La phosphorylation est une modification post-traductionnelle omniprésente des protéines Cette modification est ajoutée et enlevée par l’activité enzymatique respective des protéines kinases et phosphatases. Les kinases Erk1/2 sont au cœur d’une voie de signalisation importante qui régule l’activité de protéines impliquées dans la traduction, le cycle cellulaire, le réarrangement du cytosquelette et la transcription. Ces kinases sont aussi impliquées dans le développement de l’organisme, le métabolisme du glucose, la réponse immunitaire et la mémoire. Différentes pathologies humaines comme le diabète, les maladies cardiovasculaires et principalement le cancer, sont associées à une perturbation de la phosphorylation sur les différents acteurs de cette voie. Considérant l’importance biologique et clinique de ces deux kinases, connaître l’étendue de leur activité enzymatique pourrait mener au développement de nouvelles thérapies pharmacologiques. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était de mesurer l’influence de cette voie sur le phosphoprotéome et de découvrir de nouveaux substrats des kinases Erk1/2. Une étude phosphoprotéomique de cinétique d’inhibition pharmacologique de la voie de signalisation Erk1/2 a alors été entreprise. Le succès de cette étude était basé sur trois technologies clés, soit l’enrichissement des phosphopeptides avec le dioxyde de titane, la spectrométrie de masse haut débit et haute résolution, et le développement d’une plateforme bio-informatique nommée ProteoConnections. Cette plateforme permet d’organiser les données de protéomique, évaluer leur qualité, indiquer les changements d’abondance et accélérer l’interprétation des données. Une fonctionnalité distinctive de ProteoConnections est l’annotation des sites phosphorylés identifiés (kinases, domaines, structures, conservation, interactions protéiques phospho-dépendantes). Ces informations ont été essentielles à l’analyse des 9615 sites phosphorylés sur les 2108 protéines identifiées dans cette étude, soit le plus large ensemble rapporté chez le rat jusqu’à ce jour. L’analyse des domaines protéiques a révélé que les domaines impliqués dans les interactions avec les protéines, les acides nucléiques et les autres molécules sont les plus fréquemment phosphorylés et que les sites sont stratégiquement localisés pour affecter les interactions. Un algorithme a été implémenté pour trouver les substrats potentiels des kinases Erk1/2 à partir des sites identifiés selon leur motif de phosphorylation, leur cinétique de stimulation au sérum et l’inhibition pharmacologique de Mek1/2. Une liste de 157 substrats potentiels des kinases Erk1/2 a ainsi été obtenue. Parmi les substrats identifiés, douze ont déjà été rapportés et plusieurs autres ont des fonctions associées aux substrats déjà connus. Six substrats (Ddx47, Hmg20a, Junb, Map2k2, Numa1, Rras2) ont été confirmés par un essai kinase in vitro avec Erk1. Nos expériences d’immunofluorescence ont démontré que la phosphorylation de Hmg20a sur la sérine 105 par Erk1/2 affecte la localisation nucléocytoplasmique de cette protéine. Finalement, les phosphopeptides isomériques positionnels, soit des peptides avec la même séquence d’acides aminés mais phosphorylés à différentes positions, ont été étudiés avec deux nouveaux algorithmes. Cette étude a permis de déterminer leur fréquence dans un extrait enrichi en phosphopeptides et d’évaluer leur séparation par chromatographie liquide en phase inverse. Une stratégie analytique employant un des algorithmes a été développée pour réaliser une analyse de spectrométrie de masse ciblée afin de découvrir les isomères ayant été manqués par la méthode d’analyse conventionnelle. / Phosphorylation is an omnipresent post-translational modification of proteins that regulates numerous cellular processes. This modification is controlled by the enzymatic activity of protein kinases and phosphatases. Erk1/2 kinases are central to an important signaling pathway that modulates translation, cell cycle, cytoskeleton rearrangement and transcription. They are also implicated in organism development, glucose metabolism, immune response and memory. Different human pathologies such as diabetes, cardiovascular diseases, and most importantly cancer, are associated with misregulation or mutations in members of this pathway. Considering the biological and clinical importance of those two kinases, discovering the extent of their enzymatic activity could favor the development of new pharmacological therapies. In this context, the principal objective of this thesis was to measure the influence of this pathway on the phosphoproteome and to discover new substrates of the Erk1/2 kinases. A phosphoproteomics study on the pharmacological inhibition kinetics of the Erk1/2 signaling pathway was initiated. The success of this study was based on three key technologies such as phosphopeptides enrichment with titanium dioxide, high-throughput and high-resolution mass spectrometry, and the development of ProteoConnections, a bioinformatics analysis platform. This platform is dedicated to organize proteomics data, evaluate data quality, report changes of abundance and accelerate data interpretation. A distinctive functionality of ProteoConnections is the annotation of phosphorylated sites (kinases, domains, structures, conservation, phospho-dependant protein interactions, etc.). This information was essential for the dataset analysis of 9615 phosphorylated sites identified on 2108 proteins during the study, which is, until now, the largest one reported for rat. Protein domain analysis revealed that domains implicated in proteins, nucleic acids and other molecules binding were the most frequently phosphorylated and that these sites are strategically located to affect the interactions. An algorithm was implemented to find Erk1/2 kinases potential substrates of identified sites using their phosphorylation motif, serum stimulation and Mek1/2 inhibition kinetic profile. A list of 157 potential Erk1/2 substrates was obtained. Twelve of them were previously reported and many more have functions associated to known substrates. Six substrates (Ddx47, Hmg20a, Junb, Map2k2, Numa1, and Rras2) were confirmed by in vitro kinase assays with Erk1. Our immunofluorescence experiments demonstrated that the phosphorylation of Hmg20a on serine 105 by Erk1/2 affects the nucleocytoplasmic localization of this protein. Finally, phosphopeptides positional isomers, peptides with the same amino acids sequence but phosphorylated at different positions, were studied with two new algorithms. This study allowed us to determine their frequency in an enriched phosphopeptide extract and to evaluate their separation by reverse-phase liquid chromatography. An analytical strategy that uses one of the algorithms was developed to do a targeted mass spectrometry analysis to discover the isomers that had been missed by the conventional method.

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle modulant l’activité, la conformation ou la localisation d’une protéine et régulant divers processus. Les kinases et phosphatases sont responsables de la dynamique de phosphorylation et agissent de manière coordonnée. L’activation anormale ou la dérégulation de kinases peuvent conduire au développement de cancers ou de désordres métaboliques. Les récepteurs tyrosine kinase (RTKs) sont souvent impliqués dans des maladies et la compréhension des mécanismes régissant leur régulation permet de déterminer les effets anticipés sur leurs substrats. Dans ce contexte, le but de cette thèse est d’identifier les évènements de phosphorylation intervenant dans la voie de l’insuline chez la drosophile impliquant un RTK : le récepteur de l’insuline (InR). La cascade de phosphorylation déclenchée suite à l’activation du récepteur est conservée chez le mammifère. Afin d’étudier le phosphoprotéome de cellules S2 de drosophile, nous avons utilisé une étape d’enrichissement de phosphopeptides sur dioxyde de titane suivie de leur séparation par chromatographie liquide (LC) et mobilité ionique (FAIMS). Les phosphopeptides sont analysés par spectrométrie de masse en tandem à haute résolution. Nous avons d’abord démontré les bénéfices de l’utilisation du FAIMS comparativement à une étude conventionnelle en rapportant une augmentation de 50 % dans le nombre de phosphopeptides identifiés avec FAIMS. Cette technique permet de séparer des phosphoisomères difficilement distinguables par LC et l’acquisition de spectres MS/MS distincts où la localisation précise du phosphate est déterminée. Nous avons appliqué cette approche pour l’étude des phosphoprotéomes de cellules S2 contrôles ou traitées à l’insuline et avons identifié 32 phosphopeptides (sur 2 660 quantifiés) pour lesquels la phosphorylation est modulée. Étonnamment, 50 % des cibles régulées possèdent un site consensus pour la kinase CK2. Une stratégie d’inhibition par RNAi a été implémentée afin d’investiguer le rôle de CK2 dans la voie de l’insuline. Nous avons identifié 6 phosphoprotéines (CG30085, su(var)205, scny, protein CDV3 homolog, D1 et mu2) positivement régulées suite à l’insuline et négativement modulées après le traitement par RNAi CK2. Par essai kinase in vitro, nous avons identifié 29 cibles directes de CK2 dont 15 corrélaient avec les résultats obtenus par RNAi. Nous avons démontré que la phosphorylation de su(var)205 (S15) était modulée par l’insuline en plus d’être une cible directe de CK2 suite à l’expérience RNAi et à l’essai kinase. L’analyse des données phosphoprotéomiques a mis en évidence des phosphopeptides isomériques dont certains étaient séparables par FAIMS. Nous avons déterminé leur fréquence lors d’études à grande échelle grâce à deux algorithmes. Le script basé sur les différences de temps de rétention entre isomères a identifié 64 phosphoisomères séparés par LC chez la souris et le rat (moins de 1 % des peptides identifiés). Chez la drosophile, 117 ont été répertoriés en combinaison avec une approche ciblée impliquant des listes d’inclusion. Le second algorithme basé sur la présence d’ions caractéristiques suite à la fragmentation de formes qui co-éluent a rapporté 23 paires isomériques. L’importance de pouvoir distinguer des phosphoisomères est capitale dans le but d’associer une fonction biologique à un site de phosphorylation précis qui doit être identifié avec confiance. / Phosphorylation is a reversible post-translational modification that modulates protein activity, and can impart conformational changes and affect translocation of their protein substrates. Kinases and phosphatases are responsible for the dynamic of changes in protein phosphorylation and act in a coordinated manner. Abnormal activation or misregulation of kinase activity can lead to the development of cancers and metabolic disorders. Tyrosine kinase receptor (RTK) associated signaling pathways are often implicated in numerous diseases and the further understanding of mechanisms affecting their regulation is necessary to determine their activity and effects anticipated on their substrates. In this context, the primary objective of this thesis is to study the phosphorylation events arising from the activation of the insulin receptor (InR) following stimulation of drosophila S2 cells with insulin. The phosphorylation cascade triggered after InR activation is conserved in mammals. In order to study the phosphoproteome of drosophila S2 cells, we enriched phosphopeptides on titanium dioxide (TiO2) stationary phase prior to their separation by liquid chromatography (LC) and ion mobility (FAIMS) mass spectrometry (MS). Phosphopeptides were then analysed by tandem MS at high resolution. We first compared the benefits of FAIMS to conventional LC-MS, and observed a 50% increase in the number of identified phosphopeptides when using ion mobility. FAIMS enables the separation of phosphoisomers that are typically unresolved by LC, enabling high confidence assignment of modification sites via distinct MS/MS spectra. This approach was used to profile phosphorylation changes taking place between control and insulin-treated drosophila cells and enabled the identification of 32 phosphopeptides (out of 2 660 quantified) showing differential regulation. Interestingly, 50% of the regulated targets have a CK2 consensus site. These preliminary experiments were followed-up by RNAi mediated inhibition of CK2 and revealed that 6 phosphoproteins (CG30085, su(var)205, scny, protein CDV3 homolog, D1 and mu2) were positively modulated after insulin stimulation and negatively regulated after CK2 RNAi treatment. Using in vitro kinase assay, we identified 29 direct CK2 targets, of which 15 were correlated with results from the CK2 RNAi experiment. We demonstrated specifically that the su(var)205 (S15) is regulated by insulin and is a direct CK2 target based on RNAi and kinase assays. Our phosphoproteomics data also highlighted the presence of isomeric phosphopeptides, several of which could be distinguished using FAIMS. We developed two algorithms to determine the occurrence of phosphoisomers in large scale studies. The first algorithm based on differences in retention times between isomers identified 64 candidates in mouse and rat phosphoproteome datasets corresponding to less than 1% of all identified phosphopeptides. We also identified 117 isomer candidates in drosophila using a targeted LC-MS/MS approach with inclusion lists. The second algorithm is based on the presence of characteristic fragment ions present in MS/MS spectra of co-eluting or partially resolved species and allowed the identification of 23 isomeric pairs. The ability to distinguish phosphoisomers in large-scale phosphoproteome datasets is of significance to correlate phosphorylation events taking place on specific residues with biological activities.

La Sclérose en plaques (SEP) est une maladie auto-immune inflammatoire démyélinisante du système nerveux central (SNC), lors de laquelle des cellules inflammatoires du sang périphérique infiltrent le SNC pour y causer des dommages cellulaires. Dans ces réactions neuroinflammatoires, les cellules immunitaires traversent le système vasculaire du SNC, la barrière hémo-encéphalique (BHE), pour avoir accès au SNC et s’y accumuler. La BHE est donc la première entité que rencontrent les cellules inflammatoires du sang lors de leur migration au cerveau. Ceci lui confère un potentiel thérapeutique important pour influencer l’infiltration de cellules du sang vers le cerveau, et ainsi limiter les réactions neuroinflammatoires. En effet, les interactions entre les cellules immunitaires et les parois vasculaires sont encore mal comprises, car elles sont nombreuses et complexes. Différents mécanismes pouvant influencer la perméabilité de la BHE aux cellules immunitaires ont été décrits, et représentent aujourd’hui des cibles potentielles pour le contrôle des réactions neuro-immunes. Cette thèse a pour objectif de décrire de nouveaux mécanismes moléculaires opérant au niveau de la BHE qui interviennent dans les réactions neuroinflammatoires et qui ont un potentiel thérapeutique pour influencer les interactions neuro-immunologiques. Ce travail de doctorat est séparé en trois sections. La première section décrit la caractérisation du rôle de l’angiotensine II dans la régulation de la perméabilité de la BHE. La seconde section identifie et caractérise la fonction d’une nouvelle molécule d’adhérence de la BHE, ALCAM, dans la transmigration de cellules inflammatoires du sang vers le SNC. La troisième section traite des propriétés sécrétoires de la BHE et du rôle de la chimiokine MCP-1 dans les interactions entre la BHE et les cellules souches. Dans un premier temps, nous démontrons l’importance de l’angiotensinogène (AGT) dans la régulation de la perméabilité de la BHE. L’AGT est sécrété par les astrocytes et métabolisé en angiotensine II pour pouvoir agir au niveau des CE de la BHE à travers le récepteur à l’angiotensine II, AT1 et AT2. Au niveau de la BHE, l’angiotensine II entraîne la phosphorylation et l’enrichissement de l’occludine au sein de radeaux lipidiques, un phénomène associé à l’augmentation de l’étanchéité de la BHE. De plus, dans les lésions de SEP, on retrouve une diminution de l’expression de l’AGT et de l’occludine. Ceci est relié à nos observations in vitro, qui démontrent que des cytokines pro-inflammatoires limitent la sécrétion de l’AGT. Cette étude élucide un nouveau mécanisme par lequel les astrocytes influencent et augmentent l’étanchéité de la BHE, et implique une dysfonction de ce mécanisme dans les lésions de la SEP où s’accumulent les cellules inflammatoires. Dans un deuxième temps, les techniques établies dans la première section ont été utilisées afin d’identifier les protéines de la BHE qui s’accumulent dans les radeaux lipidiques. En utilisant une technique de protéomique nous avons identifié ALCAM (Activated Leukocyte Cell Adhesion Molecule) comme une protéine membranaire exprimée par les CE de la BHE. ALCAM se comporte comme une molécule d’adhérence typique. En effet, ALCAM permet la liaison entre les cellules du sang et la paroi vasculaire, via des interactions homotypiques (ALCAM-ALCAM pour les monocytes) ou hétérotypiques (ALCAM-CD6 pour les lymphocytes). Les cytokines inflammatoires augmentent le niveau d’expression d’ALCAM par la BHE, ce qui permet un recrutement local de cellules inflammatoires. Enfin, l’inhibition des interactions ALCAM-ALCAM et ALCAM-CD6 limite la transmigration des cellules inflammatoires (monocytes et cellules T CD4+) à travers la BHE in vitro et in vivo dans un modèle murin de la SEP. Cette deuxième partie identifie ALCAM comme une cible potentielle pour influencer la transmigration de cellules inflammatoires vers le cerveau. Dans un troisième temps, nous avons pu démontrer l’importance des propriétés sécrétoires spécifiques à la BHE dans les interactions avec les cellules souches neurales (CSN). Les CSN représentent un potentiel thérapeutique unique pour les maladies du SNC dans lesquelles la régénération cellulaire est limitée, comme dans la SEP. Des facteurs qui limitent l’utilisation thérapeutique des CSN sont le mode d’administration et leur maturation en cellules neurales ou gliales. Bien que la route d’administration préférée pour les CSN soit la voie intrathécale, l’injection intraveineuse représente la voie d’administration la plus facile et la moins invasive. Dans ce contexte, il est important de comprendre les interactions possibles entre les cellules souches et la paroi vasculaire du SNC qui sera responsable de leur recrutement dans le parenchyme cérébral. En collaborant avec des chercheurs de la Belgique spécialisés en CSN, nos travaux nous ont permis de confirmer, in vitro, que les cellules souches neurales humaines migrent à travers les CE humaines de la BHE avant d’entamer leur différenciation en cellules du SNC. Suite à la migration à travers les cellules de la BHE les CSN se différencient spontanément en neurones, en astrocytes et en oligodendrocytes. Ces effets sont notés préférentiellement avec les cellules de la BHE par rapport aux CE non cérébrales. Ces propriétés spécifiques aux cellules de la BHE dépendent de la chimiokine MCP-1/CCL2 sécrétée par ces dernières. Ainsi, cette dernière partie suggère que la BHE n’est pas un obstacle à la migration de CSN vers le SNC. De plus, la chimiokine MCP-1 est identifiée comme un facteur sécrété par la BHE qui permet l’accumulation et la différentiation préférentielle de cellules souches neurales dans l’espace sous-endothélial. Ces trois études démontrent l’importance de la BHE dans la migration des cellules inflammatoires et des CSN vers le SNC et indiquent que de multiples mécanismes moléculaires contribuent au dérèglement de l’homéostasie du SNC dans les réactions neuro-immunes. En utilisant des modèles in vitro, in situ et in vivo, nous avons identifié trois nouveaux mécanismes qui permettent d’influencer les interactions entre les cellules du sang et la BHE. L’identification de ces mécanismes permet non seulement une meilleure compréhension de la pathophysiologie des réactions neuroinflammatoires du SNC et des maladies qui y sont associées, mais suggère également des cibles thérapeutiques potentielles pour influencer l’infiltration des cellules du sang vers le cerveau / Multiple Sclerosis is an inflammatory demyelinating disease in which immune cells from the peripheral blood infiltrate the central nervous system (CNS) to cause a pathologic neuroinflammatory reaction. Blood borne leucocytes cross the restrictive cerebral endothelium, the blood brain barrier (BBB), to gain access to the CNS parenchyma and cause cellular damage leading to the characteristic demyelinating lesions. The BBB is the interface between the blood and the CNS and as such is a critical mediator of neuro-immune reactions and an important therapeutic target to modulate neuroinflammation. It is essential to have a better understanding of the molecular mechanisms that regulate the BBB properties to elaborate new therapeutic strategies to modulate the BBB and thus the local neuroinflammation reaction. This Ph.D. thesis describes three distinct molecular mechanisms which regulate key BBB properties. The first section describes a novel role for the renin-angiotensin system (RAS) in the neuro-vascular unit (NVU) as a regulator of paracellular permeability. The second part of this thesis characterises the role of a novel adhesion molecule of the BBB, ALCAM. The third part of this work studies the interactions between neural stem cells (NSC) and the BBB and identifies MCP-1 as a critical factor involved in NSC recruitment to the CNS. In the first experimental section we provide evidence that angiotensinogen (AGT) produced and secreted by astrocytes, is cleaved into angiotensin II (AngII) and acts on type 1 angiotensin receptors (AT1) expressed by BBB endothelial cells (ECs). Activation of AT1 restricts the passage of molecular tracers across human BBB-derived ECs through threonine-phosphorylation of the tight junction protein occludin and its mobilization to lipid raft membrane microdomains. We also show that AGT knockout animals have disorganized occludin strands at the level of the BBB and a diffuse accumulation of the endogenous serum protein plasminogen in the CNS, as compared to wild type animals. Finally, we demonstrate a reduction in the number of AGT-immunopositive perivascular astrocytes in multiple sclerosis (MS) lesions, which correlates with a reduced expression of occludin similarly seen in the CNS of AGT knockout animals. Such a reduction in astrocyte-expressed AGT and AngII is dependent, in vitro, on the pro-inflammatory cytokines tumor necrosis factor-α and interferon-γ. Our study defines a novel physiological role for AngII in the CNS and suggests that inflammation-induced downregulation of AngII production by astrocytes is involved in BBB dysfunction in MS lesions. In the second experimental part we focus on adhesion molecules of the BBB. Using a lipid raft-based proteomic approach, we identified ALCAM (Activated leukocyte cell adhesion molecule) as an adhesion molecule involved in leukocyte migration across the BBB. ALCAM expressed on BBB endothelium co-localized with CD6 expressed on leukocytes and with BBB endothelium transmigratory cups. ALCAM expression on BBB cells was up-regulated in active multiple sclerosis and experimental auto-immune encephalomyelitis (EAE) lesions. Moreover, ALCAM blockade restricted transmigration of CD4+ lymphocytes and monocytes across BBB endothelium in vitro and in vivo, and reduced the severity and time of onset of EAE. Our findings point to an important role for ALCAM in leukocyte recruitment into the brain and identify ALCAM as a potential therapeutic target to dampen neuroinflammation. The third experimental part of this thesis studies the interactions between NCS and BBB. NCS represent an attractive source for cell transplantation and neural tissue repair. After systemic injection, NCS are confronted with the specialized BBB endothelial cells before they can enter the brain parenchyma. We investigated the interactions of human fetal neural precursor cells with human brain endothelial cells in an in vitro model using primary cultures. We demonstrated that human fetal neural precursor cells efficiently and specifically migrate to sub-endothelial space of human BBB-endothelium, but not pulmonary artery endothelial cells. When migrated across BBB-endothelial cells, fetal neural precursor cells spontaneously differentiate to neurons, astrocytes and oligodendrocytes. Effective migration and subsequent differentiation was found to be dependant on the chemokine CCL2/MCP-1, but not CXCL8/IL-8. Our findings suggest that an intact blood-brain barrier is not an intrinsic obstacle to neural stem cell migration into the brain and that differentiation of neural precursor cells occur in a sub-endothelial niche, under the influence of the chemokine CCL2/MCP-1. These three experimental sections demonstrate the crucial roles that the BBB plays in regulating the CNS homeostasis. Under pathological conditions, such as during neuro-immune reactions, the BBB is altered and becomes an important local player. The three different molecular mechanisms described in this thesis, contribute to our understanding of the BBB and may allow for the development of novel therapeutic strategies to limit neuroinflammation.

Le stress oxydant est un acteur clé dans les réponses des plantes à des conditions contraignantes. En raison de la complexité de la régulation de l’état redox cellulaire, il reste beaucoup à élucider concernant les interactions entre différentes composantes dans ces conditions. Grâce à une approche de génétique inverse basée sur un mutant d’Arabidopsis déficient en catalase (cat2) qui présente des modifications d’état redox prévisibles et bien définies, cette étude a exploré les interactions entre le stress oxydant et (1) un gène spécifique impliqué dans la déphosphorylation des protéines, (2) des enzymes spécifiques impliquées dans les systèmes antioxydants réducteurs. Les résultats obtenus révèlent que la sous-unité B'γ de la protéine phosphatase de type 2A (PP2A-B'γ) est importante dans la détermination des phénotypes et des réponses de défense photopériode-dépendantes chez cat2. En conditions de jours courts (SD), un double cat2 pp2a-b'γ mutant montrait une gamme de réponses qui n’étaient pas observées chez cat2. Ces effets comprenaient l’apparition de lésions ainsi que l’accumulation de l’acide salicylique et d’autres composés de défense. Des analyses métabolomiques et protéomiques ont permis de démontrer que ces effets étaient accompagnés de modifications de l’abondance de métabolites et protéines spécifiques, ainsi que des changements dans le statut de phosphorylation de certains polypeptides. Dans un deuxième volet du travail, l’importance d’une enzyme productrice du NADPH a été évaluée en produisant des doubles cat2 nadp-me2 mutants chez lesquels l’isoforme majeure de l’enzyme malique cytosolique n’est plus exprimée. Malgré une induction de cette enzyme par le stress oxydant aux niveaux de transcrits et d’activité, et une diminution importante de l’activité foliaire associée aux mutations nadp-me2, peu de différence a été observée entre les lignées cat2 et cat2 nadp-me2. De même, la mutation nadp-me2 n’a pas affecté la réponse phénotypique de plantes exposées à l’ozone. Dans la troisième partie du travail, le couplage entre les pools ascorbate et glutathion lors du stress oxydant a été exploré par l’introduction de mutations pour la déshydroascorbate réductase (DHAR) dans le fond génétique cat2. L’activité extractible de cette enzyme a été diminuée à des niveaux très faibles chez des lignées portant à la fois les mutations dhar1 et dhar3. Cependant, peu de différence a été observée dans les phénotypes et les statuts d’ascorbate et de glutathion chez un triple mutant cat2 dhar1 dhar3 par rapport à cat2. Des analyses préliminaires d’un quadruple cat2 dhar1 dhar2 dhar3 mutant semblent pourtant indiquer que les trois DHARs jouent des rôles fonctionnellement redondants dans le stress oxydant. Dans son ensemble, ces travaux apportent des données nouvelles sur les enzymes qui régulent les réponses aux stress oxydants et ont généré des outils intéressants pour des études ultérieures. / Oxidative stress is a key player in plant responses to challenging environmental conditions. The intricate nature of the regulation of cellular redox state means that much remains to be elucidated on interactions between different components in these conditions. By using a genetic approach based on a catalase-deficient Arabidopsis mutant (cat2) that presents well-defined, predictable changes in redox state, this study explored interactions between oxidative stress and (1) a specific gene involved in protein dephosphorylation, and (2) specific enzymes involved in the antioxidative/reducing system. The results showed that protein phosphatase 2 subunit B'γ (PP2A-B'γ) is involved in determining day length-dependent phenotypes and related defense responses in cat2. A cat2 pp2A-B'γ double mutant showed a range of responses that were not observed in cat2 grown in short days, including lesion formation and accumulation of salicylic acid (SA) and related metabolites. Metabolomics and proteomics analyses showed that these effects were associated with altered abundance of specific metabolites and proteins, as well as changes in protein phosphorylation status. A second part of the study investigated the importance of NADP-generating enzymes in oxidative stress by production of cat2 nadp-me2 double mutants, in which the cytosolic isoform of NADP-malic enzyme is knocked out. Although NADP-ME2 was shown to be induced by oxidative stress, and mutants for this gene had much decreased leaf NADP-malic enzyme activity, no effects on cat2 phenotypes or redox profiles were apparent. Similarly, phenotypic responses to ozone were not affected in an nadp-me2 single mutant. In the third part, coupling between ascorbate and glutathione pools during oxidative stress was investigated by introduction of loss of function mutations for dehydroascorbate reductase (DHAR) into the cat2 background. In lines carrying a combination of dhar1 and dhar3 mutations, extractable leaf activity was decreased to very low levels. Despite this, cat2 dhar1 dhar3 and cat2 phenotypes and ascorbate and glutathione pools were similar. However, preliminary functional analysis of a cat2 dhar1 dhar2 dhar3 quadruple mutant suggested that the three DHARs play functionally redundant roles in oxidative stress. Overall, the work provides new data on enzymes that regulate responses to oxidative stress and has produced interesting genetic tools for further study.

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Une importante avancée dans la compréhension des mécanismes gouvernant le processus de transport des ions iodures à l’intérieur des cellules thyroïdiennes a été le clonage en 1996 de la protéine responsable de ce transport : le symporteur Na/I (ou NIS). De nombreuses recherches ont été conduites depuis afin de caractériser cette protéine ainsi que les mécanismes qui régulent son expression et son activité. Les mécanismes cellulaires de régulation du transport et les protéines impliquées dans la régulation post-traductionnelle du symporteur restent toutefois largement inconnus. La compréhension de l’ensemble de ces mécanismes permettrait pourtant d’améliorer le traitement d’un grand nombre de patients. Le transport d’iode est en effet non seulement impliqué dans différentes pathologies de la thyroïde, mais aussi dans les contaminations à l’iode radioactif consécutives aux accidents nucléaires et dans de prometteuses stratégies de thérapie génique anticancéreuses. La chémogénomique, aussi appelée génétique chimique, est une approche multidisciplinaire dont le but est d’explorer les systèmes vivants au moyen de petites molécules organiques. Afin de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent le transport d’iode, notre laboratoire a mis en place une stratégie de génétique chimique qui a permis dans un premier temps de découvrir 10 molécules capables d’inhiber le transport d’iode. L’objectif de cette thèse était d’identifier les cibles protéiques de deux de ces molécules : ITB5 et ITB2. Des études d’électrophysiologie et de flux isotopique ayant montré que ces deux molécules ont un mode d’action différent, leur étude devait permettre d’identifier au moins deux protéines impliquées dans le transport des ions iodures.Afin d’identifier les protéines cibles d’ITB5 et d’ITB2, des sondes ont été synthétisées. Ces sondes sont constituées du composé d’intérêt, d’un groupement photoactivable permettant de créer, sous irradiation lumineuse, une liaison covalente avec la ou les protéine(s) cible(s) et d’une molécule de Biotine ou de Desthiobiotine afin d’extraire les protéines marquées des lysats cellulaires. Une fois marquées et capturées sur des billes d’agarose Streptavidine, les protéines d’intérêt ont été séparées sur des gels SDS-PAGE colorés au nitrate d’argent ou au bleu de Coomassie. Les bandes correspondantes ont été excisées, digérées à la trypsine et les peptides obtenus analysés par spectrométrie de masse. L’interrogation de la base de données Swissprot avec les données issues des expériences menées avec la sonde ITB5-P2 a permis d’identifier 3 protéines interagissant visiblement avec ce composé. Les expériences basées sur le composé ITB2 ont du être suspendues par manque de temps mais des résultats encourageants ont déjà été obtenus. Une bande pouvant correspondre à une protéine marquée spécifiquement par la sonde ITB2-P1 a en effet pu être observée en Western-blot suite à une première expérience de capture sur billes. Elle n’a toutefois pas pu être visualisée sur gel du fait d’une présence trop importante de protéines captées non spécifiquement par les billes. Les conditions expérimentales de capture ayant été optimisées avec le composé ITB5, leur application au composé ITB2 devrait maintenant permettre d’obtenir des gels plus propres à partir desquels la bande d’intérêt pourra être excisée pour être, elle aussi, analysée par spectrométrie de masse. / An important breakthrough in the understanding of the mechanisms governing the process of iodide transport inside thyroid cells has been the cloning in 1996 of the protein responsible for this transport : the Na/I symporter (NIS). Different studies have been conducted ever since in order characterize this protein as well as the mechanisms which regulate its expression and its activity. Nevertheless, the cellular mechanisms of transport regulation and the proteins implied in the posttranslational regulation of the symporter remain largely unknown. The full understanding of these mechanisms would allow the treatment improvement of a lot of patients. Iodide transport is indeed involved not only in different thyroid pathologies, but also in radioactive iodide contaminations following nuclear accidents and in promising anticancer strategies by gene transfer. Chemogenomics, also called chemical genetics, is a multidisciplinary approach which goal is to explore the living systems thanks to small organic molecules. To better understand the mechanisms which govern iodide transport, our laboratory has set up a direct chemical genetic strategy which allowed us first to discover 10 molecules able to inhibit iodide transport. The objective of this thesis was to identify the protein targets of two molecules : ITB5 and ITB2. Electrophysiological and isotopic flux studies showed that these two molecules have a different mechanism of action. Their study should then allow the identification of at least two proteins involved in iodide transport.To identify the protein targets of ITB5 and ITB2, different probes were synthesized. These probes are made from the compound of interest, a photoactivable group allowing the creation, under light irradiation, of a covalent bound with the protein target(s) and a Biotin or Desthiobiotine molecule to extract the labeled proteins from cellular lysates. Once labeled and captured on agarose-Streptavidin beads, the proteins of interest were separated on SDS-PAGE gels stained either with silver nitrate or Coomassie blue. The corresponding bands were excised, digested by trypsin and the obtained peptides analyzed by mass spectrometry. A query made in the data bank Swissprot with the data obtained after the experiments conducted with the probe ITB5-P2 allowed us to identify 3 proteins apparently interacting with the compound ITB5. The experiments based on ITB2 had to be suspended because of a lack of time but encouraging results have been obtained. A band which may correspond to a protein specifically labeled by the probe ITB2-P1 has indeed been observed on a Western-blot after a first on-bead capture experiment. However, we couldn’t visualize it on a gel because of the important presence of proteins captured non specifically by the beads. The capture experimental conditions were optimized with the compound ITB5. These conditions will now be applied to the compound ITB2 and this should allow us to obtain cleaner gels on which the band of interest will be excised for an analyze by mass spectrometry.

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La photosynthèse permet de convertir l’énergie solaire en énergie chimique. Ce processus met en jeu un grand nombre de protéines et complexes protéiques. Le premier complexe de la chaîne photosynthétique est le photosystème II où a lieu l’oxydation de l’eau. Le PSII est composé des protéines D1 et D2. Chez la cyanobactérie thermophile Thermosynechococcus elongatus, il y a trois gènes qui codent trois protéines D1 différentes. La première partie de la thèse décrit le développement d’outils protéomiques basés sur les gels d’électrophorèse 2D pour étudier le protéome des trois différents variants, qui expriment chacun une seule protéine pour D1. Peu de différences ont été trouvées. Toutefois, un seul des variants exprime Tll0287. La deuxième partie de la thèse décrit la caractérisation de Tll0287 avec différents techniques : spectroscopies d’absorption UV-visible ou de résonance Raman et spectro-électrochimie. Tll0287 a été identifié comme un cytochrome de type c, mais il présente beaucoup de caractéristiques inattendues. Les spectres d’absorption UV-visible et de résonance Raman de Tll0287 réduit montrent une dépendance vis-à-vis du pH. Deux formes d’hèmes sont présents dans chacun des états oxydé et réduit. Un changement du ligand cystéine a été observé quand l’hème est réduit. Les titrages redox présentent de multiples potentiels à pH 10 et pH 5. Tll0287 peut fixer une molécule de CO à pH 7,6. Ces caractéristiques suggèrent que Tll0287 pourrait être une protéine senseur. De plus, la structure cristallographique montre que Tll0287 n’a pas un repliement classique d’un cytochrome de type c mais celui d’une protéine senseur. Les mutants de délétion du gène tll0287 ont été construits et aideront à comprendre la fonction de ce nouveau cytochrome. La troisième partie décrit l’étude de PsbV2 : un autre cytochrome de type c. Afin d’obtenir en quantité suffisante la protéine pour permettre sa caractérisation, elle a été surexprimée dans un système homologue en utilisant le promoteur de l’enzyme de la rubisco. Le potentiel redox de PsbV2 a été déterminé, comme étant très bas, inférieur à -460 mV (vs SHE, pH 5). Le spectre d’absorption UV-visible de la forme réduite a été caractérisé. La structure cristallographique de PsbV2 a été résolue et a révélé une cystéine comme ligand axial et un repliement proche de celui de cytochromes connus de T.elongatus. Bien que Tll0287 et PsbV2 présentent une cystéine comme ligand axial, leurs structures et leurs propriétés physico-chimiques suggèrent que leurs fonctions sont bien différentes. Une contribution majeure de cette thèse est la caractérisation d’un nouveau senseur à hème de type c chez les cyanobactéries et le développement d’outils nécessaires pour son étude. / Photosynthesis converts solar energy into chemical energy. This process involves a large number of proteins and protein complexes. The first protein complex in the photosynthetic chain is Photosystem II within the oxidation of water takes place. PSII is composed of the D1 and D2 proteins. In the thermophile cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus, three genes encoded three different D1 proteins. The first part of this thesis describes the development of proteomics tools based on 2D gel-electrophoresis to study the proteome of three different variants, each expressing a single different D1 protein. Very few differences were found. However, only one expressed the protein Tll0287. The second part of the thesis describes the characterization of Tll0287. It was characterized using different techniques: electronic absorption and Raman resonance spectroscopies and spectro-electrochemistry. Tll0287 has been previously identified as a c-type cytochrome, but it presents some unexpected characteristics. The UV-visible absorption and Raman resonance spectra of reduced Tll0287 show a pH dependence. The reduced and oxidized states each had two different forms of the heme. A switch of ligands from a cysteine to histidine was observed in the reduced state. Redox titration showed multiple midpoints at pH 10 and 5. Tll0287 was shown to fix a CO molecule at pH 7.6. These physical properties suggested that Tll0287 could be a sensor. The crystallographic studies reveal that Tll0287 does not have a classical c-type cytochrome fold and is similar to other known sensor proteins, strengthening the hypothesis that it is a sensor. Deletion mutants were constructed that will help to better understand the function of this new cytochrome. The third part describes a study of the PsbV2, another c-type cytochrome. In order to obtain sufficient quantities to carry out characterization of this protein, it was overexpressed in a homologous system using the promotor of the rubisco enzyme. The redox midpoint potential of PsbV2 was found to be very low, below -460 mV (vs SHE, pH 5). The UV-visible absorption spectrum of the reduced form was determined. The crystallographic structure of PsbV2 was solved and reveals an axial cysteine ligand. Although both Tll0287 and PsbV2 share this feature, their different structures and physico-chemical properties suggest that their functions are unlikely to be similar. A major contribution of this thesis is the characterization of a new c-type cytochrome sensor in cyanobacteria and the development of proteomic tools required to study it.

La protéomique est un sujet d'intérêt puisque l'étude des fonctions et des structures de protéines est essentiel à la compréhension du fonctionnement d'un organisme donné. Ce projet se situe dans la catégorie des études structurales, ou plus précisément, la séquence primaire en acides aminés pour l’identification d’une protéine. La détermination des protéines commence par l'extraction d'un mélange protéique issu d'un tissu ou d'un fluide biologique pouvant contenir plus de 1000 protéines différentes. Ensuite, des techniques analytiques comme l’électrophorèse en gel polyacrylamide en deux dimensions (2D-SDS-PAGE), qui visent à séparer ce mélange en fonction du point isoélectrique et de la masse molaire des protéines, sont utilisées pour isoler les protéines et pour permettre leur identification par chromatographie liquide and spectrométrie de masse (MS), typiquement. Ce projet s'inspire de ce processus et propose que l'étape de fractionnement de l'extrait protéique avec la 2D-SDS-PAGE soit remplacé ou supporté par de multiples fractionnements en parallèle par électrophorèse capillaire (CE) quasi-multidimensionnelle. Les fractions obtenues, contenant une protéine seule ou un mélange de protéines moins complexe que l’extrait du départ, pourraient ensuite être soumises à des identifications de protéines par cartographie peptidique et cartographie protéique à l’aide des techniques de séparations analytiques et de la MS. Pour obtenir la carte peptidique d'un échantillon, il est nécessaire de procéder à la protéolyse enzymatique ou chimique des protéines purifiées et de séparer les fragments peptidiques issus de cette digestion. Les cartes peptidiques ainsi générées peuvent ensuite être comparées à des échantillons témoins ou les masses exactes des peptides enzymatiques sont soumises à des moteurs de recherche comme MASCOT™, ce qui permet l’identification des protéines en interrogeant les bases de données génomiques. Les avantages exploitables de la CE, par rapport à la 2D-SDS-PAGE, sont sa haute efficacité de séparation, sa rapidité d'analyse et sa facilité d'automatisation. L’un des défis à surmonter est la faible quantité de masse de protéines disponible après analyses en CE, due partiellement à l'adsorption des protéines sur la paroi du capillaire, mais due majoritairement au faible volume d'échantillon en CE. Pour augmenter ce volume, un capillaire de 75 µm était utilisé. Aussi, le volume de la fraction collectée était diminué de 1000 à 100 µL et les fractions étaient accumulées 10 fois; c’est-à-dire que 10 produits de séparations étaient contenu dans chaque fraction. D'un autre côté, l'adsorption de protéines se traduit par la variation de l'aire d'un pic et du temps de migration d'une protéine donnée ce qui influence la reproductibilité de la séparation, un aspect très important puisque 10 séparations cumulatives sont nécessaires pour la collecte de fractions. De nombreuses approches existent pour diminuer ce problème (e.g. les extrêmes de pH de l’électrolyte de fond, les revêtements dynamique ou permanent du capillaire, etc.), mais dans ce mémoire, les études de revêtement portaient sur le bromure de N,N-didodecyl-N,N-dimethylammonium (DDAB), un surfactant qui forme un revêtement semi-permanent sur la paroi du capillaire. La grande majorité du mémoire visait à obtenir une séparation reproductible d'un mélange protéique standard préparé en laboratoire (contenant l’albumine de sérum de bovin, l'anhydrase carbonique, l’α-lactalbumine et la β-lactoglobulin) par CE avec le revêtement DDAB. Les études portées sur le revêtement montraient qu'il était nécessaire de régénérer le revêtement entre chaque injection du mélange de protéines dans les conditions étudiées : la collecte de 5 fractions de 6 min chacune à travers une séparation de 30 min, suivant le processus de régénération du DDAB, et tout ça répété 10 fois. Cependant, l’analyse en CE-UV et en HPLC-MS des fractions collectées ne montraient pas les protéines attendues puisqu'elles semblaient être en-dessous de la limite de détection. De plus, une analyse en MS montrait que le DDAB s’accumule dans les fractions collectées dû à sa désorption de la paroi du capillaire. Pour confirmer que les efforts pour recueillir une quantité de masse de protéine étaient suffisants, la méthode de CE avec détection par fluorescence induite par laser (CE-LIF) était utilisée pour séparer et collecter la protéine, albumine marquée de fluorescéine isothiocyanate (FITC), sans l'utilisation du revêtement DDAB. Ces analyses montraient que l'albumine-FITC était, en fait, présente dans la fraction collecté. La cartographie peptidique a été ensuite réalisée avec succès en employant l’enzyme chymotrypsine pour la digestion et CE-LIF pour obtenir la carte peptidique. / Proteomics is a field of growing interest because the study of protein function and structure is essential to understand how an organism operates. This project is concerned with structural studies, or more precisely the primary amino acid sequence for identification of proteins. Protein determination starts with a protein extract obtained from tissue or a biological fluid, which can contain more than 1000 distinct proteins. Analytical techniques like two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (2D-SDS-PAGE), which separates proteins based on their isoelectric point and molar mass, are then used to isolate the different proteins and permit their identification by liquid chromatography and mass spectrometry (MS) typically. This project, inspired by the fractionation of a protein extract by 2D-SDS-PAGE, proposes to support or to replace it with multiple fractionations by capillary electrophoresis (CE) in a quasi-multidimensional scheme. The individual fractions, containing a single protein or a mixture of proteins much less complex than the original extract, would then be analyzed to identify the proteins by peptide mapping and by protein mass mapping using analytical separation techniques and MS. To obtain a peptide map of proteins isolated in a fraction, enzymatic or chemical proteolysis is carried out and the peptide fragments in the digest are separated. The generated peptide map is either compared to a second sample to reveal changes, or the exact masses of the peptides are submitted to search engine like MASCOT™, which permits the identification of proteins by interrogation of genomic data bases. The exploitable advantages of CE compared to 2D-SDS-PAGE are its high separation efficiency, its rapid analysis and its easy automation. The challenge to overcome is its small quantity of mass available after CE fractionation due in part to protein adsorption on the capillary walls, but due mainly to the tiny sample volumes used in CE. To increase mass, a 75 µm ID capillary was used in this study. Also, the volume into which each fraction is collected was decreased from 1000 to 100 µL and each fraction was collected 10 times; in other words 10 injections of the protein mixture were made. On the other hand, protein adsorption leads to variations in peak area and migration time of a given protein which influences the repeatability of CE separations, a very important aspect since 10 cumulative separations are needed for fraction collection. There are numerous approaches to reduce this problem (e.g. using pH extremes for the background electrolyte, using dynamic or permanent capillary coatings, etc.) but in this project, studies focused on didodecyldimethylammonium bromide (DDAB), a surfactant that forms a semi-permanent wall coating in the capillary. The majority of work presented here was aimed at obtaining a reproducible CE separation of a standard protein mixture prepared in house (containing bovine serum albumin, carbonic anhydrase, α-lactalbumin and β-lactoglobulin) while using the DDAB coating. Studies of this particular coating material revealed that it was necessary to regenerate the DDAB coating between each injection of the protein mixture under the studied conditions: collection of 5 fractions of 6 min each across a 30-min separation that followed the DDAB regeneration, repeated 10 times. However, CE-UV and HPLC-MS analyses of the collected fractions showed none of the expected proteins present; they seemed to be below the instrument detection limits. In addition, the MS analyses revealed that DDAB had accumulated in the collected fractions due to its desorption from the capillary walls. To confirm that our efforts to collect a certain protein mass were sufficient, CE coupled to laser-induced fluorescence detection (CE-LIF) was used to separate and then collect the protein albumin labeled with fluorescein isothiocyanate (FITC) without the DDAB coating in the capillary. Analyses demonstrated that albumin-FITC was, in fact, present in the collected fraction. Peptide mapping was then successfully carried out using the enzyme chymotrypsin for digestion and CE-LIF for peptide mapping.

La maladie de Lyme est la maladie à transmission vectorielle la plus répandue de l’hémisphère Nord. La peau est un organe clef dans cette maladie, car c’est à cet endroit qu’interagissent les cellules de l’hôte, le pathogène, le microbiote cutané et le vecteur. Nous avons développé un modèle murin d’infection disséminée de borréliose de Lyme, qui nous a permis de développer une méthode spécifique de détection de protéines de Borreliella dans le tissu cutané murin par SRM-MS, pouvant aboutir à une méthode de diagnostic chez l’homme. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés aux relations entre le microbiote cutané, les cellules résidentes de la peau, kératinocytes et fibroblastes, avec Borreliella. Les sécrétomes de trois bactéries commensales, S. epidermidis, P. acnes et C. striatum possèdent un effet synergique sur l’expression de gènes inflammatoires par les kératinocytes et les fibroblastes. Les sécrétomes de P. acnes et de C. striatum se sont également montrés capables d’inhiber une partie de la réponse inflammatoire des kératinocytes, pouvant aider le pathogène lors de la transmission/dissémination précoce. / Lyme disease is the most common vector-borne disease in the Northern Hemisphere. Skin is a key organ in the disease, since it is the key interface where host cells, pathogen, skin microbiota and vector interact early during pathogen transmission. We developed a late lyme borreliosis model on mice. This model allowed us to develop a specific detection method of Borreliella proteins in the mouse skin by SRM-MS that might be used to develop a human diagnosis of disseminated Lyme disease. In a second part, we analysed the relationship between skin microbiota, resident skin cells (keratinocytes and fibroblasts), in the presence or absence of Borreliella. The secretome of three commensals bacteria, S. epidermidis, P. acnes and C. striatum was shown to have a synergistic activity with Borreliella in pro-inflammatory gene expressions by keratinocytes and fibroblasts. P. acnes and C. striatum secretomes were also able to inhibit partially the inflammatory response of keratinocytes that might help the transmission/dissemination of the pathogen.