La fonction d'une protéine est ultimement déterminée par sa structure tridimensionnelle. La compréhension complète de la fonction d'une protéine implique donc la connaissance de sa structure. Le grand nombre de projet de séquençage de génome résulte en plusieurs dizaines de milliers de séquences de protéines pour lesquelles il n'existe aucune information fonctionnelle. La protéomique structurale implique l'étude de la structure tridimensionnelle de toutes les protéines d'un protéome. Comme la détermination de la structure d'une protéine est un processus laborieux, la protéomique structurale est un des plus grands défis scientifiques du 21e siècle. Malgré cela, plusieurs projets de protéomique structurale ont récemment débuté à travers le monde. Ce mémoire présente une étude qui s'inscrit dans le cadre d'un de ces projets à grande échelle, la protéomique structurale de Methanobacterium thermoautotrophicum. À l'aide de la résonance magnétique nucléaire, la structure tridimensionnelle de MTH187, une protéine de Methanobacterium thermoautotrophicum, a été déterminée. MTH187 est classifié comme ayant une séquence conservée, et sa fonction est inconnue. La structure de MTH187 révèle que cette protéine de 111 acides aminés est composée de six hélices ? de 10 à 14 résidus. Par homologie structurale, il a été possible de classifier MTH187 parmi une famille structurale de type ± HEAT repeat ¿. Les protéines de cette famille possèdent une fonction de reconnaissance protéines-protéines.

En 2013, la Société internationale de médecine transfusionnelle (ISBT) reconnaît 33 groupes sanguins et 339 antigènes érythrocytaires différents, dont plus de 297 sont déjà associés à un groupe sanguin. Les autres antigènes sont classés dans des séries et des collections en attendant la découverte de leur base moléculaire. En 1996, Geoff Daniels et collaborateurs identifiaient l’antigène PEL. À la suite de cette découverte, des travaux ont démontré qu’il est présent chez plus de 99,9% de la population en général et que le phénotype PEL négatif semble être spécifique à la population québécoise. À la lumière des caractéristiques connues à propos de l’antigène PEL, des analyses génomiques et protéomiques ont été effectuées dans le but de découvrir sa base moléculaire. Cependant, l’analyse des ARN messagers séquencés, ainsi que les résultats obtenus lors des expériences en protéomique, n’ont pas permis d’identifier la base moléculaire de l’antigène PEL.

L’ataxie de Friedreich (AF) est une maladie neurodégénérative à transmission autosomique récessive. Cette pathologie se caractérise par une dégénérescence spinocérébelleuse, une cardiomyopathie hypertrophique qui est la cause majeure du décès des patients, et un risque accru de diabète. La mutation majoritaire causant l’AF est une hyper-expansion de triplet GAA dans le premier intron du gène FXN codant la frataxine, une protéine mitochondriale ubiquitaire codée par le génome nucléaire. Ces hyper-expansions instables conduisent à une inhibition de la transcription du gène FXN et donc à une baisse d’expression de la frataxine. Aucun traitement curatif n’est disponible à l’heure actuelle pour cette maladie. Seule une meilleure compréhension de la physiopathologie de l’AF permettra d’envisager le développement de stratégies thérapeutiques efficaces. Plusieurs travaux montrent que la frataxine intervient dans la biosynthèse des centres Fe-S, mais son rôle exact dans cette voie, et sa possible contribution dans d’autres processus biochimiques, doivent encore être élucidés. Par une approche de protéomique quantitative utilisée pour la première fois sur des lignées lymphocytaires issues d’un patient AF et d’un individu non atteint, nous avons pu établir le profil d’expression des protéines associées à un déficit en frataxine. Ces nouvelles données confirment les processus altérés décrits pour l’AF, et ont permis la mise en exergue de nouveaux mécanismes mitochondriaux impactés, comme l’altération de la voie d’importation via CHCHD4. La mitochondrie interagissant avec le réticulum endoplasmique (RE), nous avons analysé et comparé l’impact d’un stress induit par la thapsigargine ciblant le RE sur le profil d’expression des protéines des lymphocytes B AF et contrôles. Ces analyses montrent que le déficit en frataxine rend les mitochondries des cellules de patients AF plus sensibles à un stress du RE, nécessitant la mise en place de réponses adaptatives spécifiques. L’approfondissement des mécanismes altérés associés au déficit en frataxine, avec et sans stress exogène, permettront d’une part, de mieux comprendre la pathogenèse de l’AF et d’autre part, de proposer des stratégies thérapeutiques adaptées. / Friedreich’s ataxia (FRDA) represents the most frequent type of autosomal-recessively inherited ataxia associated with a cardiomyopathy, which is the main cause of the death, and a risk of diabetes. FRDA is caused by mutations in the FXN gene, encoding mitochondrial frataxin, arising from an unstable hyperexpansion of GAA triplet repeats in the first intron of the gene. This hyperexpansion leads to FXN gene silencing and a quantitative decreased expression of frataxin. However despite many efforts to overcome any of these abnormalities, there is currently no efficient treatment to cure or even stop the progression of this disease, mostly because many aspects of the pathological consequences of frataxin depletion are still not fully understood. The precise role of frataxin is still under debate. A key function of frataxin in Fe-S cluster biogenesis has now been clearly pointed out, but how its role in this essential cellular pathway correlates with the pathophysiology of FRDA needs to be further investigated. To better understand the biochemical sequelae of frataxin reduction, global protein expression analysis was performed using quantitative proteomic experiments in Friedreich’s ataxia patient-derived B-lymphocytes as compared to controls. We were able to confirm a subset of changes in these cells and importantly, we observed previously unreported signatures of protein expression. Mitochondria are closed to endoplasmic reticulum (ER) and we used quantitative proteomic experiments to screen and analyze the impact of ER stress induced with thapsigargin in Friedreich’s ataxia patient-derived B-lymphocytes as compared to controls. We observed that the frataxin deficiency makes cells more sensitive to ER stress and leads to an up-regulation of specific adaptive mechanisms. The identification of a core set of proteins changing in the FRDA pathogenesis, with or without exogenous stress, is a useful tool in trying to decipher the function(s) of frataxin in order to clarify the metabolic disease process and find future targets for novel therapeutic strategies.

Les cancers du poumon sont généralement classés en deux groupes principaux: le cancer du poumon à petites cellules et le cancer du poumon non à petites cellules (NSCLC), qui représentent environ 83% de tous les cas de cancer du poumon avec un taux de survie global de 21%. Les thérapies conventionnelles dans le NSCLC, y compris la radiothérapie et la chimiothérapie à base de platine, manquent de spécificité et provoquent souvent de graves effets secondaires car elles affectent les cellules saines. Pour résoudre ce problème, des thérapies ciblées ont été utilisées avec succès en raison de leur spécificité pour les cellules cancéreuses. Des thérapies ciblées contre les mutations du récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR) et les réarrangements anaplasiques de la lymphome kinase (ALK) se sont révélées efficaces dans le CBNPC. Cependant, la réponse thérapeutique peut être limitée en raison de la résistance aux médicaments. C'est le cas des patients développant des tumeurs avec une mutation KRAS activatrice qui conduit à une activité constitutive de la signalisation RAS indépendante des signaux amont. Pour cette raison, une meilleure compréhension de la progression tumorale et de la résistance est nécessaire pour améliorer les traitements contre le cancer. À ce jour, les approches ciblant le KRAS oncogène ont échoué. Compte tenu de l'importance de la reprogrammation métabolique dans plusieurs cancers, y compris le cancer du poumon et le rôle régulateur de la signalisation KRAS. Nous avons exploré la reprogrammation métabolique des cellules NSCLC contrôlées par KRAS pour trouver des vulnérabilités dans le métabolisme modifié qui peuvent être exploitées comme cibles thérapeutiques.Pour cela, nous avons caractérisé le protéome de lignées cellulaires NSCLC (A549 et NCI-H460) hébergeant des mutations activatrices de l'oncogène KRAS avec un accent particulier sur les enzymes métaboliques. Nous avons trouvé non seulement une expression régulatrice des enzymes glycolytiques, fréquente dans le cancer dans le cadre de l'effet Warburg, mais aussi une régulation positive remarquable de la voie des pentoses phosphates (PPP) dans les branches oxydatives et non oxydatives. Sur la base de cette étude, nous avons évalué la faisabilité de l'utilisation de l'enzyme PPP (glucose 6-phosphate déshydrogénase (G6PD) et 6-phosphogluconate déshydrogénase (6PGD) et transcétolase (TKT)) comme cibles pour améliorer ou développer de nouvelles thérapies.Récemment, l'acétylation de la protéine lysine (KDAC) est apparue comme un mécanisme de coordination du métabolisme et des preuves croissantes ont montré que la régulation de l'acétylation des enzymes métaboliques joue un rôle majeur dans le cancer. Par conséquent, les inhibiteurs de la lysine désacétylases (KDACI) ont attiré l'attention non seulement comme des stratégies prometteuses pour l'intervention thérapeutique, mais aussi comme un outil pour étudier le rôle de l'acétylation de la lysine dans la reprogrammation métabolique NSCLC. En outre, la reprogrammation métabolique dépend également fortement du microenvironnement tumoral tel que le niveau d'oxygène. Par conséquent, nous avons également analysé l'inhibition de KDAC dans des conditions normoxiques et hypoxiques afin de mieux comprendre les stratégies adaptatives sous de telles perturbations. Nos résultats ont montré que les KDACI induisent une prolifération cellulaire faible, une différenciation, un arrêt du cycle cellulaire et une apoptose accompagnés d'une modification du phénotype métabolique de la tumeur favorisée par l'hypoxie. Ensemble, ces résultats nous permettent de mieux comprendre comment les KDACI contrôlent les voies métaboliques sous hypoxie dans le NSCLC. / Lung cancers are broadly classified into two main groups: small cell lung cancer and non-small cell lung cancer (NSCLC), which accounts for approximately 83% of all lung cancer cases with an overall 5-year survival rate of 21%. Conventional therapies in NSCLC including radiotherapy and platinum-based chemotherapy lack specificity and often cause severe side effects as they affect healthy cells. To address this problem, targeted therapies have been successfully used due to their specificity for cancer cells. Targeted therapies against epidermal growth factor receptor (EGFR) mutations and anaplastic lymphoma kinase (ALK) rearrangements have been shown to be effective in NSCLC. However, therapeutic response may be limited due to drug resistance. This is the case of patients whose tumors harbor activating KRAS mutation that leads to constitutive activity of RAS signaling independent of upstream signals. For this reason, a better comprehension of tumor progression and resistance is needed to improve cancer treatments. To date, approaches targeting oncogenic KRAS have been unsuccessful. Given the importance of metabolic reprogramming in multiple cancers including lung cancer and the regulatory role of KRAS signaling. We explored the metabolic reprogramming of KRAS-driven NSCLC cells to find vulnerabilities in the altered metabolism that can be exploited as therapeutic targets.For this, we characterized the proteome of NSCLC cell lines (A549 and NCI-H460) harboring activating mutations of the oncogene KRAS with particular focus on metabolic enzymes. We found not only up-regulation expression of glycolytic enzymes, which is frequently found in cancer as part of the “Warburg effect”, but also a remarkable up-regulation of the pentose phosphate pathway (PPP) in both oxidative and non-oxidative branches. Based on this study, we evaluated the feasibility of use PPP enzyme (glucose 6-phosphate dehydrogenase (G6PD) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGD) and transketolase (TKT)) as targets for improve or develop of new therapies.Recently, protein lysine acetylation (KDAC) has emerged as a metabolism-coordinating mechanism and mounting evidence has shown that acetylation regulation of metabolic enzymes plays a major role in cancer. Consequently, lysine deacetylases inhibitors (KDACIs) have drawn attention not only as promising strategies for therapeutic intervention but also as tool for studying the role of lysine acetylation in NSCLC metabolic reprogramming. Furthermore, metabolic reprogramming also depends strongly on the tumor microenvironment such as oxygen level. Therefore, we also analyzed the inhibition of KDAC under normoxic and hypoxic conditions in order to better understand the adaptive strategies under such perturbations. Our results showed that KDACIs induce low cell proliferation, differentiation, cell cycle arrest and apoptosis accompanied by a change in the tumor metabolic phenotype enhanced under hypoxia. Together, these results allow us to better understand how KDACIs control metabolic pathways under hypoxia in NSCLC.

Il est maintenant admis que l’activité anti-tumorale du TNF implique une destruction de la vascularisation de la tumeur par induction d’apoptose des cellules endothéliales. Si le traitement au TNF en thérapie humaine permet des rémissions complètes, il n’est applicable qu’aux membres isolés de la circulation systémique car les doses requises de TNF sont létales pour le patient. Mettre en évidence les mécanismes qui contrôlent l’apoptose de la cellule endothéliale devrait permettre de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques favorisant l’effet thérapeutique du TNF tout en évitant le choc septique qu’il engendre. Nous avons abordé cette question en utilisant le modèle de la cellule endothéliale d’aorte bovine (BAEC) stimulée au TNF afin d’étudier les mécanismes qui contrôlent le processus apoptotique et ce au cours des phases précoces de celui-ci. D’une part, nous avons identifié par une approche pharmacologique au moins trois voies de contrôle négatif d’induction de mort cellulaire par le TNF dans les cellules endothéliales : la première faisant intervenir une des protéines kinases C, une seconde la PI3-kinase et une troisième la protéine kinase p38. Cette dernière semble spécifiquement activée par le TNF et pourrait donc constituer une nouvelle cible pharmacologique visant à sensibiliser les cellules endothéliales de la vascularisation de la tumeur à l’action apoptotique du TNF. D’autre part nous avons mis en évidence et identifié par une approche protéomique au moins deux protéines montrant une rapide diminution de phosphorylation lorsque les cellules endothéliales sont stimulées par le TNF en présence de cycloheximide. Ces deux événements semblent en aval de l’activation d’une protéase de la famille des caspases. La première protéine est la sous-unité régulatrice de type II alpha (RIIα) de la protéine kinase A. Cependant, la relation entre cette déphosphorylation et le processus d’apoptose n’a pas pu être mise en évidence, une stimulation de l’activité PKA n’affectant pas l’induction d’apoptose des BAEC. La seconde est la protéine HDGF, connue pour être sur-exprimée dans certains cancers, mais dont la régulation par phosphorylation ainsi que son implication éventuelle lors du processus apoptotique n’avaient encore jamais été envisagées. Enfin, nous avons voulu mettre en évidence le rôle potentiel de la protéine hnRNP K qui subit une modification post-traductionnelle précoce lors de l’apoptose des BAEC. Notre étude, menée après surexpression de la protéine étiquetée, suggère une modification autre qu’une dégradation. Cependant, il ne nous a pas été permis de lui attribuer un rôle puisque la surexpression de cette protéine n’affecte pas l’apparition de différents marqueurs associés à l’apoptose.

Depuis plusieurs années, des projets d'intégration de données omiques se sont développés, notamment avec objectif de participer à la description fine de caractères complexes d'intérêt socio-économique. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de combiner différentes données omiques hétérogènes afin de mieux décrire et comprendre le dernier tiers de gestation chez le porc, période influençant la mortinatalité porcine. Durant cette thèse, nous avons identifié les bases moléculaires et cellulaires sous-jacentes de la fin de gestation, en particulier au niveau du muscle squelettique. Ce tissu est en effet déterminant à la naissance car impliqué dans l'efficacité de plusieurs fonctions physiologiques comme la thermorégulation et la capacité à se déplacer. Au niveau du plan expérimental, les tissus analysés proviennent de foetus prélevés à 90 et 110 jours de gestation (naissance à 114 jours), issus de deux lignées extrêmes pour la mortalité à la naissance, Large White et Meishan, et des deux croisements réciproques. Au travers l'application de plusieurs études statistiques et computationnelles (analyses multidimensionnelles, inférence de réseaux, clustering et intégration de données), nous avons montré l'existence de mécanismes biologiques régulant la maturité musculaire chez les porcelets, mais également chez d'autres espèces d'intérêt agronomique (bovin et mouton). Quelques gènes et protéines ont été identifiées comme étant fortement liées à la mise en place du métabolisme énergétique musculaire durant le dernier tiers de gestation. Les porcelets ayant une immaturité du métabolisme musculaire seraient sujets à un plus fort risque de mortalité à la naissance. Un second volet de cette thèse concerne l'imputation de données manquantes (tout un groupe de variables pour un individu) dans les méthodes d'analyses multidimensionnelles, comme l'analyse factorielle multiple (AFM) (ou multiple factor analysis (MFA)). Dans notre contexte, l'AFM fut particulièrement intéressante pour l'intégration de données d'un ensemble d'individus sur différents tissus (deux ou plus). Afin de conserver ces individus manquants pour tout un groupe de variables, nous avons développé une méthode, appelée MI-MFA (multiple imputation - MFA), permettant l'estimation des composantes de l'AFM pour ces individus manquants.

Les histones désacétylases HDAC1 et HDAC2 catalysent le retrait d’un groupement acétyle de résidus lysine, dans des protéines histones et non-histones. Les HDAC contrôlent la prolifération, la mort et la différenciation cellulaire. Des propriétés anti-inflammatoires et anti-tumorales ont été attribuées à des inhibiteurs contre les HDAC (HDACi), notamment dans les cellules épithéliales intestinales (CEI). Nous supposons que différents niveaux de HDAC1 ou HDAC2 dans les CEI induisent différentes réponses dans le maintien de l’homéostasie intestinale. Nous avons donc généré des souris hétérozygotes avec un seul allèle de Hdac1 ou Hdac2 dans le contexte de la délétion de l’autre. Les résultats indiquent que les souris Hdac1-/-;Hdac2+/- Villine-Cre présentent un phénotype similaire à celui d’un double mutant, à savoir des défauts d'architecture dans le jéjunum et le côlon, de la dysplasie et hyperplasie, une réduction du nombre de cellules à mucus, mais sans modification du nombre de cellules de Paneth et de la perméabilité épithéliale. Un allèle de Hdac2 n'est donc pas suffisant pour maintenir une homéostasie normale en l'absence de Hdac1. Nous avons aussi vérifié l’effet de la délétion de Hdac1 et Hdac2 à l’âge adulte dans le modèle inductible AhCre. Dans ce contexte, la perte de Hdac1 et Hdac2 entraîne une mortalité accrue après 8 jours, avec un arrêt de prolifération et l’induction de dommages à l’ADN. Nous avons alors exploré l’impact moléculaire de la perte des deux Hdac dans les CEI par une approche protéomique et transcriptomique. Nous avons observé des changements notables dans plusieurs voies de signalisation, associées à la prolifération, à des mécanismes de stress, au métabolisme, surtout lipidique. Ces changements sont en partie régulés post-traductionnellement. Bien que très instructifs, les modèles in vivo ne permettent pas de déterminer si les modifications de l’expression des gènes observées sans Hdac1 et/ou Hdac2 sont intrinsèques aux CEI ou si ces changements dépendent de signaux extrinsèques de la muqueuse ou de la lumière intestinale. Nous avons donc établi des cultures d’entéroïdes à partir de la crypte intestinale, ce qui permet la croissance, l'expansion et la différenciation des CEI progénitrices, sans l’influence de l’environnement. Nous avons entrepris des analyses protéomiques de type SILAC, suite à une inhibition pharmacologique des HDAC de type I, le CI994, ou suite à une délétion génétique de Hdac1 ou Hdac2. L’inhibition pharmacologique entraine un arrêt de prolifération associé à une différenciation altérée en faveur des cellules absorbantes, rappelant le modèle murin sans Hdac1 et Hdac2. Les voies liées à la réplication de l’ADN et au cycle cellulaire sont diminuées. Même si la perte de Hdac1 ou Hdac2 n’affecte pas notablement la croissance et la différenciation des entéroïdes, des voies associées au métabolisme et aux réponses à l’environnement sont augmentées. Au contraire, des entéroïdes sans Hdac1 et Hdac2 ne croissent pas en culture et dégénèrent en moins de 3 jours. Ceci suggère que l’environnement mucosal pourrait soutenir les CEI Hdac1-/-;Hdac2-/- de la niche épithéliale in vivo. Nos données suggèrent que des variations intrinsèques ou extrinsèques de l'activité de HDAC1 et HDAC2 modifient la réponse des CEI à l’environnement et entraînent des perturbations de l'homéostasie intestinale.

Le cytosquelette microtubulaire est une des cibles majeures en thérapie anticancéreuse. La caractérisation des isoformes d'une protéine est une problématique complexe en analyse protéomique. Pourtant il est crucial de mettre en évidence les variations de séquence primaire et les modifications post-traductionnelles qui peuvent dans certains cas être corrélées avec un phénomène physiologique et dans d'autres avec un état pathologique. Ainsi, la surexpression de l'isotype βIII de la tubuline, protéine constitutive des microtubules, peut avoir des conséquences importantes sur la régulation des propriétés dynamiques des microtubules et donc sur la réponse des tumeurs aux agents anticancéreux. Chaque isotype de tubuline se distingue principalement par les derniers acides aminés composant leur extrémité C-terminale. L'analyse top-down par MALDI-ISD est une approche de choix pour la caractérisation des isotypes de tubuline dont βIII. De plus, les propriétés spécifiques de fragmentation de cette protéine rendent possible son étude in situ sur coupes de tissue. Le choix de la matrice ainsi qu'une connaissance de la séquence primaire des protéines sont des paramètres importants lors des analyses MALDI-ISD. Une protéine telle qu'EB1, présentant une forte homologie de séquence C-terminale avec l'isotype α1B de la tubuline, est un candidat intéressant pour ce type d'approche. Cette protéine associée aux microtubules est le centre d'un réseau protéique régulant la dynamique des microtubules tel que dans le cas de l'angiogenèse tumorale. L'interaction entre EB1 et les protéines à domaine CAP-Gly se réalise par l'intermédiaire de son motif C-terminal -EEY où la tyrosine semble en être l'élément régulateur. La mise au point d'une approche de protéomique d'affinité pour l'identification et la quantification par spectrométrie de masse des complexe interagissant avec EB1 semble donc être un prérequis pour l'élaboration de nouveaux composés inhibant ce type d'interaction dans des contextes biologiques précis. / Microtubule is one of the major targets in cancer therapy. Protein isoforms characterization is a complex issue in proteomic analysis. Yet is is crucial to highlight primary sequence variations and posttranslational modifications that are associated with physiological processes or pathologies. Thus overexpression of βIII-tubulin isotype, protein that make up microtubules, can have consequences on the regulation of microtubules dynamic properties and therefore tumors response to anticancer agents. Each tubulin isotype is distinguished by the last amino acids of their C-terminus. MALDI-ISD top-down analysis is of interest for tubulin isotypes characterization as βIII. In addition, specific fragmentation properties of this protein make possible its in situ study on tissue sections. Matrix choice and knowledge of proteins primary sequence are important parameters for MALDI-ISD experiments. As protein such as EB1, that presents high sequence homology with α1B-tubulin isotype C-terminus, is an interesting candidate for this kind of approach. This microtubule associated protein is the core of a protein netword that regulates microtubule dynamics such as in the cas of tumor angiogenesis. The interaction between EB1 and proteins with CAP-Gly domain is realized through its C-terminal motif -EEY and tyrosine seems to be the regulatory element. The development of an approach by proteomics affinity for the identification and the quantification by mass spectrometry of complex interacting with EB1 appears to be a prerequisite for the development of new compounds that inhibit this peculiar mode of protein-protein interaction in specific biological contexts.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Un système informatique a été développé pour centraliser la cueillette et le traitement des données provenant de la plate-forme protéomique du CHUL (Centre Hospitalier de l'Université Laval). Les informations sont saisies à l'aide d'interfaces web générées en PL/SQL, ou cueillies par des scripts Perl et des macros en VB (Visual Basic). Toutes ces données sont sauvegardées dans une base de données Oracle installée sur un serveur Unix. L'engin de recherche Mascot (Matrix Science), utilisé pour l'identification des protéines, est intégré au système. Ce dernier a grandement réduit le temps dédié à la manipulation des données et à leur analyse, augmentant ainsi la productivité de la plate-forme. La versatilité du système permet l'intégration de nouveaux algorithmes d'analyse de données provenant de divers instruments, ainsi que l'intégration des résultats d'autres plate-formes telles les micropuces, le SAGE, l'hybridation in situ et le QRT-PCR.