HORAIRE DES SEMINAIRES Lundi le 26 octobre 2015, pavillon Vachon - local 3820 Heure 8h30 maîtrise 9h15 maîtrise 10h00 10h20 maîtrise 11h05 maîtrise 11h50 13h00 maîtrise 13h45 maîtrise 14h30 14h45 maîtrise 15h30 maîtrise 16h15 Étudiants r Examinateurs P Steve Charette Pr Michel Frenette Marie-Laurence Lemay Pr Rong Shi CRISPR-Cas9 pour l’édition de génome et l’étude des gènes du phage virulent p2 Pr Michel Guertin Pr Patrick Lagüe Jérémie Hamel Pr Sylvain Moineau Étude Structurale de Protéines du Phage p2 par Cristallographie aux Rayons X et Résonance Magnétique Nucléaire PAUSE Pr Yves Bourbonnais Pr Michel Cusson Marie-Ève Picard Pr Stéphane Gagné Caractérisation structurale et essais d’inhibition d’une prényltransférase de papillons Pr Steve Charette Pr Alexander Culley Vanessa Dion-Dupont Pr Sylvain Moineau Exposition aux bioaérosols dans les centres de traitement des eaux usées: évaluation du risque bactérien par l’emploi d’outils de biologie moléculaire Dîner Pr Steve Charette Pr Michel Guertin Gabrielle Labrie Pre Monique Turmel Caractérisation de la protéine ChuY de la voie d’acquisition de l’hème chez E. coli O157:H7 Pr Yves Bourbonnais Pre Manon Couture Loreleï Masselot-Joubert Pr Claude Lemieux Études structurale et fonctionnelle de cytochromes P450 impliqués dans la biosynthèse de la tiacumicine B PAUSE Pre Louise Brisson Pre Caroline Duchaine Alix Denoncourt Pr Michel Frenette Caractérisation biochimique et écologique des corps multilamellaires produits chez Dictyostelium discoideum Pre Manon Couture Pr Stéphane Gagné Andrei Tudor Pr Simon Hardy Développement d’une méthode de prédiction de l’orientation et de l’insertion des protéines membranaires et périphériques dans les membranes Fin des séminaires CRISPR-Cas9 pour l’édition de génome et l’étude des gènes du phage virulent p2 Par Marie-Laurence Lemay Sous la direction du Professeur Sylvain Moineau Les bactériophages (ou phages) sont les entités biologiques les plus abondantes sur Terre. Dans l’industrie laitière, ils compromettent le processus de transformation du lait et occasionnent des pertes de ressources et de qualité. Naturellement présents dans le lait et résistants à la pasteurisation, les phages peuvent infecter et lyser les souches bactériennes soigneusement sélectionnées. Lactococcus lactis est l’espèce bactérienne la plus utilisée pour la production de fromages et elle est susceptible à l’infection par des phages. Parmi les nombreux phages virulents de lactocoques, ceux appartenant au groupe sk1-like sont les plus problématiques dans l’industrie laitière. Le phage p2 est le virus modèle de ce groupe. Étonnamment, près de la moitié des ses gènes, soit une vingtaine, codent pour des protéines aux fonctions encore inconnues. Une des raisons pour ce manque de connaissances était l’absence d’un outil pour la modification génomique des phages virulents. L'étude des phages strictement virulents représente un défi de taille puisque leur génome passe peu de temps dans la cellule bactérienne. Or, l'édition de leur génome est restreinte à un cycle infectieux. CRISPR-Cas est un système naturel de défense bactérien contre les infections virales. Le mécanisme a été récemment adapté avec succès pour l'édition de génome d'une variété d'organismes. Brièvement, il est constitué d'un ARN qui porte une séquence d'une vingtaine de nucléotides identique à l'ADN envahisseur. Cet ARN guide forme un complexe avec la nucléase Cas9, une protéine qui clive l'ADN. Lorsque le complexe rencontre sa séquence cible par appariement des bases, l'ADN subit une coupure double-brin franche. La puissance de l'outil réside dans le fait que la séquence de l'ARN peut facilement être modifiée afin de cibler n'importe quelle séquence. La coupure double-brin ainsi générée peut ensuite être réparée par la machinerie moléculaire de la cellule. En fournissant un gabarit de recombinaison homologue, nous pouvons contraindre la cellule à réparer le bris de manière à remplacer le gène sauvage par une version mutée, délétée ou marquée de celui-ci. L’objectif principal de ce projet était de développer un outil d’édition génomique basé sur le système CRISPR-Cas9 afin d’étudier le phage virulent p2. Le système CRISPR-Cas9 de Streptococcus pyogenes a donc été cloné sur un plasmide et introduit dans la souche hôte L. lactis MG1363, naturellement dépourvue de ce système. Ce plasmide a aussi été construit pour produire un ARN ciblant un gène d’intérêt du phage p2, et ainsi conférer une résistance contre ce phage. Sur un second plasmide, un gabarit de recombinaison portant un gène délété d'intérêt a été cloné. La délétion a été choisie pour permettre aux phages d'échapper au système de défense CRISPR-Cas9 puisque la recombinaison avec ce plasmide enlève la séquence cible. Les bactéries portant les deux plasmides ont été infectées avec le phage p2. Seulement des phages ayant recombinés se sont propagés sur cette souche. Le génome des phages mutants a été séquencé pour confirmer la mutation attendue. Jusqu'à présent, deux gènes non-essentiels du phage p2 ont été inactivés. Le système est maintenant fonctionnel pour passer à l'inactivation, la mutation et le marquage de chacun des gènes/protéines d'intérêt. Cet outil nous permettra d'étudier l'impact de ces inactivations et mutations sur la multiplication des phages et sur les bactéries infectées incluant l'impact sur leurs protéomes et leurs réseaux d’interactions protéiques. Étude Structurale de Protéines du Phage p2 par Cristallographie aux Rayons X et Résonance Magnétique Nucléaire Par Jérémie Hamel Sous la direction Rong Shi et la co-direction de Stéphane Gagné Dans l’industrie laitière, l’introduction de bactériophages dans du lait destiné à la manufacture de fromage peut retarder ou arrêter le processus de fermentation lactique par les bactéries. La bactérie Lactococcus lactis, largement utilisée comme levain de départ, est la proie de plusieurs de ces virus, en majorité du groupe 936, de la famille des Siphoviridae. Une meilleure compréhension du mécanisme d’infection une fois que le matériel génétique phagique est introduit dans la cellule et des tactiques de défenses bactériennes sont nécessaires afin de mieux combattre l’infection par les phages en industrie. Le présent projet porte sur l’étude structurale des gènes exprimés au début et au milieu de l’infection de L. lactis par le phage p2, populaire représentant du groupe 936. Les méthodes de cristallographie aux rayons X et résonance magnétique nucléaire seront utilisées afin de déterminer la structure des protéines exprimées par ces gènes, puis l’étude de leur structure permettra de donner des indices sur la nature de leur(s) rôle(s)grâce à la reconnaissance des motifs et la recherche d'homologues structuraux dans les bases de données. Caractérisation structurale et essais d’inhibition d’une prényltransférase de papillons Par Marie-Ève Picard Sous la direction du Pr Rong Shi et la co-direction du Pr Michel Cusson Les insectes ravageurs s’attaquant aux étendues de forêts infligent des dommages considérables. Au Canada seulement, les pertes de revenus et les dépenses en prévention, en lutte et en atténuation des risques associées à ces insectes sont évaluées à des centaines de millions de dollars. La tordeuse des bourgeons de l’épinette est le ravageur forestier le plus menaçant au Canada et le Québec est en plein cœur d’une épidémie de cet insecte nuisible. Pour agir contre la tordeuse, un insecte de l’ordre des Lépidoptères (chenilles et papillons), la bactérie Bacillus thuringiensis ssp. kurstaki est utilisée à titre d’agent de lutte biologique, mais la recherche se poursuit toujours afin d’améliorer ou de mettre au point des produits de lutte antiparasitaire respectueux de l’environnement et à impact réduit pour les espèces non ciblées. Le développement d’insecticides dits bio-rationnels se montre ainsi être une voie intéressante pour contrôler les insectes ravageurs forestiers. Ces insecticides s’attaquent à un insecte ou à un groupe d’insectes en perturbant la fonction d’une molécule (p. ex. une enzyme) lui étant spécifique. L’inhibition des enzymes impliquées dans la voie de biosynthèse de l’hormone juvénile (JH) entraînerait vraisemblablement des conséquences physiologiques menaçant la survie des insectes. La voie de biosynthèse de la JH est presque uniquement retrouvée chez les insectes, ce qui en fait une cible intéressante pour le développement d’insecticides. Les JH sont des composés qui régulent le développement des insectes et leur reproduction. Plusieurs formes de JH ont été identifiées. La JH III est présente chez la majorité des insectes. L’identification et la caractérisation des JH a permis de constater l’existence de quatre formes qui sont spécifiques aux Lépidoptères. Les structures de celles-ci révèlent la présence d’une particularité structurale intéressante chez cet ordre d’insectes, soit la présence de branches éthyliques. Ainsi il serait possible de cibler spécifiquement l’ordre des Lépidoptères dans le but de développer de nouveaux pesticides bio-rationnels. Les branches éthyliques exclusives aux Lépidoptères sont introduites dès le début de la biosynthèse de la JH, par une enzyme de la classe des prényltransférases appelée farnésyle diphosphate synthase (FPPS). Ce projet de recherche propose l’hypothèse selon laquelle la FPPS des Lépidoptères possède des caractéristiques structurales uniques qui peuvent être utilisées pour développer un ou plusieurs inhibiteurs enzymatiques spécifiques entraînant un dérèglement métabolique important, voire fatal, pour cet ordre d’insectes. Les principaux objectifs de ce projet consistent en la détermination de la structure, par cristallographie aux rayons-X, de FPPS de Lépidoptères en présence et en absence d’inhibiteurs connus. La détermination de la structure de FPPS2 chez la tordeuse permet de mieux comprendre le rôle des résidus dans le site actif et d’identifier les particularités structurales associées aux FPPS des insectes de l’ordre des Lépidoptères. Une approche in silico pourrait être utilisée éventuellement pour développer des inhibiteurs spécifiques à cet ordre d’insectes, dont fait partie la tordeuse. Exposition aux bioaérosols dans les centres de traitement des eaux usées : évaluation du risque bactérien par l’emploi d’outils de biologie moléculaire Par Vanessa Dion Dupont Sous la direction du Pre Caroline Duchaine Les centres de traitement des eaux usées (CTEUs) comportent plusieurs étapes de traitement reconnues pour générer d’importante concentration de bioaérosols. Ces particules biologiques, chargées de microorganismes tels des bactéries, peuvent ensuite être inhalées ou ingérées par les travailleurs œuvrant dans ce milieu. Ces deux voies de contamination peuvent causer des désordres respiratoires et gastroentériques connus. Pourtant, les informations quant à la composition des bioaérosols, particulièrement pour la présence d’agents infectieux ou sensibilisants, sont quant à elles peu nombreuses. De plus, afin de ne pas incommoder les populations avoisinantes, bien des CTEUs opèrent à l’intérieur de bâtiments fermés conduisant alors à une accumulation ou à une persistance des bioaérosols dans l’air si la ventilation est inadéquate. La situation au Québec est également particulière, car les paramètres de ventilation des bâtiments, le débit de traitement et la température de l’eau peuvent grandement différer selon les saisons. La prévalence des symptômes respiratoires et gastroentériques est également peu documentée. Il y a ainsi une sous-estimation du risque d’exposition des travailleurs des CTEUs. L’absence d’études exhaustives nuit aussi à l’établissement de valeurs limites d’exposition ou simplement, à la mise sur pied de meilleures mesures de prévention pour la santé des travailleurs. Cette étude a ainsi pour but de combler les lacunes relatives au risque professionnel des travailleurs des CTEUs. Dix établissements seront recrutés et visités à deux reprises pour tenir compte de l’effet saisonnier. Différents marqueurs de la qualité de l’air seront mesurés à l’aide d’échantillonneurs d’air stationnaires : les bactéries totales, des bactéries pathogènes, la biodiversité bactérienne, les endotoxines et la granulométrie des bioaérosols. Les données d’ingénierie du bâtiment telles que la ventilation, le débit de traitement de l’eau et la température intérieure et extérieure seront également prises en note afin de comprendre leur impact sur la concentration des bioaérosols. Finalement, au cours de l’étude, des travailleurs seront aussi recrutés pour porter des échantillonneurs d’air personnels afin d’évaluer leur niveau d’exposition en conditions estivales et hivernales. Finalement, au cours de l’étude, les travailleurs seront invités à remplir un questionnaire, de façon mensuelle, afin de répertorier leurs symptômes respiratoires et gastroentériques. Certains d’entre eux seront également recrutés pour porter des échantillonneurs d’air personnels afin d’évaluer leur niveau d’exposition en conditions estivales et hivernales. À ce jour, quatre CTEUs ont été visités. Ces derniers sont caractérisés par la présence d’une importante concentration de bactéries dans l’air soit de 102 à 108 UFC/m3 pour les bactéries totales et de 102 à 103 UFC/m3 pour Escherichia coli. Il est à noter que d’autres bactéries pathogènes à l’étude ont également été détectées à des concentrations allant jusqu’à 104 UFC/m3. Les concentrations en bactéries semblent différer selon les différents sites de traitement des eaux usées, les CTEUs et selon les saisons. Caractérisation de la protéine ChuY de la voie d’acquisition de l’hème chez E. coli O157:H7 Par Gabrielle Labrie Sous la direction de Manon Couture Les microorganismes ont besoin de fer pour croître et se multiplier puisqu’il est un cofacteur essentiel pour des enzymes impliquées dans des processus cellulaires vitaux. À cause de sa faible solubilité et de ses propriétés oxydantes, la majorité du fer est séquestré par des protéines chez l’humain, notamment dans l’hème de l’hémoglobine [1]. Les bactéries pathogènes ont développé diverses façons d’acquérir le fer de l’hôte. Ainsi on retrouve chez certaines bactéries, dont E. coli O157:H7, l’opéron chu codant pour un système d’acquisition direct de l’hème. Quatre des huit gènes de cet opéron codent pour des protéines nécessaires à la capture et au transport de l’hème de la membrane vers le cytoplasme. Une cinquième protéine, la protéine cytoplasmique ChuS, dégrade l’hème en ouvrant l’anneau porphyrine pour rendre le fer disponible à l’organisme [2]. Il y a ainsi trois gènes auxquels peu d’attention a été portée soit chuX, chuY et chuW. L’objectif de ce projet était de purifier et de caractériser les protéines codées par ces gènes afin de mieux comprendre leurs rôles respectifs dans cette voie d’acquisition de l’hème chez E. coli O157:H7. Les résultats concernant la protéine ChuY sont présentés. Cette protéine fait partie de la famille des SDRs (déshydrogénase/réductase à courtes chaînes) impliquées dans un large éventail de fonctions métaboliques. Plus précisément, ChuY fait partie de la sous-catégorie des SDRS atypiques caractérisées par la faible conservation du motif YXXXK du site actif. Par contre, tout comme les SDRs classiques, ces SDRs atypiques possèdent un motif N-terminal riche en glycine capable de lier le NAD(P)(H) nécessaire à l’oxydation/réduction leur(s) substrat(s) [3]. Notre hypothèse est que ChuY serait une réductase utilisant comme substrat le produit de la réaction de dégradation de l’hème catalysée par ChuS, soit un tripyrrole. Nos études cinétiques en spectroscopie optique à l’aide d’un mélangeur à flux arrêté ont effectivement permis de confirmer que la protéine ChuY est une réductase du tripyrrole issu de la réaction de dégradation de l’hème catalysée par ChuS. Cette activité catalytique s’effectue en utilisant préférentiellement le NADP(H) comme cofacteur. Nos résultats ont également montré que ChuY accélère neuf fois la vitesse de l’étape limitante de la réaction catalysée par ChuS qui est l’ouverture de l’anneau porphyrine de l’hème à partir du verdohème. Ce dernier résultat suggère que le complexe ChuS/verdohème est un substrat de ChuY au même titre que le complexe ChuS/tripyrrole. L’accélération de la réaction par ChuY a été confirmée par le dosage du fer. Ces dosages ont montré que 71% du fer de l’hème a été libéré en 10 minutes par le duo ChuY et ChuS comparativement à 46% en 60 minutes par ChuS seule. Bien que la nature du produit final issu de la réaction avec ChuY reste à être caractérisée, la détermination des constantes cinétiques a permis de proposer un modèle pour la réaction de dégradation de l’hème impliquant le travail concerté des protéines ChuS et ChuY. [1] Carpenter, C. and Payne, S. M. (2014) J. Inorg. Biochem. 133 : 110-117; [2] Ouellet, Y. H. et al., J. Inorg. Biochem., en révision; [3] Persson, B. and Kallberg Y. (2013) Chem. Biol. Interac. 202, 111-115. Études structurale et fonctionnelle de cytochromes P450 impliqués dans la biosynthèse de la tiacumicine B Par Loreleï Masselot--Joubert Sous la direction du Dr. Rong Shi Le Clostridium difficile est une bactérie Gram (-) opportuniste qui vit dans l’intestin. La souche virulente produit deux toxines qui dégradent la paroi intestinale et entraînent des diarrhées. C. difficile est à l’origine de 25% des diarrhées apparues suite à un traitement antibiotique. La lutte contre cette bactérie passe principalement par un traitement antibiotique composé de métronidazole ou de vancomycine. Ces deux traitements ont entraînés l’apparition de résistance. Depuis 2012, Santé Canada a autorisé la mise sur le marché d’un nouvel antibiotique : la tiacumicine B ou fidaxomicine. Ce médicament inhibe l’activité de l’ARN polymérase avant le début de la transcription. La tiacumicine B a été découverte en 1986 chez une bactérie du sol Dactylosporangium aurantiacum subsp hamdenesis. Elle est composé d’un cycle macrolactone composé de 18 atomes et de sucres modifiés. Sa biosynthèse utilise de nombreuses enzymes dont l’activité est connue mais pas l’ordre d’action. Le but de ce projet est de déterminer la structure et le substrat de deux cytochromes P450 appartenant à cette voie de biosynthèse: TiaP1 et TiaP2. Les cytochromes P450 sont une famille de protéines hémiques qui catalysent l’oxydation de carbones saturés. TiaP1 et TiaP2 ajoutent des groupement hydroxyles au niveau des carbones C20 et C18 du macrolacone. La cristallographie aux rayons X est utilisée pour déterminer la structure tridimensionnelle de TiaP1 et l’arrimage moléculaire pour prédire quelle molécule pourrait être le substrat de TiaP2. Caractérisation biochimique et écologique des corps multilamellaires produits chez Dictyostelium discoideum Par Alix Denoncourt Sous la direction de Steve Charette Les protozoaires sont des eucaryotes unicellulaires ubiquitaires des sols humides et des environnements aquatiques, et un grand nombre se nourrissent de bactéries par phagocytose. Certaines bactéries pathogènes comme Legionella pneumophila peuvent résister à la dégradation dans les lysosomes de certains protozoaires et se retrouver enrobées dans des structures membraneuses appelées corps multilamellaires (CML). Ces CML contenant des agents infectieux sont ensuite sécrétés dans l’environnement. Les micro-organismes enrobés dans des CML bénéficient d’une protection contre divers stress environnementaux (chimiques ou physiques) et sont susceptibles d’être aérosolisés et inhalés par l’humain. Ainsi, le processus d’enrobage de bactéries est suspecté de contribuer à la propagation de certaines maladies infectieuses d’origine environnementale. Afin de mieux comprendre ce phénomène, il est nécessaire d’identifier les mécanismes de formation et le rôle physiologique des CML qui demeurent inconnus à ce jour. En utilisant l’amibe modèle Dictyostelium discoideum, la présente étude visait donc à 1) identifier et caractériser le contenu protéique des CML et 2) analyser l’interaction entre les CML sécrétés et des populations de protozoaires. Quatre protéines majeures des CML ont été identifiées par SDSPAGE et spectrométrie de masse, incluant les protéines GP17 et CDD dont les fonctions sont inconnues. La présence de GP17 sur les CML a été vérifiée par immunofluorescence et par western blot à l’aide d’un anticorps spécifique. La protéine CDD a quant à elle été identifiée dans des analyses d’immunoprécipitation réalisées avec l’anticorps H36, précédemment utilisé comme marqueur de CML, ce qui suggère que cette protéine pourrait être l’épitope reconnu par H36 sur les CML. Enfin, des analyses d’immunofluorescence et de cytométrie en flux ont révélé que l’anticorps H36 constitue un meilleur marqueur de CML que l’anti-GP17. Toutefois, les fonctions des protéines identifiées sur les CML ne permettent pas d’attribuer un rôle précis à ces structures. Pour tenter d’éclaircir la situation, l’interaction entre les amibes et leurs CML a été étudiée afin de déterminer si les cellules pouvaient ré-internaliser les CML après leur sécrétion. Ainsi, un test de phagocytose de billes fluorescentes enrobées dans des CML a permis de révéler que la ré-internalisation était possible, ouvrant la porte à de nombreuses interprétations. Les CML sont-ils des réserves de nutriments ? Les protéines présentes sur les CML constituent-elles un signal influençant le comportement cellulaire ? D’autres investigations sont prévues afin d’élucider la fonction biologique des CML dans l’écologie de l’amibe et d’autres protozoaires, et ainsi mieux comprendre les mécanismes sous-jacents au processus d’enrobage de bactéries. Développement d’une méthode de prédiction de l’orientation et de l’insertion des protéines membranaires et périphériques dans les membranes Par Andrei Tudor Sous la direction de Patrick Lagüe Pour l'exécution de leur fonction biologique, plusieurs protéines ont besoin d’être liées à la membrane cellulaire. Les protéines membranaires représentent seulement 2 % des soumissions de structures sur Protein Data Bank (PDB), alors que 20 à 30 % des cadres de lectures ouverts (ORF) codent pour des protéines transmembranaires (1). Si on prend en compte les protéines périphériques, on peut s'attendre que ces derniers pourcentages augmentent. L’orientation, l’insertion et la conformation que les protéines membranaires ont lorsqu’elles interagissent avec une bicouche lipidique sont importantes pour la compréhension de leur fonction, mais ce sont des caractéristiques difficiles à étudier par des méthodes expérimentales. Compte tenu de la difficulté d’étudier cette interaction en utilisant des méthodes expérimentales, l’orientation, l’insertion membranaire et la conformation en présence des lipides d’une partie des structures se trouvant sur PDB ne sont pas connues. Parmi les méthodes expérimentales on compte la diffraction par rayons X, la résonance magnétique (RMN), la fluorescence du tryptophane, la spectroscopie infrarouge et le dichroisme circulaire orienté. Ces méthodes étant coûteuses en temps et argent, des méthodes computationnelles ont été développées pouvant réduire le temps et le coût de l'identification des caractéristiques des protéines membranaires. Les méthodes computationnelles se divisent en deux catégories, soit celles utilisant de la dynamique moléculaire et celles n'utilisant pas la dynamique moléculaire. Parmi les méthodes utilisant la dynamique moléculaire on compte les simulations de dynamique toute-atome, les simulations à gros grains et les simulations de type Generalized Born with simple smoothed SWitching (GBSW). Parmis les méthodes n'utilisant pas la dynamique moléculaire on compte la méthode Membrane Protein EXplorer (MPEx), la méthode Positioning of Proteins in Membranes (PPM) employée par Orientation of Proteins in Membranes (OPM) et finalement l’algorithme DETermine TransMembrane planes (TMDET). Dans le cadre de ce projet de maîtrise, nous proposons une nouvelle méthode computationnelle n'utilisant pas la dynamique moléculaire appelée Membrane Protein Prediction and Positioning (MemP3) qui permet de prédire l’orientation et l’insertion d’une protéine dans une membrane. La méthode est basée sur les potentiels de force moyenne (PMF) de l’insertion membranaire des chaînes latérales des acides aminés dans une membrane modèle dioléoylphosphatidylcholine (DOPC) qui ont été calculés par MacCallum et al (2). Références 1. Wallin, E., & von Heijne, G. (1998). Genome-wide analysis of integral membrane proteins from eubacterial, archaean, and eukaryotic organisms. Protein Science : A Publication of the Protein Society, 7(4), 1029–38. 2. MacCallum, J. L., Drew Bennett, W. F., and Peter Tieleman, D. (2008) Distribution of Amino Acids in a Lipid Bilayer from Computer Simulations, Biophys. J. 94, 3393–3404.