La vision traditionnelle de la synthèse protéique chez les eucaryotes comprend un ARN messager (ARNm) qui porte un seul cadre de lecture ouvert (ORF). Chaque gène codant eucaryote produit généralement une protéine canonique et éventuellement une ou plusieurs isoformes. Cependant, de nombreuses évidences expérimentales récentes démontrent que le protéome des eucaryotes a été sous-estimé, et que les cellules sont capables de synthétiser des protéines qui n’étaient jusqu’alors pas prédites. Ces nouvelles protéines « alternatives » (altProts) peuvent être issues de la traduction d’ORFs non annotés contenus sur des ARNms, ou des ARNs non codants. Ces découvertes ont été possibles grâce aux progrès techniques réalisés en biochimie analytique en protéomique par spectrométrie de masse. Dans le cadre de ces analyses, deux approches sont privilégiées. La première, ou bottom-up se base sur les produits peptidiques issus d’une digestion enzymatique des protéines quand la seconde ou top-down est basée sur la mesure des protéines entières. Les travaux réalisés dans cette thèse s’articulent autour du développement de stratégies pour la découverte et la caractérisation des altProts par approches protéomiques bottom-up et top-down. Ces aspects sont décrits dans plusieurs publications scientifiques qui seront présentées dans ce manuscrit. Elles comprennent une revue de bibliographie, deux publications relatives à l’application de l’approche top-down par micro-extractions de tissus de cerveau de rat et de biopsie tumorale ovarienne et une publication relative à la détermination de la stœchiométrie de deux protéines, l’une alternative et l’autre canonique toutes deux issues du même gène. / The traditional view of protein synthesis in eukaryotic species involves one messenger RNA (mRNA) bearing a single open reading frame (ORF). Thus, each eukaryotic coding gene may produce one canonical protein and possibly one or more of its isoforms. However, numerous experimental evidence report that eukaryotic proteomes may have been under-estimated and that cells are capable of synthetizing proteins which had not been predicted thus far. These novel proteins, termed “alternative proteins” (altProts) may be translated from non-canonical ORFs localized in mRNAs or from RNAs annotated as non-coding. These discoveries were made possible thanks to technical progresses in analytical chemistry in mass spectrometry-based proteomics. These analyses are based on two main strategies; the “bottom-up” approach is based on the peptidic products of enzymatic digestion of native proteins whereas the second and more recent approach, termed “top-down”, is based on the analysis of intact protein by mass spectrometry. The work described in this thesis is focused on the development of experimental strategies helping the discovery and characterization of altProts using bottom-up and top-down approaches. The findings are described in scientific publications which are included in the thesis. These publications include a review, two publications on the application of the top-down approach using micro-extractions on rat brain tissue and ovarian tumor biopsy and one publication related to the stoichiometry elucidation of a canonical and an alternative protein both encoded within the same gene.

En recherche clinique ou environnementale, les biomarqueurs protéiques présentent un intérêt croissant. Bien que les immuno-dosages restent les méthodes de référence pour leur quantification, les récentes avancées en spectrométrie de masse (MS) font de cette technique une alternative crédible à l'ELISA. Ce travail apporte quelques éléments méthodologiques pour repousser certaines limitations de la MS. D'abord, deux dosages ont été proposés. Celui réalisé chez G. fossarum représente le premier exemple de dosage de la Vitellogénine chez un invertébré par LC-MS/MS. L'un des défis de la méthode présentée est de doser spécifiquement une protéine dans un organisme dont le génome est majoritairement inconnu. Le second dosage concerne les peptides contenant une méthionine. Nous avons développé un protocole d'oxydation des méthionines afin de s'affranchir du biais lié à leur oxydation partielle. Cette méthode a ensuite été appliquée à une protéine impliquée dans la maladie d'Alzheimer (l'Apolipoprotéine E4) dans une cohorte de 673 plasmas. Ce dosage est à ce jour l'une des plus grandes études réalisées par LC-MS/MS et montre toute la robustesse de cette approche. Enfin, l'influence de la phase mobile sur la sensibilité des dosages de peptides a été étudiée : d'abord en phase inverse, où le méthanol est une bonne alternative à l'acétonitrile ; ensuite en HILIC, où les difficultés liées à l'étude d'ions multichargés en milieu majoritairement organique ont été abordées. Les problèmes liés à la capacité de charge des colonnes ont également été soulevés. La chromatographie HILIC reste prometteuse pour la quantification de peptides puisqu'un facteur dix en sensibilité peut être apporté.

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

L'IRM de perfusion et de spectroscopie restent encore peu utilisées en raison de leur mise en oeuvre difficile et de leur manque de quantification. L'objectif de ces travaux a été d'optimiser et de valider des techniques IRM totalement non invasives chez l'Homme en vue d'applications cliniques permettant une exploration sur un large volume cérébral et une quantification absolue des paramètres de perfusion et du métabolisme cérébraux. Concernant la perfusion, 3 séquences de type marquage de spins,PASL PICORE, PASL FAIR et pCASL, ont été comparées en termes de sensibilité et de reproductibilité. pCASL a ensuite été intégrée dans un protocole de recherche sur des patients atteints de sclérose en plaques ou SEP. Quant au métabolisme cérébral, un protocole a été mis en place afin d'accéder à une quantification absolue et pseudo absolue des métabolites par la normalisation du signal de l'eau issue de la CSI par la densité de protons acquise en IRM. Cette technique a été validée en CSI 2D puis transposée en 3D avec la séquence EPSI sur deux orientations différentes : CACP et CACP+15°afin de constituer des valeurs normatives fiables des métabolites principaux sur tout le cerveau. L'élaboration de ces techniques en spectroscopie a abouti à une étude sur des patients souffrant de SEP démontrant la faisabilité de l'utilisation de ces techniques en clinique. Ces travaux démontrent que la quantification absolue en IRM de perfusion et en IRM de spectroscopie peut être obtenue sur un large volume cérébral de manière fiable sur un système IRM disponible en environnement clinique dans un temps d'acquisition acceptable à travers les corrections diverses spécifiques à chaque imagerie. / Conventional MRI's lack of specificity in clinical routine limits our ability to perform correct diagnoses or follow-ups of pathological diseases. Two forms of NMR imaging, perfusion weighed and spectroscopic imaging provide information about two closely related characteristics :cerebral perfusion and metabolism. However, these techniques are not widely used due to the complexity of implementation and a lack of quantification.The general aim was to optimize and validate completely non-invasive NMR techniques for further human clinical applications in the context of exploring large cerebral volumes and determining absolute or pseudo-absolute quantification of cerebral perfusion and metabolism. Concerning perfusion, three arterial spin labeling sequences, PASL PICORE, PASL FAIR and pCASL, were compared in terms of sensitivity and reproducibility. The pCASL sequence was then integrated to a protocol applied to patients suffering from multiple sclerosis. In relation to metabolism, a protocol was applied in order to access absolute and pseudo-absolute metabolite quantification by water SI normalization from MRI proton density. This technique was validated on 2D CSI and then on 3D with EPSI sequence with two orientations, AC-PC and AC-PC+15 in order to generate reliable normative values of metabolites for the whole brain. The use of those spectroscopic techniques on patients suffering from multiple sclerosis allowed demonstrating the feasibility in clinic.This work demonstrates that reliable absolute quantification in perfusion weighted and spectroscopic imaging can be obtained with extensive coverage and with an acquisition time compatible with the reality of clinical exams.

Les toxines botuliques (BoNTs) sont les substances les plus toxiques connues. Elles sont responsables du botulisme, une maladie rare mais le plus souvent mortelle sans prise en charge médicale. Cependant, les applications médicales des BoNTs sont de plus en plus nombreuses du fait de leurs propriétés paralysantes. Leur toxicité par voie inhalée en fait un des 6 principaux agents du risque intentionnel. Les BoNTs, produites par Clostridium botulinum, se répartissent en 7 types sérologiques qui se déclinent en sous-types. Cette biodiversité rend difficile leur identification par les méthodes classiques utilisées pour les toxines protéiques (approches immunologiques). Jusqu’à présent, seule l’analyse génétique permettait de distinguer les différents sous-types entre eux. Dans ce travail a été développée une méthode d’analyse en LC-QqQ-MS/MS en mode MRM pour identifier les différents sous-types de la BoNT/A dans des matrices complexes à partir de peptides communs et spécifiques à ces sous-types. Un traitement d’échantillon par immunocapture sur billes magnétiques couplées à des anticorps anti-peptides a été développé pour isoler la toxine de l’échantillon avant analyse. Des surnageants de culture des sous-types A1 à A3, A5, A7 à A8 ont été utilisés pour valider la méthode. La limite de détection de la méthode est compatible avec les taux de toxine retrouvés habituellement dans les échantillons naturellement contaminés. Cette méthode de spectrométrie de masse a ensuite été utilisée pour quantifier les différents sous-types de la BoNT/A dans une matrice complexe (surnageants de culture de C. botulinum). Une technique de quantification, utilisant un isotope stable de la chaine légère de type A1, ([13C6]K et [13C6]R), a été retenu comme étalon interne. Les différents sous-types de BoNT/A ont été quantifiés dans les surnageants et la quantité de BoNT correspondante à une dose létale minimale de 100% a été déterminée pour chaque sous-type. / Botulinum neurotoxins (BoNTs) are the most poisonous substances known. They are responsible for human botulism, a rare but potentially fatal disease if not quickly treated. However, BoNTs were approved for the treatment of numerous medical applications due to their temporary paralysis effects. BoNTs are among the six agents with the highest risk of potential use as bio-weapons because of their high toxicity in aerosol form. BoNTs, produced by Clostridium botulinum, are divised into seven toxinotypes and each toxinotype contains several subtypes. This biodiversity makes more difficult their identification with classical methods by immunological ways. Until now, only molecular genetical methods could differenciate subtypes among them. The aim of this work was to develop a liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) in MRM mode to efficiently discrimate the distinct subtypes from specific and common peptides. Immunocapture sample preparation with antipeptides antibodies was used and allowed the isolation of the toxin from the sample. Subtyping was performed with crude supernatants (BoNT/A1 to /A3, /A5, /A7 and /A8) in order to validate the method. Limit of detection (LOD) of the proposed method is in the range of minimal toxin concentration found in naturally contamined samples. In a second part of this work, this mass spectrometry method was used to quantify the neurotoxin in complex matrices (supernatants of Clostridium botulinum cultures). Isotope labeled light chain (13C6]K et [13C6]R) from botulinum A1 neurotoxin was produced and used as internal standart. Subtypes were quantified in supernatants and the quantity of neurotoxin for one minimal lethal dose 100% was determined for each subtype

La quantification des anticorps monoclonaux (mAbs) dans le plasma est un pré-requis essentiel pour les études PK/PD. Les méthodes de références pour quantifier actuellement les mAbs sont de type ELISA mais les difficultés rencontrées notamment lorsque l’analyse porte sur des mAbs dont la cible pharmacologique est circulante, suggèrent que la spectrométrie de masse serait une alternative intéressante. Appliquée au bevacizumab, la stratégie développée fait appel à la spectrométrie de masse en tandem utilisée en mode MRM (HPLC-ESI-QqQ) et porte sur l’analyse des peptides spécifiques du bevacizumab obtenus à l’issu d’une protéolyse trypsique. La quantification absolue est réalisée à l’aide d’une droite de calibration obtenue à partir du ratio des aires des peptides du bevacizumab et de l’étalon interne. Afin de proposer une méthodologie de quantification de référence, nous avons définie les points clés du développement pour la transposition à d’autre mAbs et comparé les deux stratégies d’étalonnage interne les plus employées : l’une utilisant une protéine analogue et l’autre un peptide marqué par des isotopes stables (SIL-peptide). A travers ce développement la stratégie proposée présente un caractère universel vis-à-vis des anticorps monoclonaux de type IgG dont le traitement des échantillons repose sur une purification par protéine A suivit d’une concentration par ultrafiltration et dont la quantification fait appel à l’approche d’étalonnage interne SIL-peptide. Validée selon les recommandations de la FDA, notre méthode présente les performances analytiques attendues en termes de sensibilité, répétabilité et spécificité pour être appliquée à des études cliniques. / The quantification in plasma of monoclonal antibodies (mAbs) is an essential prerequisite to any PK/PD preclinical and clinical study. To date, reference techniques used to quantify mAbs, rely on enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) but the difficulties encountered in particular when the analysis focuses on the mAbs whose pharmacological target is circulating, suggest that mass spectrometry would be an interesting alternative. Applied to bevacizumab, the quantification developed strategy involves tandem mass spectrometry (HPLC-ESI-QqQ) used in MRM mode and focuses on the analysis of specific peptides bevacizumab obtained after tryptic proteolysis. Absolute quantification is achieved through calibration curve obtained from peak area ratios of bevacizumab surrogate peptide and internal standard. To propose a reference quantification methodology, we have identified the key points of development for transposition to other mAbs and compared the two most commonly used internal calibration approaches: one using protein analogue and the other a stable isotope labeled surrogate peptide (SIL-peptide). Through this development, the proposed strategy has a universal character with respect to IgG monoclonal antibodies subclasses which is based on sample processing purification using protein A followed by concentration by ultra filtration and whose quantification involves the internal calibration approach SIL-peptide. Validated according to FDA guidelines, our method shows the expected analytical performance in terms of sensitivity, specificity and repeatability for application in clinical studies