Le nombre croissant de médicaments protéiques utilisés en thérapeutique a créé des besoins dans le domaine de leur quantification, principalement dans le plasma, un milieu de composition protéique complexe. Le dosage, essentiel aux études pharmacocinétique/pharmacodynamique, ainsi qu’à l’optimisation de ces traitements, est compliqué par la nature protéique de ces médicaments et par les faibles concentrations auxquelles ils sont attendus dans ces milieux complexes. La méthodologie proposée se démarque des méthodes de dosage usuelles par son caractère universel. Elle fait appel à la spectrométrie de masse adaptée à la quantification des protéines grâce à l’utilisation d’un marquage isotopique différentiel des peptides : après enrichissement et protéolyse, l’échantillon à doser est marqué sur les lysines par la version légère d’un réactif de dérivation. En parallèle, les peptides de la protéine médicament pure marqués par la version lourde du réactif, servent d’étalon interne. La possibilité de quantifier la protéine à partir de plusieurs de ses peptides améliore la fiabilité du dosage. Appliquée à l’epoetin beta aux concentrations attendues en thérapeutique (autour de 0,5 femtomole/µL de plasma), la stratégie proposée permet de situer la limite de quantification à environ 50 attomoles d’epoetin beta/µL de plasma avec une méthodologie de spectrométrie de masse nano-LC-ESI-Q-TRAP fonctionnant en mode MRM. Pour étendre l’universalité de cette approche au champ des protéines médicaments pégylées, une seconde molécule a été étudiée. Il s’agit de l’interféron alfa-2b pégylé qui a permis de mettre en place une stratégie d’extraction spécifique du médicament utilisant sa pégylation. / The growing number of therapeutic proteins has created needs in the field of their quantification, mainly in plasma, which is a complex protein environment. Quantitative analysis of these proteins is essential for pharmacokinetics/pharmacodynamics studies, and for the optimization of treatments. However, the nature itself of the analyte and the low concentrations that are expected in plasma complicate the quantitative analysis. The proposed methodology differs from usual methods on its universal applicability. It relies on mass spectrometry adapted to the quantification of proteins by using peptides differential isotope labelling : after enrichment and proteolysis, the therapeutic protein and the plasmatic proteins are labelled on lysine residues by the light reagent. In parallel, peptides of the pure therapeutic protein, labelled by heavy version of reagent, are used as internal standard. The ability to quantify the protein with several of its peptides improves the reliability of the analysis. When applied to epoetin beta at expected therapeutic concentrations (about 0.5 femtomole/µL of plasma), the proposed strategy leads to a quantification limit close to 50 attomoles of epoetin beta/µL plasma, with a nano-LC-ESI-Q-TRAP mass spectrometry methodology operating in MRM. To extend the universal character of this approach to the field of pegylated protein drugs, a second therapeutic protein model has been studied. This model is a pegylated interferon alfa-2b which allowed developing a strategy for specific extraction of the drug relying on its pegylation.

Durant longtemps la spectroscopie RMN en solution a été limitée à de petits objets biologiques. Aujourd'hui, il est clairement reconnu que la stratégie du marquage isotopique spécifique de groupements méthyle dans une protéine perdeutérée a considérablement repoussé la frontière de cette technique. En effet, des protéines aussi grande que 1 MDa ont pu être récemment étudiées par RMN. Cependant, cette stratégie présente un inconvénient important lié au nombre réduit de sondes protonées. Dans ce contexte, le projet de thèse vise a développer de nouvelles méthodes pour faire face à cette rareté d'information structurale, en s'appuyant sur le marquage simultané (combinatoire) de plusieurs groupements méthyle afin d'augmenter le nombre de sondes. Pour un marquage combinatoire optimal, le choix des acides aminés à marquer et les précurseurs à utiliser ainsi que le protocole de leur incorporation doit être judicieusement étudié. Dans le présent travail, un nouveau protocole a été mis en place pour un marquage AbId1(LV)proS optimisé, exempt de toutes fuites isotopiques. En comparaison avec le marquage “AbId1LV standard", le modèle proposé permet la diminution d'un facteur de 2 le nombre de signaux RMN des Leu et Val et améliore par un facteur de 4 l'intensité des nOes à long portée qui sont expérimentalement détectable. Par ailleurs, ce protocole permet également la suppression des corrélations parasites, particulièrement nocives pour les études structurales basées sur la détection / analyse de nOes. Afin d'exploiter les spectres RMN obtenus en utilisant le protocole ci-dessus mentionné, l'attribution des signaux des méthyles est obligatoire. Deux stratégies ont été donc proposées. La première s'applique aux systèmes dont le poids moléculaire ne dépasse pas les 100 kDa (e.g. MSG). Elle se repose sur la linéarisation du marquage isotopique des acides aminés permettant ainsi l'utilisation de l'expérience 13C-TOCSY pour attribuer de manière régio et stéréo-spécifique les méthyles de l'isoleucine, leucine et valine en une seule étape. En ce qui concerne la seconde, adaptée aux protéines supra-moléculaire (> 100 kDa), c'est une optimisation de l'approche SeSAM (Sequence-Specific Assignment of Methyl groups by Mutagenesis) précédemment décrite dans la littérature. En effet, grâce au milieu de culture enrichi, mit au point pour le marquage spécifique de l'Ala, le volume minimal de culture requis a été considérablement diminué. Ceci a permis par conséquence de produire les protéines dans des plaques de 24 puits et de les purifier dans des plaques de 96 puits, raccourcissant ainsi le temps global de préparation des échantillons. Il a été estimé que l'utilisation de cette version améliorée de SeSAM offre la possibilité d'attribuer environ 100 méthyles en 2 semaines, dont 4 jours de temps de RMN, en consommant moins de 2 k € de matériaux isotopiques. Pour illustrer la pertinence du marquage isotopique et la protonation sélectifs des méthyles, de façon combinée ou pas, de nombreuses applications ont été présentés, à savoir l'étude en temps réel des processus d'auto-assemblage d'une protéine supramoléculaire (PhTET-2, ~ 0,5 MDa) par RMN. Le marquage combinatoire des protéines (82 kDa et 0,5 MDa) pour la détection de nOes longue portée (jusqu'à 10 Å et 8 Å respectivement) a également été étudié. Cette même approche a également été utilisée pour le filtrage de nOes inter-monomères à long portée, qui sont particulièrement importants pour le calcul de structure, dans des systèmes symétrique et homo-oligomèriques (PhTET-2). / Solution NMR spectroscopy has been limited to small biological objects for a long time. Nowadays, it is unequivocally recognized that the strategy of specific isotope labeling of methyl groups in a perdeuterated protein has significantly extended the frontier of this technique. Indeed, proteins as large as 1 MDa could be investigated by NMR. Conversely, this strategy presents an important drawback consisting of the drastically reduced number of protonated probes. The project of this thesis falls within the framework of developing new methodologies to cope with this scarce structural information, relying on the simultaneous labeling of several methyl groups to increase the number of probes. For optimized combinatorial labeling, the choice of the ensemble of amino acids to label simultaneously and the precursors as well as the protocol for their incorporation have to be carefully studied. In this work, a new protocol was introduced for the scrambling-free and optimized isotopic labeling of AbId1(LV)proS methyl groups. In comparison to the “standard AbId1LV” labeling scheme, the proposed pattern induces a 2-fold decrease of number of Leu and Val NMR signals and enhances the intensity of detectable long-range nOes by a factor 4. The described protocol also permits the suppression of spurious correlations, especially harmful for structural studies based on detection/analysis of nOes. To make an efficient use of the obtained high quality NMR spectra using this protocol, assignment of the methyl groups signals is mandatory. Two strategies were then proposed. The first is suitable for systems whose molecular weight does not exceed 100 kDa. It relies on the use of isotopically linearized precursors (with different isotope topologies to discriminate each methyl group) to assign in a regio- and stereo-specific manner the isoleucine, leucine and valine methyl groups in a single step, employing an optimized “out and back” 13C-TOCSY pulse sequence. While the second, adapted to supra-molecular proteins (> 100 kDa), consists of optimizing the previously reported SeSAM approach (Sequence-Specific Assignment of Methyl groups by Mutagenesis). Indeed, thanks to the developed enriched culture medium for the specific labeling of Ala, the minimal required culture volume was significantly decreased, enabling the proteins expression in 24 well plates and their parallel purification in 96 well plates. This improved SeSAM version was estimated to allow the assignment of ca. 100 methyl cross-peaks in 2 weeks, including 4 days of NMR time and less than 2 k€ of isotopic materials. To illustrate the pertinence of using selectively protonated methyl groups, either in a single or combined fashion, several applications were presented, namely the real-time NMR study of self-assembly process of a ~0.5 MDa supra-molecular protein (PhTET-2). The use of combinatorial labeling for the detection of long-range nOes to up to 10 Å (8 Å) in proteins of 82 kDa (respectively 0.5 MDa) was also investigated. This same approach was exploited for the filtering of inter-monomeric long-range nOes in the same symmetrical and homo-oligomeric PhTET-2 protein.

No / Cytochrome P450 (CYP) is one of the most important drug-metabolizing enzyme families, which participates in the biotransformation of many endogenous and exogenous compounds. Quantitative analysis of CYP expression levels is important when studying the efficacy of new drug molecules and assessing drug-drug interactions in drug development. At present, chemical probe-based assay is the most widely used approach for the evaluation of CYP activity although there are cross-reactions between the isoforms with high sequence homologies. Therefore, quantification of each isozyme is highly desired in regard to meeting the ever-increasing requirements for carrying out pharmacokinetics and personalized medicine in the academic, pharmaceutical, and clinical setting. Herein, an absolute quantification method was employed for the analysis of the seven isoforms CYP1A2, 2B6, 3A4, 3A5, 2C9, 2C19, and 2E1 using a proteome-derived approach in combination with stable isotope dilution assay. The average absolute amount measured from twelve human liver microsomes samples were 39.3, 4.3, 54.0, 4.6, 10.3, 3.0, and 9.3 (pmol/mg protein) for 1A2, 2B6, 3A4, 3A5, 2C9, 2C19, and 2E1, respectively. Importantly, the expression level of CYP3A4 showed high correlation (r = 0.943, p < 0.0001) with the functional activity, which was measured using bufalin-a highly selective chemical probe we have developed. The combination of MRM identification and analysis of the functional activity, as in the case of CYP3A4, provides a protocol which can be extended to other functional enzyme studies with wide application in pharmaceutical research.

Die Entstehung von Tumoren und damit einhergehenden Veränderungen wurden insbesondere im letzten Jahrzehnt kontrovers diskutiert. Bisher standen nur wenige Datensätze mit ausreichender Datendichte zur Verfügung um eine umfassende Untersuchung der Regulation des Stoffwechsels durchzuführen. Die in dieser Arbeit zusammengefassten Projekte adressieren verschiedene Aspekte der Stoffwechselregulation und beschreiben die Verknüpfung von Zellkulturexperimenten mit innovativen Hochdurchsatz-Technologien, komplexer Datenanalyse und Computer-basierter Modellierung zur Bestimmung der Stoffwechselflüsse in eukaryotischen Zellen. Die Kombination von GC-MS und LC-MS basierten Technologien ermöglicht die quantitative Analyse des zentralen Kohlenstoffwechsels. Markierungsexperimente mit stabilen Isotopen (pSIRM) erlauben die dynamische Analyse der Stoffwechselaktivität. In verschiedenen Projekten wurden das Proteom und Metabolom von Krebszellen, humanen Stammzellen (hESCs), induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) und deren dazugehörigen differenzierten Vorläufer- oder Nachfolgerzellen bestimmt. Die multivariate, statistische Analyse der Daten ermöglichte die Differenzierung verschiedener Zelltypen basierend auf der Kombination aller quantitativ bestimmten Daten. Quantitative Bestimmungen der Poolgrössen, Isotopeninkorporationen, sowie der extrazellulären Raten in neuronalen, pluripotenten Vorläuferzellen (Luhmes d0) und Neuronen (Luhmes d6) ermöglichte die Bestimmung der Stoffwechselflusskarte beider Zelltypen unter Verwendung der instationären metabolischenen Flussanalyse (INST-MFA). Die Etablierung einer Qualitätskontrolle für GC-MS basierte Daten (MTXQC), sowie die Zuordnung der GC-MS Fragmente zur Molekülstruktur, ermöglichten den Ausbau des Netzwerkes des zentralen Kohlenstoffwechsels und die Implementierung der Daten für die metabolische Flussanalyse. / Metabolic reprogramming of the central carbon metabolism (CCM) is highly debated during the last decade. It describes the rearrangement of nutrient consumption for providing energy and building blocks for cellular proliferation and maintenance. So far, only sparse data are available for an in-depth analysis of metabolic reprogramming events. The herein summarised projects address metabolic programming from different perspectives and show the implementation of cell culture experiments, cutting-edge high-throughput technologies, bioinformatics, and computational modelling into one workflow providing the determination of metabolic flux maps of mammalian cells. The combination of GC-MS and LC-MS-based methodologies enable the quantitative analysis of proteins and metabolites of the CCM. Pulsed stable isotope-resolved metabolomics (pSIRM) experiments allow monitoring the fate of nutrients within the network of the CCM. The time-dependent and position-specific incorporation of carbon-13 leads to an indirect measurement of the metabolic flux, the only one functional readout of a cell. High-throughput technologies were applied in four projects to gain insights in metabolic reprogramming in cancer cell lines, human embryonic stem cells (hESCs), induced pluripotent stem (iPS) cells and their derived fibroblasts. A global principal component analysis demonstrated the discrimination of phenotypes by different classes of quantitative data. The comparison of metabolic and protein levels confirms the presence of the Warburg effect in both cell types. Though, the executing enzymes vary regarding their isoenzyme identity and expression levels. Methodological improvements provided the implementation of GC-MS derived data for INST-MFA. The mapping of GC-MS derived fragments to the molecule structure enables an extension of the CCM network. Robustness of the input data has been improved by the development of a R-scripting based quality control tool (MTXQC).

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La compréhension de la fonction des protéines et des systèmes biologiques passe par une connaissance fine des mécanismes moléculaires sous-jacents. La cristallographie et la résonance magnétique nucléaire permettent d'appréhender ces mécanismes au niveau atomique en fournissant des informations sur la structure et sur la dynamique des macromolécules biologiques. Nous nous sommes ainsi intéressés à deux protéines, la lipase lip2 de la levure Yarrowia lipolytica et la protéine membranaire OmpA de la bactérie Klebsiella pneumoniae. Nous avons recherché des conditions d'expression de la protéine lip2 marquée uniformément ou spécifiquement sur une boucle (appelée " lid ") afin d'en étudier la dynamique. Des conditions de marquage uniforme à l'azote 15 de lip2 recombinante dans Yarrowia lipolytica ont été mises au point, mais le marquage acide aminé spécifique n'a pu être réalisé à cause de phénomènes de dilution isotopique trop importants dans cette levure. Nous avons résolu par cristallographie aux rayons X la structure du domaine C-terminal de la protéine OmpA et étudié sa dynamique en solution par RMN (techniques de relaxation 15N). Nous avons caractérisé la dynamique de son domaine N-terminal membranaire reconstitué en liposomes par RMN du solide : en utilisant la rotation à l'angle magique à 60kHz et à la détection 1H sur un spectromètre 1 GHz, nous avons pu attribuer une majorité des résonances du tonneau ? et établir un profil de paramètre d'ordre des vecteurs NH. Des expériences de protéolyse ménagée ont révélé par ailleurs un site de coupure unique à la trypsine au sein de la boucle extracellulaire L3. Enfin, une première caractérisation de la protéine complète exprimée dans la membrane externe d'Escherichia coli a été entreprise par RMN du solide sur membranes externes natives. / Understanding the function of proteins and biological systems requires an accurate knowledge of the underlying molecular mechanisms. Crystallography and nuclear magnetic resonance provide a detailed description of these mechanisms, with an atomic resolution, by providing data on both structures and motions. We investigated two proteins, the lip2 lipase from the yeast Yarrowia lipolytica and the membrane protein OmpA from the bacteria Klebsiella pneumoniae. We tried to produce lip2 with uniform and amino-acid specific stable isotope labelling on its functional loop (the lid) for NMR experiments. The homologous recombinant expression in Yarrowia lipolytica turned out to be the most efficient for uniform labelling but failed for specific labelling due to extensive isotope scrambling. We solved the structure of OmpA C-terminal domain by X-ray crystallography, and analyzed its dynamics in solution by NMR (15N relaxation techniques). We characterized its transmembrane N-terminal domain in proteoliposomes by solid state NMR: using state of the art ultra-fast MAS (60 kHz), 1H detection and a 1 GHz spectrometer, we could assign most ?-barrel resonances and establish a NH order parameter profile. In a complementary approach, we used proteolysis to reveal a unique trypsin cleavage site on the extracellular loop 3. Finally, a first characterization of the full-length protein expressed in the outer membrane of Escherichia coli was initiated by solid state NMR on intact outer membranes.

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Dynamics of carbon and phosphorus flows in arbuscular mycorrhizal symbiosis Mgr. Tereza Konvalinková (doctoral thesis) Abstract Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are widespread and highly specialized root symbionts, which gain all of their carbon (C) from the hosts, supplying plants with mineral nutrients (particularly with phosphorus, P) in return. This thesis focuses on the size and flexibility of C and P flows in arbuscular mycorrhiza in relation to environmental conditions, in particular to light and P availability. The indications that the symbiotic flows are regulated actively by both partners are discussed. The main findings are presented as a compilation of separate scientific works (two research articles, one review and one book section). A glasshouse experiment has shown that both mycorrhizal benefits and mycorrhizal colonization of medic (Medicago truncatula) by an AMF species (R. irregularis) decline along the gradient of decreasing light intensity. Interestingly, morphological adaptation of medic to the long-term light deprivation was boosted by mycorrhiza, probably because of C demand of AMF and due to the improved nutrition of the mycorrhizal plants. On the other hand, sudden 6-day shading caused rapid decline of shoot P content of mycorrhizal plants, accompanied with the accumulation of P...

The aim of this thesis was to develop stable-isotope steady-state metabolic flux analysis (MFA) based on ¹³C labeling to quantify intracellular fluxes of central carbon metabolism in plants. The experiments focus on the analysis of a heterotrophic cell suspension culture of Arabidopsis thaliana (L) Heynh. (ecotype Landsberg erecta). The first objective was to develop a robust methodology based on combining high quality steady-state stable labeling data, metabolic modeling and computational analysis. A comprehensive analysis of the factors that influence the outcome of MFA was undertaken and best practice established. This allowed a critical analysis of the subcellular compartmentation of carbohydrate oxidation in the cell culture. The second objective was to apply the methodology to nutritional perturbations of the cell suspension. A comparison of growth on different nitrogen sources revealed that transfer to an ammonium-free medium: (i) increased flux through the oxidative pentose phosphate pathway (oxPPP) by 10% relative to glucose utilisation; (ii) caused a substantial decrease in entry of carbon into the tricarboxylic acid cycle (TCA); and (iii) increased the carbon conversion efficiency from 55% to 69%. Although growth on nitrate alone might be expected to increase the demand for reductant, the cells responded by decreasing the assimilation of inorganic N. Cells were also grown in media containing different levels of inorganic phosphate (Pi). Comparison of the flux maps showed that decreasing Pi availability: (i) decreased flux through the oxPPP; (ii) increased the proportion of substrate fully oxidised by the TCA cycle; and (iii) decreased carbon conversion efficiency. These changes are consistent with redirection of metabolism away from biosynthesis towards cell maintenance as Pi is depleted. Although published genome-wide transcriptomic and metabolomic studies suggest that Pi starvation leads to the restructuring of carbon and nitrogen metabolism, the current analysis suggests that the impact on metabolic organisation is much less extreme.