La spectrométrie de masse en tandem est désormais une technique de choix pour l'analyse du protéome humain ou de micro-organismes. Typiquement, les protéines sont tout d'abord digérées en peptides protéotypiques, ceux-ci étant ensuite séparés par chromatographie liquide avant d'être analysés par MS/MS. L'identification et la quantification de ces peptides rapporteurs de protéines permet la mise en évidence d'un phénotype ou d'un mécanisme cellulaire particulier, dans un organisme complexe. Des approches par spectrométrie de masse ciblée et non ciblée coexistent et sont complémentaires dans l'analyse protéomique. Les travaux présentés ici se sont focalisés sur le développement de méthodes ciblées, et plus particulièrement en mode SRM, à travers deux applications chez des micro-organismes modèles. Ainsi, une première étude s'est portée sur la quantification absolue des protéines du virus chimère dengue – fièvre jaune candidat vaccin. Par l'utilisation d'une stratégie de quantification de type AQUA, nous avons pu développer, valider et transférer le dosage des quatre sérotypes du virus chimère candidat vaccin. Les problématiques soulevées à travers ce projet nous ont amené à proposer des étapes à contrôler lors du développement d'un dosage par la stratégie AQUA.Dans une seconde partie, nous nous sommes attachés à développer une analyse quantitative sans marquage de 445 protéines afin d'étudier l'infection d'un phytopathogène, Dickeya dadantii, sur une plante modèle. Afin d'assurer un transfert simple et rapide de cette analyse multiplexée, nous proposons un nouvel outil d'acquisition indépendant des temps de rétention. Cet outil développé en partenariat avec la R&D Sciex à Toronto est appelé « Scout-MRM » / Tandem mass spectrometry is now a technique of choice for human or micro-organisms proteome analysis. Typically, proteins are first digested into surrogates’ peptides, separated by liquid chromatography before being analyzed by MS/MS. The ultimate goal is the identification and the quantification of these peptides, belonging to proteins and highlighting a phenotype or a cellular mechanism in a complex organism. Both targeted and untargeted approaches are used and are complementary in proteomic analysis. The work presented here is focused on the development of targeted methods, and more particularly in the SRM mode, through two applications involving micro-organisms. So, the first study concerned to absolute quantification of viral proteins of the chimeric yellow-dengue fever, vaccine candidate against dengue. By using the AQUA quantification strategy, we were able to develop, to validate and to transfer the method for the four chimeric virus serotypes. Then, problems met during development process, lead us to suggest check points to verify when using AQUA strategy. In a second part, we attempted to develop a quantitative label free analysis of 445 proteins to study the infection of the phytopathogen Dickeya dadantii, on a model plant. To ensure a simple and fast transfer of this multiplex, we purpose a new acquisition tool, independent from retention time. This tool was developed in a partnership with the R&D Sciex, Toronto and is called “Scout-SRM”

L'eau est une molécule omniprésente dans notre environnement, mais également dans notre atmosphère. La compréhension des phénomènes physico-chimiques tels que la solvatation, la formation d'agrégats et d'aérosols dans l'atmosphère requièrent une bonne connaissance de la nucléation homogène de l'eau. Dans ce cadre, la dimérisation constitue la toute première étape de ce processus où deux molécules de structure similaire sont fortement rapprochées par des interactions intermoléculaires, sans former de liaisons chimiques, conduisant ensuite à la formation d'agrégats de plus grandes tailles et à la condensation. Le dimère de l'eau est une cible d'étude des chimistes et des physiciens depuis le début du XXe siècle. En effet, certains physiciens pensent qu'une partie de l'absorption du rayonnement solaire terrestre est dû au dimère tandis que des chimistes débattent de son implication dans le mécanisme de formation de l'acide sulfurique responsable des pluies acides. On retrouve également le dimère de l'eau au sein des comètes ainsi que de l'eau dans de nombreux environnements astrophysiques. Pour répondre à ces différentes problématiques, il est nécessaire de quantifier la présence du dimère de l'eau dans notre atmosphère. Ce mémoire présente l'étude expérimentale de la cinétique de formation du dimère de l'eau sur une gamme de températures s'étendant de 23 à 74 K. Cette étude a été réalisé en utilisant un dispositif dédié à l'étude des espèce condensables. Elle a associé plusieurs techniques dont les écoulements CRESU (Cinétique de Réaction en Ecoulement Supersonique) et un spectromètre de masse à temps de vol. Un canon à électrons a par ailleurs été ajouté au dispositif afin de permettre l'ionisation des agrégats que nous formons. Les résultats des études de cinétique à 23K, 36K, 49K, 63K et 74K ont été reportés et la dépendance en pression du coefficients de vitesse de la dimérisation de l'eau a été examinée à 23K. / Kinetics measurements of water dimer formation at low temperatures

La mesure d’interaction entre une molécule candidate et sa cible biologique est d’un intérêt majeur dans la recherche de nouveaux composés thérapeutiques. A l’heure actuelle, le marquage radioactif est la méthode de référence pour ce type d’étude pharmacologique, permettant une détection spécifique et extrêmement sensible de la molécule d’intérêt dans des matrices biologiques complexes. Cependant l’utilisation de la radioactivité présente de nombreux inconvénients, principalement en termes de sécurité pour les utilisateurs et problématiques environnementales induites par le stockage de déchets radioactifs. Au regard de ces limitations, des technologies alternatives ont été développées principalement basées sur une détection de fluorescence. Toutefois, l’incorporation de groupements encombrants tels que les fluorophores peut potentiellement perturber les propriétés physico-chimiques de la molécule et ainsi altérer son affinité envers le récepteur, ce qui limite l’application de ce type de stratégie pour les ligands de faible poids moléculaire. Dans ce contexte, nous souhaitons développer une méthodologie alternative pour quantifier les interactions récepteur-ligands. La spectrométrie de masse présente de remarquables capacités en termes de sensibilité et de spécificité d’analyse. Parmi les technologies existantes, l’ICP-MS est une technique extrêmement sensible permettant la quantification absolue d’hétéroéléments indépendamment de la matrice dans laquelle se trouve l’échantillon. Cette technique associée à un marquage approprié de la molécule d’intérêt a donc été évaluée. Le sélénium a été sélectionné comme un bon compromis entre la réponse obtenue en ICP-MS et la possibilité d’introduire ce marqueur au sein de la molécule d’intérêt selon des protocoles de chimie conventionnelle, sans perturbation de l’affinité pour le récepteur. La preuve de concept a été illustrée sur le récepteur à la vasopressine V1A impliquant des ligands de nature peptidique. Différentes stratégies ont été appliquées pour la conception de ligands marqués au sélénium basées sur la substitution d’acides aminés par leurs analogues séléniés (ex : remplacement de la cystéine (Cys) par la sélénocystéine (Sec) et de la proline (Pro) par la sélénazolidine (Sez)) ainsi que la dérivatisation en position N-terminale du peptide avec une petite molécule organique. La méthodologie analytique par ICP-MS a été développée de manière à obtenir une mesure du sélénium à la fois sensible et fiable. La forte proportion de sels inorganiques contenus dans la matrice pharmacologique a nécessité le recours à une séparation chromatographique et à une cellule de collision en amont de la détection par ICP-MS. Le protocole pharmacologique a également été adapté aux exigences analytiques. Ces modifications ont notamment porté sur la récupération de l’échantillon pour procéder à son injection ainsi que sur la quantité de cellules utilisées. La robustesse des expériences pharmacologiques ainsi conçues a été évaluée par la mesure de la constante d’affinité (Ki) de ligands caractéristiques du récepteur V1A présentant des affinités élevées et faibles pour ce dernier. Les résultats obtenus ont présenté une très bonne corrélation avec les valeurs de référence indiquées dans la littérature, permettant ainsi de valider la preuve de concept de cette méthodologie et de proposer une alternative viable au marquage radioactif. / Measuring interactions between a drug candidate and its specific target constitutes a parameter of upmost importance in drug discovery process. Because of its robustness and very high sensitivity, radio-isotopic labeling represents up to now the reference method for these pharmacological studies. However, the use of radioactivity confers several constraints about security, health hazards and environmental issues involved by radioactive waste storage. Regarding such limitations, non-radioactive technologies have been developed principally based on fluorescence detection. But the cost of such assay as well as the fact that incorporation of a bulky fluorescent block can affect the affinity for small ligand limit their use. In this context, we aim to develop a new methodology to quantify receptor-ligands interactions. Mass spectrometry (MS) presents very interesting features in terms of detection sensitivity and specificity, making this technique a challenging analytical tool to replace radioactivity and fluorescence measurements commonly used in pharmacology. Among all MS technologies, the capacity of inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) to provide metallic and hetero elements absolute quantification, whatever the nature of the sample medium, prompted us to investigate this technique in combination with an appropriate labeling of the molecule of interest. Selenium was selected as a good compromise between ICP-MS response and chemical tagging ability through the creation of covalent bonds using conventional organic sulfur chemistry without disturbance of the affinity toward targeted receptor. Proof of concept was illustrated on the vasopressin receptor (V1A), a GPCR involved in vasoconstriction and emotional behavior and implying peptide as native ligand. Different strategies were applied to design selenium labeled peptides relying in either conventional amino acid substitution by corresponding selenium containing residue into peptide sequence such as cysteine (Cys) replacement by selenocysteine (Sec) as well as proline (Pro) by selenazolidine (Sez), or N-terminal peptide derivatization with a selenium containing small organic entity. ICP-MS analytical methodology was carefully investigated to provide sensitive and reliable selenium signal measurement. High inorganic salts contents of pharmacological buffer along with polyatomic interferences from plasma interfering selenium detection necessitate chromatographic separation and collision reaction cell equipment before ICP-MS detection. The pharmacological protocol was also adapted to the analytical requirements, in particular quantity of cells and sample handling. Robustness of the designed competitive binding assay was evaluated through the affinity constant (Ki) measurement of several known V1A-R ligands exhibiting either high or poor affinity for the receptor. Experimental values were strongly correlated to literature data, enabling to validate the proof of concept of such methodology and to propose a suitable alternative to radioactive labeling.

La dilution isotopique, SID pour « Stable Isotope Dilution », est une méthode largement utilisée pour la quantification de peptides et protéines en spectrométrie de masse, généralement associée aux techniques d’ionisation ambiante. Les travaux de cette thèse sont donc consacrés à l’application de la méthodologie de la dilution isotopique (SID) en spectrométrie de masse par désorption/ionisation laser assistée par une matrice (MALDI) pour la mesure d’interaction récepteur/ligand en pharmacologie. En effet, un nombre important de pathologies mettent en jeu des récepteurs membranaires tels que les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) en interaction avec différents ligands, souvent peptidiques. En particulier, le récepteur V1A est impliqué dans l’activité vasoconstrictrice de l’hormone peptidique AVP (Arginine VasoPressine) et la contraction de cellules musculaires ainsi que dans certains comportements sociaux. Ce récepteur a été choisi comme modèle d’étude nécessitant le marquage par voie chimique du ligand Homo-HO-LVA (pour « Hydroxy Linear Vasopressin Antagonist »), sélectionné pour sa forte affinité envers le récepteur V1A afin d’introduire l’entité permettant le dosage en SID/MALDI. Cette méthodologie est mise en œuvre via la génération d’une liaison covalente de la matrice HCCA (4-hydroxy-α-cyanocinnamic acid), couramment utilisée pour l’analyse peptidique pour obtenir le peptide modifié (JMV4854) par acylation en position N-terminale. Le but est alors de tirer profit de l’utilisation conjointe de ce marquage et de la matrice neutre HCCE (4-hydroxy-α-cyanocinnamate de méthyle) pour la détection spécifique et sensible de composés jusqu’à des concentrations picomolaires. L’étape stratégique de quantification par dilution isotopique nécessite un étalonnage et une validation statistique avant de pouvoir passer à l’application pharmacologique. Celle-ci consiste à mesurer l’affinité du JMV4854 pour le récepteur V1A par des expériences thermodynamiques de mesure de constantes de dissociation (Kd) afin de déterminer par la suite des constantes de dissociation de molécules non marquées via des expériences de compétition. Un second modèle de récepteur, le CCKB-R (cholecystokinine B receptor), a ensuite été étudié pour valider la méthodologie de quantification. Devant le regain d’intérêt des laboratoires pharmaceutiques pour les expériences cinétiques de mesure de constantes de dissociation, il serait intéressant d’y appliquer cette méthodologie. Celle-ci présente un potentiel intéressant en tant qu’alternative aux méthodologies actuellement incontournables que sont la radioactivité et la fluorescence. Un second d’axe d’étude a été initié avec un marquage conçu pour diriger la fragmentation de peptides pour des mesures en spectrométrie de masse en tandem par ionisation Electrospray (ESI-MS/MS). Des modifications par introduction en position N-terminale des peptides d’une charge fixe ont été envisagées. Des études préliminaires (synthèse d’ions préformés par incorporation d’une entité pyridinium) ont montré un comportement prometteur en fragmentation ouvrant de nouvelles perspectives de quantification. / The SID methodology, for Stable Isotope Dilution, is a widely applied methodology for peptides and proteins analysis in mass spectrometry, usually associated with atmospheric pressure ionisation techniques. This thesis is consequently devoted to the application of SID methodology in matrix assisted laser desorption/ionisation (MALDI) mass spectrometry to quantify receptor/ligand interaction in pharmacology. Indeed, a great number of pathologies involve membrane receptors like G protein coupled receptors (GPCR) in interaction with several ligands, frequently peptides. Particularly, the V1A receptor, is related to vasoconstriction activity of the peptide hormone AVP (arginine vasopressine) and contraction of muscular cells as well as many social behaviors. This receptor was chosen as model, requiring the chemical labelling of the ligand Homo-HO-LVA (Hydroxy Linear Vasopressin Antagonist), selected for its high affinity towards the V1A receptor in order to introduce the entity on which relies the quantification in SID/MALDI. This methodology is applied through the covalent binding of HCCA (4-hydroxy-α-cyanocinnamic acid) matrix, usually encountered in peptide analysis, to obtain the modified peptide (JMV4854) through N-terminal acylation. The objective is to take advantage of the use of both HCCA tagging and HCCE (4-hydroxy-α-cinnamic methyl ester) matrix for the specific and sensitive detection of compounds down to picomolar concentrations. Importantly, quantification with SID requires a calibration protocol and a statistical validation before pharmacological assays. This consists in the measurement of JMV4854 affinity towards V1A-R through thermodynamic experiments in order to quantify the dissociation constant (Kd) and determine afterwards constants for untagged molecules by competitive binding assays. Furthermore, a second receptor model, CCKB-R (cholecystokinine B receptor), was then studied to validate the quantification methodology. Facing the renewed interest in pharmaceutic industry of kinetic experiments for dissociation constant measurement, it would be interesting to apply this new methodology to drug discovery, representing a relevant alternative to current “gold-standard” methodologies such as radioactivity and fluorescence. A second field of research has been initiated with a covalent labelling designed to enhance peptide fragmentation for electrospray-based (ESI-MS/MS) tandem mass spectrometry measurements. Preliminary studies with the synthesis of pre-formed ions like N-terminal substitution with pyridinium entities gave very promising results opening the way of other quantification strategies.

La maladie de Fabry est une maladie lysosomale présentant une grande hétérogénéité phénotypique et génotypique. Elle est causée par des mutations au niveau du gène GLA, situé sur le chromosome X, entrainant un déficit de l'enzyme alpha-galactosidase A. Celui-ci mène à une accumulation de globotriaosylcéramide (Gb3), de globotriaosylsphingosine (lyso-Gb3) et de galabiosylcéramide (Ga2) et leurs isoformes et analogues respectifs qui sont utilisés comme biomarqueurs pour la maladie de Fabry. Il est possible de les quantifier dans les liquides biologiques tels que le plasma et l’urine des patients. Le principal traitement consiste en une thérapie d’enzyme de remplacement (TER) qui n’est pas efficace pour tous les patients, car des complications peuvent survenir suite à une réponse auto-immune contre l’enzyme infusée. Le développement d’autres thérapies est au coeur de la recherche actuelle. La thérapie génique à l’aide d’un vecteur viral pour cette maladie lysosomale est en développement au Canada. Un modèle de souris NOD/SCID/Fabry (NSF) a été généré pour le développement du vecteur viral, la compréhension de la distribution des biomarqueurs au niveau des tissus de différents organes et l’évaluation des effets du traitement. Ce modèle est une souris avec une inactivation complète du gène GLA ainsi que l’absence de système immunitaire. Les objectifs du projet de maîtrise étaient donc de: 1) développer et valider une méthode pour l’homogénéisation des tissus, l’extraction et le dosage du Gb3 et ses isoformes/analogues dans les tissus de différents organes de souris Fabry et souris contrôles à l’aide de la chromatographie liquide ultra performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (UPLC-MS/MS); 2) comparer les profils de distribution des biomarqueurs dans différents organes pour des souris atteintes de la maladie de Fabry et des souris contrôles. L’analyse des souris NSF a permis d’établir un profil de biomarqueurs comportant jusqu’à 22 isoformes pour chaque organe et de mettre en évidence des différences significatives entre la distribution du Gb3 dans lesdits organes. La quantité la plus élevée de Gb3 se retrouve au niveau de la rate, suivis du petit intestin, des reins, des poumons, du coeur, du foie et du cerveau. Les isoformes formés d’un acide gras sans insaturation sont les plus abondants dans l’ensemble des organes. Un transfert technologique sera effectué pour l’analyse des biomarqueurs dans des échantillons de plasma de patients Fabry ayant reçu la thérapie génique. En conclusion, la méthode mise au point est sensible et offre un outil efficace pour l’analyse des tissus de différents organes de souris par la production d’un profil de biomarqueurs, ce qui peut aussi mener à de meilleurs outils pour monitorer les patients atteints de la maladie de Fabry.

Les P-bodies sont des granules cytoplasmiques de fonction inconnue. Ils sont néanmoins conservés de la levure à l’homme, suggérant un rôle important chez les eucaryotes. L’analyse de l’influence de l’expression de certaines protéines pouvant se localiser dans ces granules a permis de mettre en évidence le rôle crucial de DDX6 dans l’assemblage des P-bodies. En effet, l’inhibition de l’expression de DDX6 dans les cellules humaines empêche l’assemblage des P-bodies. L’étude de la protéine DDX6 semblait donc être un bon point de départ pour comprendre d’avantage le rôle des P-bodies. Cette hélicase à motif DEAD de 54 kDa interagit avec des protéines du complexe répression de la traduction CPEB chez le Xénope, mais également avec des protéines des complexes de dégradation 5’-3’ et 3’-5 ‘ des ARNm chez les mammifères, les levures et les drosophiles, ou encore avec les protéines Argonautes du complexe miRISC chez les mammifères. Nos travaux se sont donc intéressés à déterminer les principales fonctions de DDX6 dans les cellules humaines. Les complexes protéiques contenant DDX6 ont été purifiés à partir de lysats cytoplasmiques de cellules HEK293 transfectées avec un plasmide codant pour la protéine FLAG-DDX6-HA. Plus de 300 partenaires protéiques ont été identifiés en spectrométrie de masse. Trois complexes majeurs contenant DDX6 ont été mis en évidence : un complexe de répression « CPEB-like », le complexe de décoiffage des ARNm, et un complexe contenant les ataxin-2 et ataxin-2-like. Les protéines du cœur du complexe de jonction d’exons sont également en interaction avec DDX6, suggérant que DDX6 interagit avec des ARNm tout juste sortis du noyau. Enfin, le grand nombre et les hauts scores avec lesquels ont été identifiés les protéines ribosomales nous ont conduit à analyser la présence de DDX6 au niveau des polysomes. L’analyse de lysats cytoplasmiques sur gradient de sucrose nous a permis de mettre en évidence l’association d’une fraction de DDX6 aux polysomes. Toutes ces observations mettent en évidence le rôle multiple de DDX6 entre répression et dégradation des ARNm, dans les cellules humaines. L’hélicase pourrait permettre le recrutement du complexe de répression par des ARNm activement traduits. La fixation multiple de DDX6 à l’ARNm pourrait être un moyen de recruter simultanément les complexes de répression et de dégradation des ARNm sur un même ARNm. / P-bodies are cytoplasmic granules. Their function is unknown, but they are conserved from the yeast to humans, suggesting an important role through eukaryotes. The expression inhibition of several proteins localized in P-bodies leads to their disassembly. In most cases, a cellular stress induced by arsenite treatment causes P-body assembly, except in cells depleted for DDX6. Since this observation showed that DDX6 is necessary for P-body assembly, to study this protein is a good starting point to further understand the role of P-bodies. This 54 kDa DEAD-box helicase interacts with proteins of the CPEB repression complex in xenopus oocytes, but also with protein of the déadénylation and dacapping complex in yeasts, drosophila and mammals, and with proteins of the miRISC complex. Our project was to determine the DDX6 main protein partners in human cells. To do so, DDX6 containing complexes were purified using HEK293 cells transfected with a plasmid encoding for the FLAG-DDX6-HA. Over 300 partners were identified by mass spectrometry. Three main DDX6 containing complexes were highlighted in human cells: A “CPEB-like” repression complex, the decapping complex, and a complex containing ATXN2 and ATXN2L proteins. Exon junction complex core proteins were also identified as DDX6 partners, raising the possibility that DDX6 interacts with mRNA not yet translated. A large number of ribosomal proteins were also identified with high scores, suggesting that DDX6 interacts with actively translated mRNA. Analyze of cytoplasmic lysates on sucrose gradients showed that DDX6 is partially associated with polysomes. To conclude, these observations showed the multiple roles of DDX6 in human cell, between mRNA repression and degradation. The helicase could allow the recruitment of the repression complex on actively translated mRNA. In a nutshell, the multiple binding of DDX6 on one mRNA could be a way to enable the fixation of repression and degradation complexes at the same time, on the same mRNA.

La sclérose en plaques (SEP) est une maladie inflammatoire auto-immune du SNC qui affecte 90 000 personnes en France et génère un coût important pour la société. La forme la plus fréquente (85% des cas) est la SEP récurrente-rémittente (RRMS) caractérisée par des poussées démyélinisantes entrecoupées de périodes de rémission après un syndrome cliniquement isolé (CIS). La conversion en RRMS après un CIS, caractérisée par une nouvelle poussée ou de nouvelles lésions sur les IRM de suivi, survient après un délai variant de quelques mois à plus de 10 ans (20% des cas, « SEP bénigne »). Les traitements disponibles (immunomodulateurs et immunosuppresseurs) ont une efficacité indéniable pour la prévention des poussées et doivent être initiés dès le diagnostic pour une efficacité maximale, surtout chez les patients montrant une conversion rapide en SEP après un CIS. Leur intérêt est en revanche négligeable pour les formes bénignes. Ainsi, il existe un besoin d’identifier des biomarqueurs pronostiques précoces de la SEP pour une prise en charge optimale des patients. Le but de ma thèse est d’identifier des biomarqueurs pronostiques de SEP en utilisant différentes approches de protéomique quantitative,. Dans un premier temps, nous avons utilisé des échantillons cliniques de LCR de patients. Ces travaux m’ont permis d’identifier, en protéomique quantitative utilisant un marquage chimique des peptides (TMT), plusieurs candidats biomarqueurs de SEP. Ceux-ci incluent deux chitinase-3-like protéines, CHI3L1 et CHI3L2 dont le taux mesuré en ELISA, dans le LCR, augmente avec l’évolution de la maladie. Ces travaux ont également démontré que la concentration sanguine de CHI3L1 constituait un biomarqueur de la progression de la maladie. Dans un second temps, nous avons combiné l’analyse du LCR de différents patients SEP et contrôles en protéomique Label-Free avec un modèle préclinique analysant les modifications du sécrétome d’oligodendrocytes murins en culture primaire par approche SILAC. Les biomarqueurs potentiels, 87 protéines correspondant à 226 peptides cibles, ont été ensuite vérifiés en protéomique quantitative ciblée ou parallel reaction monitoring (PRM), à l’aide de peptides marqués servant de référence. Les 11 candidats les plus discriminants issus de cette étape ont ensuite été vérifiés en PRM sur une cohorte plus large d’échantillons de patients. Finalement, 7 candidats ont montré un profil significatif au cours de cette première validation. Ces candidats biomarqueurs permettent notamment de discriminer les différentes formes évolutives de la SEP et de distinguer cette pathologie d’autres maladies inflammatoires et neurologiques. De plus, ces derniers pourraient avoir un intérêt prognostique permettant d’identifier les patients qui vont développer une SEP après la découverte fortuite de lésions typiques de la maladie à l’IRM. Ce travail de thèse a donc caractérisé de nouveaux biomarqueurs de SEP devant être validés sur de larges cohortes multicentriques de patients et ouvre de nouvelles perspectives sur la compréhension des mécanismes physiopathologiques de la SEP. / Discovery, confirmation and verification of candidate biomarkers for multiple sclerosis diagnosis and prognosis in cerebrospinal fluid.Multiple sclerosis (MS) is an inflammatory disease of the central nervous system. Most often the disease initiates by a first demyelinating event called clinically isolated syndrome (CIS), followed by remission periods and relapses occurring at irregular intervals. Clinical symptoms and MRI are used for diagnosis, but clinicians lack tools to predict the rate of disease progression. This study aims at identifying biomarkers that predict the delay of conversion to MS after a CIS. We compared the cerebrospinal fluid (CSF) proteome from MS patients and symptomatic controls and the CSF from CIS patients with rapid conversion to MS (<1 year) and CIS patients with slow conversion to MS (>2 years). For the discovery step, human CSF samples (n=40) depleted of the 20 major plasma proteins were digested using a modified filter-assisted sample preparation (FASP) and analysed by high-resolution mass spectrometry using isobaric mass tag labelling or label-free quantification procedures. Proteins upregulated in CSF from MS patients included two proteins involved in tissue remodeling, namely chitinase-3-like protein-1 (CHI3L1) and chitinase-3-like protein-2 (CHI3L2). Their increased level in CSF of MS patients was confirmed by ELISA in a new cohort comprising CIS and MS patients (n=123) at different disease stages. Moreover, CHI3L1 levels in CSF and serum from CIS patients discriminated patients with rapid conversion to MS (< one year) from those with slower conversion.We also implemented a PRM method (peptide selection, dilution optimization of heavy isotope labeled non-purified peptides, reproducibility evaluation and method validation) to qualify a larger set of candidate biomarkers (226 peptides corresponding to 87 proteins) in a cohort different from the one used for the discovery step (n=60), including CSF from controls and MS patients at different disease stages. Finally, to further verify the 11 candidate biomarkers that passed this qualification step, we monitored 16 peptides in a new PRM assay, using shorter gradient and high-purity heavy isotope labeled peptides. This new PRM analysis was performed on a larger cohort (n=189) that included CSF of patients with other inflammatory and non-inflammatory neurological disorders in addition to control and MS patients. These analyses identified seven robust candidate biomarkers, which might help to discriminate patients suffering from MS or other neurological disorders.

Le dispositif expérimental original développé à Toulouse permet de contrôler les collisions entre un agrégat chargé, libre, thermalisé, sélectionné en masse et des molécules. Il permet d'étudier l'attachement de la molécule sur l'agrégat ou la fragmentation induite par collision. Afin de mieux comprendre les processus d'attachement d'une molécule sur un agrégat, nous avons mesuré les sections efficaces d'attachement de molécules d'alcool, méthanol et éthanol, sur des agrégats d'alcool. Nous avons pu observer un comportement similaire aux agrégats d'eau, c'est à dire des sections efficaces d'attachement inférieures à la section efficace géométrique aux petites tailles qui tendent vers cette section géométrique quand la taille augmente. Ce comportement avait été attribué pour l'eau à un effet dynamique. Ce modèle dynamique peut être étendu avec un bon accord qualitatif aux agrégats d'alcools. Les processus d'attachement et de fragmentation nous permettent de réaliser des expériences de nanocalorimétrie. Nous avons pu déterminer les capacités calorifiques et les températures de transition de phase dans des agrégats d'eau protonés (H2O)nH+, qui viennent compléter les mesures effectuées sur les agrégats déprotonés (H2O)n-1OH-. La nature de la transition est discutée. Un troisième volet de cette thèse concerne la fragmentation induite par collision de molécules d'intérêt biologique : l'uracile protoné, isolé ou hydraté. Nous avons observé les différentes voies de fragmentation de l'uracile protoné. L'influence du nombre de molécules d'eau hydratant la molécule d'uracile sur le spectre de fragmentation est liée à l'affinité protonique des constituants et à la structure de l'agrégat. / The experimental set-up developed in Toulouse enables to control collisions between a charged thermalised mass-selected free cluster and molecules. Processes of attachement of the molecule onto the cluster and collision induced fragmentation can be studied. In order to better understand the process of attachment of a molecule onto a cluster, we have measured attachment cross-sections of alcohol molecules, methanol and ethanol, onto alcohol clusters. We have observed a similar behaviour as the one observed with water clusters, that is attachment cross-sections that are lower than the geometrical cross-section at small sizes and that converge to this geometrical cross-section at bigger sizes. This behaviour had been assigned to a dynamical effect in the case of water. This dynamical model can be extended with a good qualitative agreement to alcohol clusters. Processes of attachment and fragmentation enable to realise nanocalorimetry measurements. We have determined heat capacities and transition temperatures for protonated water clusters (H2O)nH+. They complete measurements already done for deprotonated water clusters (H2O)n-1OH-. The nature of the phase transition is discussed. The last part of this dissertation concerns collision induced fragmentation for molecules that has some biological interest : protonated uracil, bare or hydrated. Fragmentation pathways of the protonated uracil molecule has been observed. The influence of the number of water molecules on the fragmentation pattern of solvated uracil is linked to the proton affinity of the constituants and to the cluster structure.

Des nanocristaux (NC) de CdSe et CdS ont été élaborés par grossissement thermique à partir de précurseurs organométalliques, de type thiophénolates de cadmium, synthétisés préalablement par voie sol-gel. Le protocole de synthèse des précurseurs a été validé par le contrôle de leurs compositions et de leur stabilité par spectrométrie de masse (SM) ESI-FTICR. La mise en place d'un protocole original avec croissance thermique par paliers à des T° de réaction plus basses que celles habituellement employées a permis d'obtenir des NC de tailles inférieures à celles couramment obtenues (< 2nm) durant un temps de réaction n'excédant pas 200 min. Les NC ont été caractérisés conjointement par plusieurs techniques physiques et physico-chimiques. Leur forme sphérique, leurs diamètres moyens (~ 2-3,5 nm) et leurs distributions de taille (8-19 %) ont été déterminés par TEM. Leur nature cristalline de type würtzite a été vérifiée par DRX. Une estimation supplémentaire des tailles moyennes, en accord avec les résultats de TEM, a été obtenue par DRX et SM MALDI-TOF. La spectrométrie optique à T° ambiante a mis en évidence l'évolution des propriétés d'absorption et de photoluminescence des NC en fonction de la T° de prélèvement, en particulier le glissement de l'énergie de transition fondamentale sous l'effet du confinement quantique. L'ensemble des résultats s'inscrit dans la correspondance empirique énergie excitonique-taille du NC communément admise et valide le protocole d'élaboration des NC adopté. L'analyse théorique des spectres optiques en approximation de la fonction enveloppe a montré les limites de validité de cette approche aux très petites tailles de NC / CdSe and CdS nanocrystals (NC) were produced by thermally growing cadmium thiophenolates organometallic precursors. These precursors were previously synthesized by a sol-gel reaction. The synthesis protocol has been validated by the study of their composition and stability by ESI-FTICR mass spectrometry. An innovative thermal growth method has been used by applying a temperature ramp with extraction of NC at fixed values. This approach is different of usual methods described in the literature as the NC sampling is done at lower temperatures ensuring the elaboration of smaller particles (< 2 nm) during shorter reaction time (< 200 min). The NC were characterized by combined physical and physical-chemical techniques. Spherical shape, average size (~2-3,5 nm) and size distribution (8-19 %) were determined by TEM. DRX confirmed the würtzite structure of the synthesized NC. Additional data of average size were obtained by DRX and MALDI-TOF mass spectrometry confirming those obtained by TEM. Room temperature optical spectrometry has demonstrated the evolution of the absorption and the photoluminescence as a function of the extraction temperature, more particularly, the fundamental transition of energy shifts due to the quantum confinement effect. These results are consistent with the empirical correspondence 'excitonic energy/NC size' universally recognized. Finally, the theoretical study of the different optical spectra shows the limit of the envelope-function approximation for very small size particles

Le travail présenté ici s'est penché sur les problèmes rencontrés sur ce type d'études protéomiques, et sur les solutions qui peuvent être explorées pour améliorer le débit d'évaluation des candidats biomarqueurs. Les peptides à méthionine sont généralement évités en raison de leur sensibilité à l'oxydation. Cependant, il semblait intéressant d'étudier leur modification endogène pouvant affecter les processus biologiques. Une première évaluation de l'impact de l'oxydation des apolipoproteins dans le cas de la maladie d'Alzheimer, a permis de mettre de côté ce biomarqueur potentiel, et de faire apparaître un certain nombre de problèmes liés au prélèvement et au stockage des échantillons biologiques. L'évaluation de dispositifs DBS (Dried Blood Spot) et Vivid à partir d'un panel de 32 protéines sanguines a permis de fournir une première solution envisageable pour maîtriser ces problèmes. Par la suite, un nouveau mode de quantification des peptides appelé MRM3 a été utilisé pour dépasser la complexité de la matrice biologique, et fournir une évaluation fiable des niveaux de concentration de 2 protéines plasmatiques, la C-Reactive protein et la TIMP-1, ainsi que 2 protéines urinaires, l'aquaporin-2 et la podocin. Pour améliorer la sensibilité d'analyse et réduire les coûts de solvants nécessaires aux analyses, l'évaluation d'une plate-forme de micro-chromatographie a été réalisée par comparaison à une plate-forme narrow-bore. Cette étude a permis de mettre en évidence l'impact important de l'effet matrice sur le processus analytique, nécessitant de développer de nouvelles stratégies de travail. Enfin, afin de réduire la complexité de l'échantillon, l'évaluation de cartouches d'extraction en phase solide à base de large taille de pores a été réalisé, et un protocole développé a permis d'analyser avec succès des enzymes contenus dans un échantillon de lessive commerciale. De plus, la durée nécessaire à la préparation d'échantillons biologiques a pu être fortement réduite en combinant une digestion rapide assistée par température combinée au dessalage en ligne, afin de permettre l'analyse quantitative des protéines qu'il contient seulement quelques heures après son arrivée au laboratoire / Over the past decade, interest in the use of biomarkers in clinical studies has greatly increased. Quantification of a candidate protein biomarker in complex samples (eg. plasma) requires targeted and multiplexed assays. Immunoassays are the gold standard for their quantification. However, with the need for targeted and multiplexed methods, recent developments in mass spectrometry (MS) make a viable alternative to ELISA. The present work has addressed the problems encountered in this type of proteomic studies, and solutions that can be explored to improve the workflow of candidate biomarker’s evaluation. Methionine peptides are generally avoided due to their susceptibility to oxidation. However, it seemed interesting to study how their endogenous modifications could affect biological processes. In a first time, apolipoproteins were dismissed as a potential biomarker of Alzheimer’s disease due to oxidation impact. In the same time, problems associated with biological sample collection and storage were highlighted. DBS (Dried Blood Spot) and Vivid device evaluation from a panel of 32 blood proteins has provided a first possible solution to overcome these troubles. Thereafter, a new peptide quantification method called MRM3 was used to overcome biological matrix complexity. Reliable level determinations of 2 plasma proteins (C-Reactive protein and TIMP-1) and 2 urinary proteins (aquaporin-2 and podocin) were obtained. To improve sensitivity and reduce analysis solvent costs, performances of a micro chromatography platform were compared to a narrow-bore platform. This study highlighted the significant impact of the matrix effect on the analytical process, requiring new strategie development. Finally, to reduce sample complexity, evaluation of wide pore solid-phase extraction cartridges has been achieved. A protocol was successfully developed to analyze enzymes contained in commercial laundry samples. Finally to optimize biological sample preparation time, heated-assisted digestion and online desalting step were successfully associated. Only few hours were then required for quantitative analysis