Chez Arabidopsis thaliana, les gènes d’ARNr 5S sont transcrits par l’ARN polymérase III qui fait intervenir plusieurs facteurs de transcription dont TFIIIA qui reconnaît spécifiquement le promoteur interne de ces gènes et permet ainsi le recrutement de l’ensemble du complexe de transcription. Le gène TFIIIA est composé de sept exons dont le troisième, résultant de l’exonisation d’une molécule d’ARNr 5S, est épissé de façon alternative produisant ainsi deux transcrits. Le transcrit ES, qui ne contient pas cet exon, code pour la protéine TFIIIA pleine longueur et fonctionnelle. Le transcrit EI, dans lequel l’exon « 5S-like » est maintenu, est reconnu et dégradé par la voie NMD (Non-Mediated Decay). L’exon « 5S-like » a, en effet, la particularité de contenir un codon stop prémature qui en fait une cible de la voie NMD. Lors de l’étude de l’expression des transcrits ES et EI ainsi que celle de l’accumulation de la protéine TFIIIA au cours du développement, nous avons montré que le taux de la protéine TFIIIA fonctionnelle est soumis à plusieurs niveaux de régulation. En effet, la production de la protéine TFIIIA pleine longueur est le résultat de la synthèse du transcrit ES et de sa traduction mais également de l’efficacité du clivage protéolytique de la protéine. Lors de la maturation de la graine, l’accumulation croissante de protéine TFIIIA résulte d’une augmentation des quantités de transcrits ES couplée à une diminution du clivage protéolytique. Dans les premiers jours du développement, la protéine TFIIIA n’est détectée qu’après le 4ème jour, suite à la diminution du clivage. Sa présence est corrélée au remodelage de la chromatine de l’ADNr 5S. La combinaison de ces deux mécanismes permet ainsi la production de TFIIIA et de son produit de transcription l’ARNr 5S en fonction des besoins de la plante. / In Arabidopsis thaliana, 5S rRNA genes are transcribed by RNA polymerase III. TFIIIA, specifically required for transcription of these genes, binds to the internal control region of the 5S rRNA genes and allows the assembly of the full transcription complex pol III. The TFIIIA gene consists of seven exons, the third of which results in the exonisation of one 5S rRNA molecule. This exon “5S-like” is alternatively skipped or included to produce either of two transcript isoforms. The ES transcript encodes the fully functional TFIIIA protein. The EI transcript, which contains the exon “5S-like”, is a target of the NMD pathway (Non-Mediated Decay). Indeed, the exon “5S-like” contains a premature stop codon, which is recognized by this RNA decay pathway. During the study of the ES and EI transcripts expression and the TFIIIA protein accumulation throughout the plant development, we show that TFIIIA functional protein levels are under control of many regulation steps. Actually the production of the full-length TFIIIA protein results from production and translation of the ES transcript but also from the proteolytic cleavage efficiency of TFIIIA protein. During the seed maturation, the strong accumulation of TFIIIA results from an increase in ES amounts and a proteolytic cleavage decrease. After the fourth day post-germination, TFIIIA protein is detected because the proteolytic cleavage decreases. TFIIIA presence is correlated with 5S rDNA chromatin reorganization. The combination of these two mechanisms allows TFIIIA production and its transcription product 5S rRNA according to the plants needs.

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L’objectif de cette thèse était de développer et d’optimiser de nouvelles méthodologies et approches analytiques afin d’améliorer le potentiel de l’analyse protéomique pour les études biologiques.La première partie de ce travail est consacrée à la détermination massive et exacte de la position N-Terminale des protéines (N-Terminome). Pour cela, nous avons utilisé et développé une approche basée sur une dérivation N-Terminale au TMPP. Cette méthodologie de marquage de la position N-Terminale a permis d’aborder l’étude des clivages protéolytiques des protéines exportées par le parasite P. falciparum (pathogène de la malaria) dans le globule rouge.Afin de permettre une exploitation automatique à haut débit des données de MS/MS, nous avons élaboré une nouvelle méthodologie (dénommée dN-TOP). Celle-Ci repose sur l’utilisation de TMPP portant des isotopes stables et permet ainsi d’accéder à la détermination des positions N-Terminales pour des études de N-Terminome à large échelle.La seconde partie est dédiée aux développements de différentes stratégies analytiques de quantification, aussi bien au niveau peptidique qu’au niveau protéique, appliquées à une série de problématiques biologiques. Ces optimisations ont été réalisées dans le contexte de l’étude des complexes protéiques, du dosage de prion par SRM, de quantification des glycations d’anticorps monoclonaux thérapeutiques et de l’hémoglobine HbA2 pour la standardisation des méthodes de référence. / The objective of this Ph.D. thesis was to develop and optimize new methodologies and analytical approaches to improve the potential of the mass spectrometry based proteomics.The first part of this work focused on the development of the N-Termini proteomics. This topic was addressed with a specific N-Termini chemical derivatization based on TMPP. We have shown that our method allowed both specific N-Terminomics and classical proteomics studies in the same experiment.This N-Terminus methodology was applied to study the proteolytic cleavages of the exported proteins in P. falciparum, a parasite responsible for the malaria.In order to automatize the complex and tedious informatics processsing of the MS/SM data of ourTMPP based N-Terminomics method, we have introduced a new approach (named dN-TOP), based on the use of a stable isotope labeled TMPP which made now N-Terminome proteomics compatible with high throughput studies.The second part addresses quantitative aspects of proteomics. It describes the optimization of quantitative methods at the peptide level or at the protein level for five different proteomic studies in the context of protein complex subunits, targeted SRM based prion, quantification of monoclonal antibodies glycation and hemoglobin HbA2 for reference measurement methods standardization.

Résumé: Chaque année, les épidémies saisonnières d’influenza causent de 3 à 5 millions de cas sévères de maladie, entraînant entre 250 000 et 500 000 décès mondialement. Seulement deux classes d’antiviraux sont actuellement commercialisées pour traiter cette infection respiratoire : les inhibiteurs de la neuraminidase, tels que l’oseltamivir (Tamiflu) et les inhibiteurs du canal ionique M2 (adamantanes). Toutefois, leur utilisation est limitée par l’apparition rapide de résistance virale. Il est donc d’un grand intérêt de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques pour le traitement de l’influenza. Le virus influenza dépend de l’activation de sa protéine de surface hémagglutinine (HA) pour être infectieux. L’activation a lieu par clivage protéolytique au sein d’une séquence d’acides aminés conservée. Ce clivage doit être effectué par une enzyme de l’hôte, étant donné que le génome du virus ne code pour aucune protéase. Pour les virus infectant l’humain, plusieurs études ont montré le potentiel de protéases à sérine transmembranaires de type II (TTSP) à promouvoir la réplication virale : TMPRSS2, TMPRSS4, HAT, MSPL, Desc1 et matriptase, identifiée récemment par notre équipe (Beaulieu, Gravel et al., 2013), activent l’HA des virus influenza A (principalement H1N1 et H3N2). Toutefois, il existe peu d’information sur le clivage de l’HA des virus influenza B, et seulement TMPRSS2 et HAT ont été identifiées comme étant capables d’activer ce type de virus. Les travaux de ce projet de maîtrise visaient à identifier d’autres TTSP pouvant activer l’HA de l’influenza B. L’efficacité de clivage par la matriptase, hepsine, HAT et Desc1 a été étudiée et comparée entre ces TTSP. Ces quatre protéases s’avèrent capables de cliver l’HA de l’influenza B in vitro. Cependant, seul le clivage par matriptase, hepsine et HAT promeut la réplication virale. De plus, ces TTSP peuvent aussi supporter la réplication de virus influenza A. Ainsi, l’utilisation d’un inhibiteur de TTSP, développé en collaboration avec notre laboratoire, permet de bloquer significativement la réplication virale dans les cellules épithéliales bronchiques humaines Calu-3. Cet inhibiteur se lie de façon covalente et lentement réversible au site actif de la TTSP par un mécanisme slow tight-binding. Puisque cet inhibiteur cible une composante de la cellule hôte, et non une protéine virale, il n’entraîne pas le développement de résistance après 15 passages des virus en présence de l’inhibiteur dans les cellules Calu-3. L’inhibition des TTSP activatrices d’HA dans le système respiratoire humain représente donc une nouvelle stratégie thérapeutique pouvant mener au développement d’antiviraux efficaces contre l’influenza. / Abstract: Seasonal influenza epidemics cause between 3 and 5 millions severe cases of disease, leading to 250 000 to 500 000 deaths worldwide. Only two classes of drugs are currently available to treat influenza infections: neuraminidase inhibitors, such as oseltamivir (Tamiflu) and M2 channel inhibitors (adamantanes). However, the use of these antivirals is restricted by rapid emergence of viral resistance. It is therefore of great interest to develop new therapeutic strategies for the treatment of influenza disease. The influenza virus requires activation of its surface protein hemagglutinin (HA) to become infectious. This activation is achieved by proteolytic cleavage in a highly conserved amino acid sequence of the protein. Host cell proteases are responsible for this cleavage since the viral genome doesn’t encode any protease. For viruses that infect humans, many studies have shown the potential of type II transmembrane serine proteases (TTSP) to promote viral replication: TMPRSS2, TMPRSS4, HAT, MSPL, Desc1 and matriptase, recently identified by our team (Beaulieu, Gravel et al., 2013), activate HA of influenza A viruses (mainly H1N1 and H3N2). However, little is known about cleavage of influenza B virus HA, and only TMPRSS2 and HAT have been identified as being capable of activating this type of virus. This project aimed to identify other TTSPs able to activate influenza B HA. Cleavage efficacies of matriptase, hepsin, HAT and Desc1 were studied and compared. These four proteases were shown to be able to cleave influenza B HA using in vitro assays. However, only cleavage by matriptase, hepsin and HAT promoted viral replication. Moreover, these TTSPs also supported the replication of influenza A viruses. Thus, the use of a slow, tight-binding inhibitor (developed in collaboration with our laboratory) that binds to the TTSP active site, forming a covalent and reversible bond, significantly blocked viral replication in human bronchial epithelial Calu-3 cells. Since this inhibitor targets a host cell component, instead of a viral protein, viruses did not develop resistance after 15 passages in presence of the inhibitor in Calu-3 cells. Thus, inhibition of HA-activating TTSPs in the human respiratory tract represents a novel therapeutic strategy against influenza.

The successful genomic era has resulted in a great demand for efficient production and purification of proteins. The main objective of the work described in this thesis was to develop methods to facilitate recovery of target proteins after recombinant production in Escherichia coli. A positively charged purification tag, Zbasic, has previously been constructed by protein design of a compact three-helix bundle domain, Z. The charged domain was investigated for general use as a fusion partner. All target proteins investigated could be selectively captured by ion-exchange chromatography under conditions excluding adsorption of the majority of Escherichia coli host proteins. A single cation-exchange chromatography step at physiological pH was sufficient to provide Zbasic fusion proteins of high purity close to homogeneity. Moreover, efficient isolation directly from unclarified Escherichia coli homogenates could also be accomplished using an expanded bed mode. Since the intended use of a recombinant protein sometimes requires removal of the purification tag, a strategy for efficient release of the Zbasic moiety using an immobilised protease was developed. The protease columns were reusable without any measurable decrease in activity. Moreover, subsequent removal of the released tag, Zbasic, was effected by adsorption to a second cation-exchanger. Using a similar strategy, a purification tag with a negatively charged surface, denoted Zacid, was constructed and thoroughly characterised. Contrary to Zbasic, the negatively charged Zacid was highly unstructured in a low conductivity environment. Despite this, all Zacid fusion proteins investigated could be efficiently purified from whole cell lysates using anion-exchange chromatography Synthesis of polypeptides occurs readily in Escherichia coli providing large amounts of protein in cells of this type, albeit often one finds the recombinant proteins sequestered in inclusion bodies. Therefore, a high throughput method for screening of protein expression was developed. Levels of both soluble and precipitated protein could simultaneously be assessed in vivo by the use of a flow cytometer. The positively charged domain, Zbasic, was shown also to be selective under denaturing conditions, providing the possibility to purify proteins solubilised from inclusion bodies. Finally, a flexible process for solid-phase refolding was developed, using Zbasic as a reversible linker to the cation-exchanger resin. / QC 20101020

<p>The successful genomic era has resulted in a great demand for efficient production and purification of proteins. The main objective of the work described in this thesis was to develop methods to facilitate recovery of target proteins after recombinant production in Escherichia coli.</p><p>A positively charged purification tag, Z_basic, has previously been constructed by protein design of a compact three-helix bundle domain, Z. The charged domain was investigated for general use as a fusion partner. All target proteins investigated could be selectively captured by ion-exchange chromatography under conditions excluding adsorption of the majority of Escherichia coli host proteins. A single cation-exchange chromatography step at physiological pH was sufficient to provide Z_basic fusion proteins of high purity close to homogeneity. Moreover, efficient isolation directly from unclarified <i>Escherichia coli</i> homogenates could also be accomplished using an expanded bed mode. Since the intended use of a recombinant protein sometimes requires removal of the purification tag, a strategy for efficient release of the Z_basic moiety using an immobilised protease was developed. The protease columns were reusable without any measurable decrease in activity. Moreover, subsequent removal of the released tag, Z_basic, was effected by adsorption to a second cation-exchanger. </p><p>Using a similar strategy, a purification tag with a negatively charged surface, denoted Z_acid, was constructed and thoroughly characterised. Contrary to Z_basic, the negatively charged Z_acid was highly unstructured in a low conductivity environment. Despite this, all Z_acid fusion proteins investigated could be efficiently purified from whole cell lysates using anion-exchange chromatography</p><p>Synthesis of polypeptides occurs readily in Escherichia coli providing large amounts of protein in cells of this type, albeit often one finds the recombinant proteins sequestered in inclusion bodies. Therefore, a high throughput method for screening of protein expression was developed. Levels of both soluble and precipitated protein could simultaneously be assessed <i>in vivo</i> by the use of a flow cytometer. </p><p>The positively charged domain, Z_basic, was shown also to be selective under denaturing conditions, providing the possibility to purify proteins solubilised from inclusion bodies. Finally, a flexible process for solid-phase refolding was developed, using Z_basic as a reversible linker to the cation-exchanger resin.</p>

Un obstacle important dans l’éradication du virus de l’immunodéfience humaine (VIH-1) est l’établissement de réservoirs viraux où le virus reste à l’état latent ainsi que l’absence de vaccin efficace. Bien que les molécules antivirales actuelles permettent d’augmenter l’espérance de vie des personnes vivant avec le VIH-1 (PLWH) ainsi que de diminuer la réplication virale chez cellesci, elles ne contribuent pas à l’élimination de ces réservoirs. La hausse de résistance envers ces molécules inhibitrices nécessite le développement constant de nouvelles molécules. L’une d’entre elles, temsavir (BMS-626529), est un nouvel inhibiteur d’attachement approuvé par la FDA depuis 2020. Sa cible, la glycoprotéine d’enveloppe (Env), est le seul antigène viral présent à la surface des cellules infectées et des virions, représentant donc la cible idéale des anticorps. L’Env mature se trouve sous forme d’hétérodimère (gp120 et gp41) suite au clivage de son précurseur gp160. Temsavir lie sous la boucle β20-β21 de la gp120 et prévient donc, par compétition, l’interaction entre l’Env et le récepteur CD4 de l’hôte. En plus de son rôle en tant qu’inhibiteur d’attachement, temsavir permet de stabiliser le trimère dans sa conformation dite «fermée». Un ancien analogue de temsavir, BMS-806, a montré réduire l’addition de glycans ainsi que de diminuer le clivage du précurseur gp160. Nos études démontrent que temsavir possède également un impact sur ces mécanismes impliqués dans la maturation et la flexibilité de l’Env de plusieurs souches du VIH-1. De ce fait, nous avons investigué l’effet de cette altération sur la conformation des différentes Env. Nos observations montrent que l’effet de temsavir sur le clivage protéolytique est associé à une diminution de la reconnaissance de l’Env par des anticorps ciblant différentes régions de celle-ci. Cette modification de la reconnaissance de l’Env est également associée à l’efficacité de la réponse cytotoxique cellulaire dépendante des anticorps (ADCC) à éliminer les cellules infectées. Les résultats présentés dans ce mémoire, notamment l’effet de temsavir sur la conformation de l’Env, devrait être considéré lors du développement d’immunothérapies ciblant le réservoir viral. / An important obstacle in the eradication of the human immunodeficiency virus (HIV-1) is the establishment of viral reservoirs where the virus remains in a latent state and the absence of a potent vaccine. Although current antiretroviral molecules increase the life expectancy of people living with HIV-1 (PLWH) as well as reduce viral replication, they do not contribute to the elimination of these reservoirs. Also, the increase in drugs resistances towards these inhibitory molecules requires the constant development of new molecules. One of them, temsavir (BMS-626529), is a new attachment inhibitor approved by the FDA since 2020. Its target, the envelope glycoprotein (Env), is the only viral antigen present at the surface of infected cells and virions and thus, is also the main target of antibodies. This mature Env consists of three gp120-gp41 heterodimers after the proteolytic cleavage of its gp160 precursor. Temsavir binds under the β20-β21 loop of gp120 and prevents the interaction between Env and the host CD4 receptor. In addition to its role as an attachment inhibitor, temsavir stabilizes the trimer in its "closed" conformation. A previous analog of temsavir, BMS-806, has been shown to affect the addition of glycans as well as the cleavage of the gp160 precursor. Our studies demonstrate that temsavir also has an impact on these mechanisms involved in the maturation and flexibility of Env of several strains of HIV-1. Therefore, we investigated the effect of this alteration on the conformation of different Env. Our observations showed that the effect of temsavir on proteolytic cleavage is associated with a decrease in Env recognition by antibodies targeting different regions of Env. This modification in Env recognition also appears to be associated with the efficacy of antibody to mediate potent antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC) against infected-cells. The results presented in this master thesis, should be considered when developing immunotherapies aimed at targeting the viral reservoir in Fostemsavir-treated individuals.

L’ubiquitination, une modification post-traductionnelle importante pour le contrôle de nombreux processus cellulaires, est une réaction réversible. La réaction inverse, nommée déubiquitination est catalysée par les déubiquitinases (DUB). Nous nous sommes intéressés dans nos travaux à étudier l’ubiquitination de l’histone H2A (H2Aub), au niveau des résidus lysines 118 et 119 (K118/K119), une marque épigénétique impliquée dans la régulation de la prolifération cellulaire et la réparation de l’ADN. Le régulateur transcriptionnel BAP1, une déubiquitinase nucléaire, a été initialement identifié pour sa capacité à promouvoir la fonction suppressive de tumeurs de BRCA1. BAP1 forme un complexe multi-protéique avec plusieurs facteurs transcriptionnels et sa fonction principale est la déubiquitination de H2Aub. Plusieurs études ont démontré que BAP1 est un gène suppresseur de tumeurs majeur et qu’il est largement muté et inactivé dans une multitude de cancers. En effet, BAP1 émerge comme étant la DUB la plus mutée au niveau des cancers. Cependant, le ou les mécanismes d’action et de régulation du complexe BAP1 restent très peu connus. Dans cette étude nous nous sommes intéressés à la caractérisation moléculaire et fonctionnelle des partenaires protéiques de BAP1. De manière significative nous avons caractérisé un mécanisme unique de régulation entre deux composants majeurs du complexe BAP1 à savoir, HCF-1 et OGT. En effet, nous avons démontré que HCF-1 est requis pour maintenir le niveau protéique de OGT et que cette dernière est indispensable pour la maturation protéolytique de HCF-1 en promouvant son clivage par O-GlcNAcylation, une signalisation cellulaire nécessaire au bon fonctionnement de HCF-1. Également, nous avons découvert un nouveau mécanisme de régulation de BAP1 par l’ubiquitine ligase atypique UBE2O. En effet, UBE2O agit comme un régulateur négatif de BAP1 puisque l’ubiquitination de ce dernier induit sa séquestration dans le cytoplasme et l’inhibition de sa fonction suppressive de tumeurs. D’autre part nous nous sommes penchés sur la caractérisation de l’association de BAP1 avec deux facteurs de la famille des protéines Polycombes nommés ASXL1 et ASXL2 (ASXL1/2). Nous avons investigué le rôle de BAP1/ASXL1/2, particulièrement dans les mécanismes de déubiquitination et suppression de tumeurs. Nous avons démontré que BAP1 interagit directement iii via son domaine C-terminale avec le même domaine ASXM de ASXL1/2 formant ainsi deux complexes mutuellement exclusifs indispensables pour induire l’activité déubiquitinase de BAP1. De manière significative, ASXM s’associe avec BAP1 pour créer un nouveau domaine composite de liaison à l’ubiquitine. Ces interactions BAP1/ASXL1/2 régulent la progression harmonieuse du cycle cellulaire. De plus, la surexpression de BAP1 et de ASXL2 au niveau des fibroblastes induit la sénescence de manière dépendante de leurs interactions. D’autre part, nous avons identifié des mutations de cancers au niveau de BAP1 le rendant incapable de lier ASXL1/2, d’exercer sa fonction d’autodéubiquitination et de ce fait d’agir comme suppresseur de tumeurs. Ainsi nous avons révélé un lien étroit entre le gène suppresseur de tumeurs BAP1, son activité déubiquitinase et le contrôle de la prolifération cellulaire. / The reverse reaction of ubiquitination, a crucial post-translational modification, is catalyzed by deubiquitinases (DUBs). BAP1 is an ubiquitously expressed nuclear DUB that recently emerged as an important tumor suppressor highly mutated and inactivated in an increasing number of cancers of diverse origins. Both somatic and germline mutations with loss of heterozygosity were observed in tumors, making BAP1 the most mutated DUB in human malignancies. We previously reported that BAP1 is a component of a large multi-protein complex that includes several transcription regulators. The Drosophila homologue of BAP1, Calypso, forms the Polycomb-repressive DUB (PR-DUB) complex with Additional Sex Comb, ASX. This complex catalyzes the deubiquitination of histone H2A, an essential chromatin modification that regulates gene expression. Despite the ever increasing number of findings describing the occurrence of BAP1 mutations in cancers, few studies investigated the mechanisms of action of this DUB as a tumor suppressor. Therefore, the biological function and the mechanism of action and regulation of BAP1 remains largely uncharacterized. In the work described in this thesis, we investigated the roles of BAP1 partners in modulating its catalytic activity and tumor suppressor function. More specifically we discovered a unique mechanism of regulation between two major components of BAP1 complexes, namely HCF-1 and OGT. Indeed, HCF-1 is important for the maintenance of the cellular levels of OGT. OGT, in turn, is required for the proper proteolytic maturation of HCF-1 by promoting its O-GlcNAcylation. This signaling event is required for HCF-1 function as a cell cycle regulator. On the other hand, we deciphered an intricate mechanism of regulation of BAP1 by the atypical E2/E3 ligase, UBE2O. UBE2O, promote the multi-monoubiquitination of BAP1 on its NLS mediating its cytoplasmic sequestration and thus inhibition of its tumor suppressor function. Another aspect of modulation of BAP1 H2Aub catalysis is provided by the association of BAP1 with ASXL1 and ASXL2 (ASXL1/ASXL2), two orthologs of ASX. We investigated the role of BAP1/ASXL1/2, particularly in the mechanisms of deubiquitination and tumor suppression. We have demonstrated that BAP1 interacts directly via its C-terminal domain with the ASXM domain of ASXL1/2, thus forming two mutually exclusive complexes. Significantly, ASXM promote, through assembly with BAP1, the generation of a composite ubiquitin binding domain (CUBI), indispensable for inducing the deubiquitinase activity of BAP1 towards H2Aub. The interactions between BAP1 and ASXL1/2 regulate cell cycle progression. In addition, overexpression of BAP1 or ASXL2 in fibroblasts induces senescence in CTD- and ASXM-dependent manner. We also identified cancer-derived mutation of BAP1 that selectively abolish its interaction with ASXL1 and ASXL2 as well as its H2A deubiquitinase activity. Significantly, this mutant suppressed senescence induced by BAP1 overexpression. Thus we provided a link between the tumor suppressor BAP1, its deubiquitinase activity and the control of cell proliferation.