Les canalopathies cardiaques congénitales constituent la principale hypothèse diagnostique dans les cas de mort subite inexpliquée chez les sujets de moins de 35 ans. Notre travail a eu pour objectif demettre au point une stratégie de détection post-mortem des mutations sur les gènes connus pour être impliqués dans les canalopathies cardiaques, applicable en routine, à partir de la principale source d'ADN post-mortem disponible en France à savoir les prélèvements fixés au formol et inclus en paraffine (FFIP). A partir d'une cohorte de 12 cas, deux techniques de détection de variants génétiques ont été évaluées, une technique de criblage par l'analyse des courbes de fusion haute résolution et une technique de génotypage par spectrométrie de masse MALDI-TOF, respectivement sur le gène KCNQ1 et le gène RyR2. Quelle que soit la technique utilisée, il n'est pas possible de s'affranchir du séquençage de type Sanger afin d'explorer les séquences d'intérêts qui n'ont pu être optimisées avec l'une ou l'autre des méthodes à la fois sur les prélèvements congelés et FFIP. L'arrivée des séquenceurs de nouvelles générations ouvrent ainsi de nouvelles perspectives dans ce domaine.

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

Résumé : Introduction: À ce jour, notre compréhension des mécanismes neurophysiologiques responsables du développement d'une douleur chronique est encore relativement limitée. Il est proposé que certaines modifications dans l'efficacité des mécanismes endogènes d'inhibition descendante de la douleur pourraient contribuer à ce phénomène. Considérant l'importance de la neurotransmission monoaminergique dans les mécanismes descendants de modulation de la douleur, autant inhibiteur que facilitateur, nous émettons l'hypothèse que la persistance temporelle d'une douleur peut provoquer des modifications dans la fonctionnalité des deux systèmes majeurs (sérotoninergique et noradrénergique) sous-jacents à ces mécanismes de contrôle endogène, participant ainsi à la dynamique de développement et à la progression des états de douleur chronique à travers le temps. Objectif général: En utilisant une approche translationnelle, nous avons exploré l'association entre la fonctionnalité (centrale & périphérique) des systèmes de neurotransmission monoaminergique et l'efficacité des mécanismes descendants d’inhibition pendant le développement et la progression d'une douleur chronique. Résultats cliniques: D'une part, nos résultats répliquent plusieurs observations de la littérature ayant démontré une diminution de l'efficacité des mécanismes descendants d’inhibition de la douleur (à l'aide d'un paradigme de modulation conditionnée de la douleur; MCD) chez des sujets souffrant de douleur musculosquelettique chronique (sujets CP). Chez ces mêmes sujets, nous observons également une diminution des concentrations plasmatiques basales en noradrénaline (NA) et métanéphrine, lorsque comparés à des sujets sains (sujets PF). Pour tous les sujets testés (PF et CP), une association positive est mise en évidence entre l'efficacité de la MCD et les concentrations plasmatiques basales en NA et métanéphrine. Par conséquent, ces concentrations des catécholamines dans le plasma pourraient servir d'indicateurs moléculaires de l'efficacité latente de la MCD. Par ailleurs, aucune différence dans l'activité monoaminergique et aucune association avec l'efficacité de la MCD n'ont été observées au niveau du liquide céphalorachidien (LCR). Résultats précliniques: D'autre part, nous proposons un nouveau modèle de douleur à double atteinte chez le rongeur (i.e., induction initiale d'une douleur persistante [la 1ere atteinte] et activation subséquente des mécanismes descendants de modulation de la douleur à l'aide d'une douleur tonique [la 2e atteinte]). Ce paradigme expérimental nous permet ainsi d'évaluer l'efficacité des mécanismes descendants de modulation de la douleur chez les rongeurs en contexte de douleur chronique. Ainsi, nous mettons en évidence une diminution de la réponse comportementale à une douleur tonique (dans le test à la formaline), 28 jours après l'induction d'une douleur neuropathique (modèle de constriction chronique du nerf sciatique; CCI), lorsque comparés aux rats sham. Bien que cette diminution des comportements nociceptifs soit encore observable 168 jours après le début de la neuropathie, celle-ci semble tout de même s'amenuiser à travers le temps. Parallèlement, en l'absence de stimulation nociceptive tonique, une augmentation des concentrations en sérotonine et noradrénaline est observée au niveau central (i.e., dans le LCR) 12 jours après l'induction de la douleur neuropathique, avant de retourner ensuite à un niveau comparable à celui des rats sham au jour 28. Par ailleurs, la réponse comportementale observée au jour 28 est visible seulement dans un modèle de douleur neuropathique (CCI), et non lorsqu'une douleur inflammatoire est utilisée comme douleur persistante initiale. Conclusions: En contexte de douleur chronique, nos résultats chez l'humain confirment la présence de modifications dans l'efficacité des mécanismes descendants d’inhibition de la douleur, en plus de soutenir le concept émergent qui suggère que les différences dans l'efficacité de ceux-ci pourraient être associées à des différences individuelles dans certains processus périphériques (comme la relâche de catécholamines dans le sang), pouvant ultimement être impliquées dans la régulation cardiovasculaire. Par ailleurs, nos résultats chez le rongeur suggèrent que des changements dynamiques (spécifiques au type de douleur) dans l'efficacité des mécanismes descendants de modulation, ainsi que dans la fonctionnalité centrale des systèmes de neurotransmission monoaminergique, se produisent lors de la progression d'une douleur chronique. Dans son ensemble, cette thèse apporte de nouvelles informations au sujet des changements neurophysiologiques temporels au sein des mécanismes descendants de modulation de la douleur pouvant être impliqués dans le développement et la progression de la douleur chronique. / Abstract : Introduction: Hitherto, our understanding about the neurophysiological mechanisms responsible for the development of chronic pain is still relatively limited. It is suggested that modifications in the efficacy of endogenous pain inhibitory mechanisms could contribute to this phenomenon. Considering the importance of monoaminergic neurotransmission in descending pain modulation, either of inhibitory or facilitatory influence, we hypothesize that temporal persistence of pain can trigger modifications in the functionality of the two major systems (serotoninergic and noradrenergic) underlying these endogenous control mechanisms, thus participating in the development and progression of chronic pain states. General objective: Adopting a translational approach, we explored the association between the functionality (central & peripheral) of monoaminergic neurotransmission and the efficacy of descending inhibitory mechanisms during the development and progression of chronic pain. Clinical results: Our results replicate several observations emanating from the literature demonstrating a diminution in the efficacy of descending pain inhibitory mechanisms (using a conditioned pain modulation paradigm; CPM) in subjects with chronic musculoskeletal pain (CP subjects). In these CP subjects, we also highlight a reduction in basal plasma concentrations of noradrenaline and metanephrine, when compared with pain-free subjects (PF subjects). For all tested subjects (PF and CP subjects), a positive association is observed between CPM efficacy and basal plasma concentrations of noradrenaline and metanephrine. Therefore, basal plasma catecholamines concentrations could be used as molecular indicators of the latent CPM efficacy. Conversely, no difference in monoaminergic activity and no association with CPM efficacy are observed when looking at the molecular content of cerebrospinal fluid. Preclinical results: Here, we expose a new double-hit model of pain in rodents (i.e., initial induction of a persistent pain [the 1st hit] and subsequent activation of descending pain modulatory mechanisms with tonic pain [the 2nd hit]). This experimental paradigm allows us to evaluate the efficacy of decending pain modulation in rodents in the context of chronic pain. Interestingly, we detect a reduction in the behavioral response to tonic pain (in the formalin test), 28 days after the induction of neuropathic pain (chronic constriction injury model; CCI), when compared to sham rats. Even though this reduction in nociceptive behaviors is still present 168 days after neuropathy, the effect seems to wane down over time. Concomitantly, in absence of tonic nociceptive stimulation, an elevation in central concentrations (i.e., cerebrospinal fluid) in serotonin and noradrenaline is observed 12 days after the induction of neuropathic pain, before returning to sham levels on day 28. Moreover, the behavioral response described on day 28 is only observed in a neuropathic pain model (CCI), and absent when inflammatory pain is used as the initial pain. Conclusions: In the context of chronic pain, our results in humans confirm the advent of modifications in the efficacy of descending pain inhibitory mechanisms, while supporting the emerging concept suggesting that individual differences in these mechanisms may be associated with individual differences in peripheral processes (such as the release of catecholamines in plasma), that could ultimately be involved in cardiovascular control. Moreover, our results in rodents suggest that dynamic changes (specific to pain types) in the efficacy of descending pain modulation, as well as in the central functionality of monoaminergic neurotransmission, are present during the progression of chronic pain. Overall, this thesis provides novel information concerning temporal neurophysiological changes in descending pain modulatory mechanisms that may be involved in the development and progression of chronic pain states.

Ce travail de thèse a eu pour objectif principal l'étude thermodynamique des changements métaboliques dans l'acidogénèse. L'acidogénèse est un procédé anaérobie à double intérêt qui en traitant des résidus organiques, permet de produire des composés chimiques comme l'hydrogène, l'éthanol et les acides organiques. Par conséquent, l'acidogénèse se place comme un procédé biotechnologique dans le concept de bioraffinerie. En outre, ce processus n'a pas besoin de conditions stériles d'opération et fonctionne sur une large gamme de pH. Ces changements métaboliques sont dépendants des modifications dans les conditions opératoires. Afin d'étudier ces changements métaboliques, des expériences basées sur des modifications du ciel gazeux du réacteur par introduction d'azote et sur des changements du pH, ont été menées. Un des résultats les plus intéressants a été l'augmentation du rendement de production d'hydrogène de 1 à 3,2 molH2/molglucose à pH 4,5 et débit de N2 de 58,4 L/d. Ce rendement est proche de la valeur théorique (4 molH2/molglucose). L'étude thermodynamique a permis d'expliquer les mécanismes métaboliques concernant l'hydrogène, dont la production importante, représentée par le rendement de 3,2 molH2/molglucose, est due à la réaction inverse H2/NAD+, qui est thermodynamiquement faisable à faibles pressions partielles d'hydrogène (par exemple 0,02 bar). En outre, les bas rendements en hydrogène ont été expliqués par l'action consommatrice d'hydrogène par la réaction d'homoacetogénèse. Cependant, le modèle n'a pas été capable d'expliquer les changements métaboliques de l'acétate, du butyrate et de l'éthanol lors de la fermentation acidogénique du glucose. / This thesis deals with thermodynamic based modelling of metabolic shifts during acidogenic fermentation. Acidogenic fermentation is an anaerobic process of double purpose: while treating organic residues, it produces chemical compounds, such as hydrogen, ethanol and organic acids. Therefore, acidogenic fermentation arises as an attractive biotechnology process towards the biorefinery concept. Moreover, this process does not need sterile operating conditions and works under a wide range of pH.Changes of operating conditions produce metabolic shifts, inducing variability on acidogenic product yields. In order to study these metabolic shifts, an experiment design was based on reactor headspace N2-flushing (gas phase) and pH step changes (liquid phase). A major result was the hydrogen yield increase from 1 to 3.2 (molH2/molglucose) at pH 4.5 and N2-flushing of 58.4 L/d. This yield is close to the theoretical acidogenic value (4 molH2/molglucose).The thermodynamic model, based on the assumption that acidogenic fermentation is characterised by limited energy available for biological process, allowed to explain the mechanisms that govern hydrogen metabolic shifts, showing that the synthesis of extra hydrogen, i.e. yield of 3.2 (molH2/molglucose), was due to reverse H2/NAD+ redox reaction, which is thermodynamically feasible at low hydrogen partial pressures (e.g. 0.02 bar). Moreover, low hydrogen yields were explained by the action of homoacetogenesis hydrogen consuming reaction. However, the model was not capable to explain the metabolic shifts of acetate, butyrate and ethanol on acidogenic glucose fermentation.

L’analyse des contaminants émergents (ECs) suscite l’intérêt de la communauté scientifique, de sorte que plusieurs études ont rapporté leur présence dans les eaux usées et dans les eaux de surface. Toutefois, la plupart des études ont concentré leurs travaux principalement sur la phase dissoute, si bien que la concentration des ECSs dans les particules en suspension (SPM – suspended particulate matter) demeure peu connue. De plus, la plupart des méthodes traitant l’analyse des ECs sont basées sur le couplage de la chromatographie liquide couplée à un triple quadripôle (QqQ). Typiquement, ces QqQ fonctionnent à basse résolution, augmentant ainsi la probabilité d’obtenir des faux positifs. Afin de diminuer le taux de faux positifs un nouveau protocole permettant l’analyse de 31 ECs dans la fraction dissoute et la fraction solide a été développé à l’aide de la spectrométrie de masse à haute résolution. De plus, un dépistage du potentiel estrogénique par des levures a été effectué. Cela représente l’un des premiers rapports décrivant les concentrations en ECs dans les eaux usées et les SPM combiné avec un dépistage du potentiel estrogénique. La séparation des particules en suspension a été réalisée via la filtration des échantillons liquides. Les ECs ont été extraits de la fraction solide à l’aide d’ultrasons en utilisant du MeOH : ACN (1:1, v/v) avec l’ajout de 1% de HCOOH. Par la suite, l’extrait de la fraction solide et de la phase aqueuse ont été soumis à la SPE (solid phase extraction – extraction sur phase solide) à l’aide d’une cartouche polymérique composé d’acide benzènesulfonique. Une colonne de type C-18 a été utilisée pour séparer les ECs sélectionnés. Un spectromètre de masse de haute résolution (Q-Exactive), constitué d’un quadripôle et d’une trappe ionique orbitale à haute résolution a été utilisé en mode balayage (FS, full scan) avec une résolution de 70 000 FWHM (FWHM– Largeur à mi-hauteur, Full width at half maximum) à m/z 200 pour l’analyse de la fraction solide et en mode suivi des réactions parallèles (PRM, Parallel reaction monitoring) à 17 500 FWHM à m/z 200 pour la fraction liquide. Une ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI, Atmospheric pressure chemical ionisation) en modes positif et négatif a été utilisée. La méthode a été appliquée sur des échantillons réels afin de déterminer non seulement la portion d’ECs sur les SPM, mais également leur devenir dans le traitement des eaux usées jusqu’à leur déversement dans les eaux réceptrices. La récupération des composés d’intérêt a été de 27 à 102 % et de 43 à 122%, pour la fraction solide et liquide respectivement. Les limites de détections se situaient entre 0.5 à 104 ng L-1 et de 0.3 à 2.3 ng g-1. Les courbes d’étalonnages dans les matrices d’eaux usées et les solides ont montré une bonne linéarité (R2 > 0.991) pour les analytes cibles ainsi qu’une précision acceptable avec des coefficients de variation inférieurs à 25%. / The trace analysis of emerging contaminants (ECs) is gaining more interest and several studies have widely reported their occurrence in waste and surface water. However, most studies found in the literature reported concentrations only in the dissolved phase often without considering the suspended particulate matter (SPM). Moreover, most of the methods dealing with the analysis of ECs are based on liquid chromatography tandem mass spectrometry with a triple quadruple (QqQ). The majority of QqQ operate at low resolution, thus increasing the possibility of false positive identification. The current study presents a new protocol to quantify 31 emerging contaminants not only in the effluent wastewater, but also from SPM of municipal wastewater samples using high-resolution mass spectrometry, an improvement to reduce false positives. Furthermore, Yeast estrogen screen assay (YES-assay) adapted from direct measurement of estrogenic activity was tested on filtered wastewater samples. This represents one of the first reports describing ECs in wastewater and SPM with direct measurement of estrogenic activity. The separation of suspended particulate matter was realized using filtered water samples. The ECs were extracted from the matrix by sonication using MeOH:ACN (1:1, v/v) with 1% HCOOH. Thereafter, the extracts of the solid fraction and the aqueous phase were subjected to an off-line solid phase extraction (SPE) with a Strata-X-C cartridge to concentrate and clean-up the extracts. A C18 chromatography column was used to separate ECs. A QExactive mass spectrometer, which combines a quadruple analyser with a high resolution orbital ion trap (OrbitrapTM) was used in full scan (FS) mode with 70 000 FWHM (Full width at half maximum) at m/z 200 for analysis of the solid fraction, while analysis of the liquid fraction was realised using parallel reaction monitoring (PRM) with 17 500 FWHM at m/z 200. An APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization) source in positive and negative mode was used for the ionization of target compounds. The method was successfully applied to real samples allowing us to determine the proportion of ECs in suspended particulate and the fate of the selected ECs during wastewater-treatment processes and their release into receiving surface waters. Recoveries of target compounds ranged from 27 to 102 % and from 43 to 122 % for the liquid and the solid fraction respectively. The limits of detection ranged from 0.5 to 104 ng L-1 and from 0.3 to 2.3 ng g-1. Calibration curves in wastewater and solid matrix showed good linearity (R2 > 0.991), for all target analytes, and precision (intraday and interday) showed coefficients of variation below 25%.

L'eugénol (2-methoxy-4-(2-propenyl) phénol), produit dérivé du clou de girofle (Eugenia aromatica), fut tout d’abord utilisé en application topique à des fins d’analgésie dentaire. Il produit également une anesthésie chirurgicale lorsque administré en immersion chez les poissons. L’eugénol agit sur les récepteurs vanilloïdes, sensibles à la chaleur, aux protons et à certaines molécules lipidiques. Ces récepteurs jouent un rôle important dans le mécanisme de l’inflammation et de l’hyperalgésie. L’eugénol pourrait également produire ses effets par antagonisme des récepteurs glutamaergiques (NMDA) et par son activation des récepteurs GABAergiques. Considérant que l’eugénol produit des effets analgésiques et anesthésiques, des études de pharmacocinétique et de pharmacodynamie furent réalisées chez la grenouille (Xenopus laevis), le poisson (Oncorhynchus mykiss) et le rat (Rattus norvegicus). Les résultats démontrent que l’eugénol administré par immersion à une dose efficace permet d’atteindre une anesthésie chirurgicale chez les grenouilles (350 mg/L) et les poissons (75 mg/L). Suite à des analyses plasmatiques par LC/MS/MS, la pharmacocinétique des grenouilles, des poissons et des rats montre que la drogue est éliminée et qu’il pourrait y avoir une recirculation entérohépathique plus importante chez la grenouille et le rat. La longue demi-vie chez le rat suggère aussi une accumulation dans les tissus après des administrations répétées. Suite à l’administration intraveineuse d’une dose de 20 mg/kg chez le rat, l’eugénol induit une anesthésie chirurgicale pour une très courte période de temps variant autour de 167 s. Les résultats de sensibilité thermique confirment l’efficacité de l’eugénol pour réduire l’hyperalgésie induite chez des rats neuropathiques. L’effet pharmacologique de l’eugénol a démontré une augmentation progressive constante de l’analgésie sur une période de cinq jours de traitements journaliers. En conclusion, l’eugénol possède des propriétés analgésiques et anesthésiques chez la grenouille africaine à griffes (Xenopus laevis), le poisson (Oncorhynchus mykiss) et le rat (Rattus norvegicus). / Eugenol (2-methoxy-4-(2-propenyl) phenol), derived from cloves, was first used as a topical agent for dental analgesia by dentistry practitioners, and subsequently to induce surgical anaesthesia by immersion in fish. Eugenol binds to vanilloid receptors, which are sensitive to heat, protons and certains lipid molecules. These receptors also play an important role in the mechanisms of inflammation, as well as hyperalgesia (Kanai 2005, and Crotright 2004). Eugenol could also produce its effects via its antagonistic interactions with glutamaergiques receptors (NMDA), and agonistic interactions with GABAergic receptors. Considering that eugenol has analgesic and anesthetic effects, pharmacokinetic and pharmacodynamic studies were performed in frogs (Xenopus laevis), fish (Oncorhynchus mykiss) and rats (Rattus norvegicus). Results show that a surgical anesthetic dose was observed for frogs (350 mg/L) and fish (75 mg/L) with a eugenol solution. Pharmacokinetics were evaluated following LC/MS/MS plasma analysis of frogs, fish and rats. Results show that eugenol was eliminated in all species and that an enterohepathic recirculation was apparent for frogs and rats. The long half-life in rats suggests an accumulation in tissues following repeated administrations. Following an intravenous administration 20 mg/kg of eugenol, a surgical anesthesia of approximately 167 sec was observed in rats. Hargreave’s test results, evaluating hyperalgesia, show that eugenol reduced pain perception in a rat model of neuropathic pain. This pharmacological effect showed an increasing progression of the analgesia over the 5 days of daily treatments. In conclusion, eugenol has analgesic and anesthetic properties in African clawed frogs (Xenopus laevis), trout (Oncorhynchus mykiss) and rats (Rattus norvegicus).

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

L’immunité adaptive et la discrimination entre le soi et le non-soi chez les vertébrés à mâchoire reposent sur la présentation de peptides par les récepteurs d’histocompatibilité majeur de classe I. Les peptides antigéniques, présentés par les molécules du complexe d’histocompatibilité (CMH), sont scrutés par les lymphocytes T CD8 pour une réponse immunitaire appropriée. Le répertoire des peptides du CMH de classe I, aussi appelé immunopeptidome, est généré par la dégradation protéosomale des protéines endogènes, et a un rôle essentiel dans la régulation de l’immunité cellulaire. La composition de l’immunopeptidome dépend du type de cellule et peut présenter des caractéristiques liées à des maladies comme le cancer. Les peptides antigéniques peuvent être utilisés à des fins immunothérapeutiques notamment dans le traitement voire la prévention de certains cancers. La spectrométrie de masse est un outil de choix pour l’identification, le séquençage et la caractérisation de ces peptides. Cependant, la composition en acides aminés, la faible abondance et la diversité de ces peptides compliquent leur détection et leur séquençage. Nous avons développé un programme appelé StatPeaks qui permet de calculer un certains nombres de statistiques relatives à la fragmentation des peptides. À l’aide de ce programme, nous montrons sans équivoque que les peptides du CMH classe I, en mode de fragmentation par dissociation induite par collision (CID), fragmentent très différemment des peptides trypsiques communément utilisés en protéomique. Néanmoins, la fragmentation par décomposition induite par collision à plus haute énergie (HCD) proposée par le spectromètre LTQ-Orbitrap Velos améliore la fragmentation et fournit une haute résolution qui permet d’obtenir une meilleure confiance dans l’identification des peptides du CMH de classe I. Cet avantage permet d’effectuer le séquençage de novo pour identifier les variants polymorphes qui ne sont normalement pas identifiés par les recherches utilisant des bases de données. La comparaison des programmes de séquençage Lutefisk, pepNovo, pNovo, Vonode et Peaks met en évidence que le dernier permet d’identifier un plus grand nombre de peptides du CMH de classe I. Ce programme est intégré dans une chaîne de traitement de recherche d’antigènes mineurs d’histocompatibilité. Enfin, une base de données contenant les informations spectrales de plusieurs centaines de peptides du CMH de classe I accessible par Internet a été développée. / Adaptive immunity and discrimination between self and nonself in jawed vertebrates relies on the presentation of peptides by the major histocompatibility (MHC) class I receptors. Foreign or self peptide antigens presented by the MHC molecules are probed by CD8 T-cell lymphocyte for proper immune response. The repertoire of MHC I peptides collectively referred to as the immunopeptidome is generated through the proteasomal degradation of endogenous proteins and plays an important role in the regulation of cellular immunity. The composition of the immunopeptidome is cell specific and can harbor important hallmark of human diseases including cancer. Antigenic peptides can also be used in immunotherapy to mount an appropriate immune response against cancer cells displaying these peptides. Mass spectrometry is a tool of choice for the identification, sequencing and characterization of these peptides. However, the amino acid composition, the low abundance and diversity of these peptides make their detection and sequencing more challenging. We developed a software, called StatPeaks, that calculates statistics relative to the fragmentation of peptides. Using this software, we demonstrate that under collision induced dissociation (CID) MHC class I peptides fragment in a very different fashion than tryptic peptides, commonly used in proteomics. However, the higher-energy collisional dissociation (HCD) mode available on the LTQ-Orbitrap Velos enhances peptide fragmentation and provides high resolution fragment information that significantly improves the confidence in MHC class I peptide identification. This inherent advantage confers the ability to perform de novo sequencing to identify polymorphic variants that would normally elude conventional database searches. The comparison of de novo peptide sequencing software Lutefisk, pepNovo, pNovo, Vonode and Peaks indicated that the later software enabled higher rates of correct identification for MHC class I peptides. This software was integrated into a data analysis pipeline for the identification minor histocompatibility antigens (MiHAs). A web-based library that stores spectral information of hundreds of synthetic MHC class I peptides was developed in support to the needs of the immunopeptidome discovery program.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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.