrument. We also obtained a comprehensive map of 90 novel phosphorylation sites and ten novel ubiquitylation sites on different viral proteins. Interestingly all ubiquitylated proteins could either localize to the nucleus or participate in membrane fusion events, suggesting that ubiquitylation of viral proteins might affect their trafficking. Treatment with inhibitors of DNA replication induced changes of both viral protein abundance and modifications, highlighting the interdependence of viral proteins during the life cycle of the virus. Given the importance of expression dynamics, ubiquitylation and phosphorylation for protein function, these findings will serve as important tools for future studies on herpes virus biology. Interestingly, HSV1 infection in macrophages triggers a novel form of autophagy which remarkably differs in many ways from macroautophagy. This process, referred to as nuclear envelope-derived autophagy (NEDA), leads to the formation of 4-membrane layered vesicles originating from the nuclear envelope where some viral protein such as glycoprotein B are highly enriched. To which extent this process differs from macroautophagy and participates in the pathogenesis of HSV infection is still largely unknown. Using a novel antigen presentation assay we could show that NEDA is an Atg5-independent pathway that participates in the capture of viral proteins, and their processing and presentation on MHC class I molecules. To understand the involvement of NEDA in antigen presentation it is crucial to characterize the autophagosomal proteome in HSV1 infected macrophages. We developed a novel isolation method based on the loading of the lysosomal compartment with latex beads, a unique tool to obtain very pure cell extracts, upon autophagy induction. The transfer of HSV1 antigens into autophagosomes was monitored using quantitative proteomics. Nuclear enveloped-derived proteins were preferentially transferred to the autophagosome during HSV1 infection. Detailed proteomics characterization of autophagosomes formed during NEDA and macroautophagy led to the discovery of mechanisms that play a key role in glycoprotein B immunodominance during HSV1 infection. These analyses also revealed that various autophagic pathways can be induced to promote the capture of selective sets of viral proteins, thus actively shaping the nature of the immune response during infection. In conclusion, the application of quantitative proteomics methods played a key role in identifying and quantifying important regulators of autophagy in macrophages and allowed us to identify changes occurring during the remodeling of autophagosomes in response to disease and inflammatory conditions such as viral infections. Furthermore, our systems biology approach that combined mass spectrometry-based quantitative proteomics with functional screens such as antigen presentation assays revealed novel biological insights on the molecular mechanisms governing the functions of autophagy in antigen presentation. Harnessing the contribution of autophagy in antigen presentation has the potential to minimize the deleterious effects of immunodominance in viral infection and cancer by shaping an appropriate immune response.

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi. / In eukaryotic cells, the lengthy DNA biopolymer is condensed into the cell nucleus with the aid of small packaging proteins called histones. In addition to their packing functions,histones are also targets of numerous post translational modifications (PTMs), especially on their N-terminus. These reversible modifications are believed to be constituents of a heritable epigenetic “histone code” that dynamically orchestrate and modulate chromatin based events such as gene activation and silencing, DNA replication and repair, and are also involved in the downstream signaling and progression of cancers, such as leukemia. Thus, the elucidation of histone PTMs is important in understanding their biological function. An analytical workflow was designed and set-up in the laboratory to isolate, detect, and quantitate histone PTM, using a two-pronged, unbiased, and rapid approach with specialized bioinformatic tools. The workflow was validated using histones from wildtype, and 2 mutants deficient in acetyltransferase activity. Between the three histone sources, the only PTM that demonstrated any change was acetylation at histone H3 lysine 56 (H3K56ac). The down-regulation and stoichiometry of this PTM was accurately assessed between wild-type and mutant cells. The versatile scan functions of a hybrid quadrupole-linear ion trap instrument were exploited to enhance the detection of intact histone proteins. The enhanced multiply charged (EMC) scan was modified in order to contain and detect intact protein ions within the linear ion trap. This targeted EMC (or tEMC) resulted in not only a 4-fold increase in signal-to-noise, but also a 5-fold increase in resolution. Furthermore, the charge separation capability of the tEMC dramatically reduced space charge effects within the linear ion trap. The superior resolution of the tEMC mode allowed for the discimination of many modified histone isoforms, especially for histone H3. Using the bottom-up strategy with multiple reaction monitoring (MRM), histone peptides were quantified and sequenced with a high degree of precision. The only PTM that was down-regulated between wild-type and DOT1L mutant histones was methylation at histone H3 lysine 79 (H3K79me1). The effects of two clinically relevant small molecule HDAC inhibitors (HDACi) on histone PTMs patterns were assessed using the analytical workflow developed. Histones derived from both normal and cancer cells were exposed to either Vorinostat (SAHA) or Entinostat (MS-275) over a 24- to 72 hour period. The two core histones primarily affected were H3 and H4. Surprisingly, the same effects were not observed when normal cells were treated with three doses of SAHA at 24-hour intervals over a 72-hour period. An absolute quantitation method using a calibration curve was developed for H3K56ac. In opposition to other published literature, our findings demonstrate that this PTM is present in very low stoichiometry (< 0.1%) in mammalian cells, and exhibits no significant up-regulation in different cell lines treated with several types of HDACi.

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.

Le virus Herpès simplex de type 1 (HSV-1), agent étiologique des feux sauvages, possède une structure multicouche comprenant une capside icosaédrale qui protège le génome viral d’ADN, une couche protéique très structurée appelée tégument et une enveloppe lipidique dérivant de la cellule hôte et parsemée de glycoprotéines virales. Tous ces constituants sont acquis séquentiellement à partir du noyau, du cytoplasme et du réseau trans-golgien. Cette structure multicouche confère à HSV-1 un potentiel considérable pour incorporer des protéines virales et cellulaires. Toutefois, l’ensemble des protéines qui composent ce virus n’a pas encore été élucidé. De plus, malgré son rôle critique à différentes étapes de l’infection, le tégument demeure encore mal défini et ce, tant dans sa composition que dans la séquence d’addition des protéines qui le composent. Toutes ces incertitudes quant aux mécanismes impliqués dans la morphogenèse du virus nous amènent à l’objectif de ce projet, soit la caractérisation du processus de maturation d’HSV-1. Le premier article présenté dans cette thèse et publié dans Journal of Virology s’attarde à la caractérisation protéique des virus extracellulaires matures. Grâce à l’élaboration d’un protocole d’isolation et de purification de ces virions, une étude protéomique a pu être effectuée. Celle-ci nous a permis de réaliser une cartographie de la composition globale en protéines virales des virus matures (8 protéines de la capside, 23 protéines du tégument et 13 glycoprotéines) qui a fait la page couverture de Journal of Virology. De plus, l’incorporation potentielle de 49 protéines cellulaires différentes a été révélée. Lors de cette étude protéomique, nous avons aussi relevé la présence de nouveaux composants du virion dont UL7, UL23, ICP0 et ICP4. Le deuxième article publié dans Journal of General Virology focalise sur ces protéines via une analyse biochimique afin de mieux comprendre les interactions et la dynamique du tégument. Ces résultats nous révèlent que, contrairement aux protéines ICP0 et ICP4, UL7 et UL23 peuvent être relâchées de la capside en présence de sels et que les cystéines libres jouent un rôle dans cette relâche. De plus, cet article met en évidence la présence d’ICP0 et d’ICP4 sur les capsides nucléaires suggérant une acquisition possible du tégument au noyau. La complexité du processus de morphogenèse du virus ainsi que la mise en évidence d’acquisition de protéines du tégument au noyau nous ont incités à poursuivre nos recherches sur la composition du virus à un stade précoce de son cycle viral. Les capsides C matures, prémisses des virus extracellulaires, ont donc été isolées et purifiées grâce à un protocole innovateur basé sur le tri par cytométrie en flux. L’analyse préliminaire de ces capsides par protéomique a permis d’identifier 28 protéines virales et 39 protéines cellulaires. Les données recueilles, comparées à celles obtenues avec les virus extracellulaires, suggèrent clairement un processus séquentiel d’acquisition des protéines du tégument débutant dans le noyau, site d’assemblage des capsides. Finalement, tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation d’HSV-1 via l’utilisation de techniques variées et innovatrices, telles que la protéomique et la cytométrie en flux, pouvant être appliquées à d’autres virus mais aussi permettre le développement de meilleurs traitements pour vaincre l’HSV-1. / Herpes simplex virus type 1 (HSV-1), the etiological agent of cold sores, has a multilayered structure that includes an icosahedral capsid that protects the viral DNA genome, a highly structured proteinaceous layer called tegument and a host-derived lipid envelope studded with viral glycoproteins. All these constituents are sequentially acquired from the nucleus, the cytoplasm and the trans-Golgi network. This multilayered structure confers to HSV-1 a considerable potential to incorporate viral and cellular proteins; however, all the proteins that compose this virus have not yet been elucidated. Moreover, despite its critical role at different stages of infection, the tegument is still poorly defined both in its composition and its sequence of addition of proteins. All these uncertainties about the mechanisms involved in the morphogenesis of the virus lead us to the goal of this project, which is the characterization of the maturation process of HSV-1. The first article presented in this thesis and published in Journal of Virology focuses on the protein characterization of extracellular mature virus. After developing a protocol for the isolation and purification of these virions, a proteomics study was performed. It allowed us to map the global viral protein composition of mature virions (8 capsid proteins, 23 tegument proteins and 13 glycoproteins), which made the cover page of Journal of Virology. Moreover, the potential incorporation of 49 cellular proteins was revealed. During this proteomics study, we confirmed the incorporation of novel virion components including UL7, UL23, ICP0 and ICP4. The second article published in Journal of General Virology focuses on these viral proteins by using a biochemical analysis to better understand the interactions and dynamic of the tegument. Our results revealed that, unlike ICP0 and ICP4 proteins, UL7 and UL23 can be released from the capsid in the presence of salts and that free cysteines play a role in this release. Moreover, this article highlights the presence of ICP0 and ICP4 on the nuclear capsids suggesting a potential acquisition of tegument proteins in the nucleus. The complexity of the viral morphogenesis process and the discovery of the tegument acquisition in the nucleus led us to pursue our research on the virus composition at an early stage of its viral cycle. The nuclear C capsids, precursors to the extracellular virus, were isolated and purified with an innovative protocol based on fluorescence activated cell sorting (FACS). The preliminary analysis of these capsids by proteomics allows us to identify 28 viral proteins and 39 cellular proteins. The collected data, compared to those obtained with extracellular viruses, clearly suggest a sequential process of tegument proteins acquisition starting in the nucleus, the assembly site of HSV-1 capsids. Finally, all these results contribute to a better understanding of the complex process of HSV-1 maturation by using varied and innovative techniques such as proteomic and FACS, which can be applied to other viruses and allow the development of better treatments to fight HSV-1.