Littérature scientifique sur le sujet « Multiomique »

Les cardiopathies ischémiques sont la cause principale d'insuffisance cardiaque. Lors du processus de cicatrisation suite à un infarctus, il a été montré que les cellules souches progénitrices cardiaques PW1+ participaient activement au remodelage du cœur, et ce, en en participant à l'augmentation du nombre de fibroblastes. A l'heure actuelle les cellules PW1+ ne peuvent être récoltées qu'à travers l'utilisation d'une lignée rapportrice exprimant la B-Galactosidase sous le contrôle du gène Pw1. Ce projet a pour but de déterminer un marqueur membranaire associé à la présence de PW1 permettant de cibler spécifiquement ces cellules. A l'aide d'une suite logicielle, nous avons pu prédire un membranome des cellules PW1+ à partir de données RNA-seq que nous avons croisé avec le membranome observé par spectrométrie de masse. Cette approche combinée nous a permis de déterminer un ensemble de cibles d'intérêt dont l'expression a ensuite été validée par cytométrie en flux. Nous avons été capables d'associer la présence d’une protéine membranaire avec la présence de PW1 dans la fraction non myocytaire avec une forte spécificité et sensibilité. Des inhibiteurs pharmacologiques ont été décrit pour cette protéine, et leur utilisation in vitro puis in vivo a permis de montrer une réduction significative de la fibrose dans un modèle murin d'infarctus du myocarde accompagnée d'une augmentation de la survie après traitement
Ischemic heart diseases are the major cause of heart faillure, one of the most concerning disease in the world. The scarring process following myocardial infarction has been shown to be driven by cardiac progenitors celles (CPC), and PW1+ CPCs were shown to mediate and participate to this process. To target PW1+ cells, we are limited to a PW1nLacZ reporter mice model. We aim to find a membrane bound protein associated with PW1 presence to help to target specifically those cells. Using a prediction software suite, we predicted a specific membranome for PW1+ CPCs from RNA-Seq datas. We performed a mass spectrometry analysis to determine an observed membranome, and the combination of both approaches allowed us to find candidates to test. We then confirmed the expression of the candidates, and one showed strong sensibility and sensibility to describe PW1+ cells. The inhibition of this target by pharmacological drug in vitro and in vivo showed a significant decrease of fibrosis in a myocardial infarction murine model together with a significant increase of survival after treatment

Les bactéries lactiques sont largement utilisées en tant que ferments dans l'industrie laitière. Leur production s’effectue généralement dans des milieux semi-définis ou complexes dans lesquels certains nutriments peuvent être apportés par des extraits de levure (EXLs). Ce projet de thèse, qui associe deux partenaires industriels, les groupes Lesaffre et Sacco, ainsi que l’INRA, s’est focalisé sur l’effet des peptides de deux EXLs (EXL1 et EXL2) sur une souche industrielle de Streptococcus thermophilus, un levain lactique d’intérêt économique majeur. L’hypothèse sous-jacente était que ces peptides pourraient avoir un double rôle de nutrition et de régulation de fonctions cellulaires pouvant présenter un intérêt technologique. Afin d’explorer cette question, une stratégie expérimentale à deux niveaux a été élaborée : i) caractérisation et suivi cinétique de la fraction peptidique des deux EXLs par spectrométrie de masse (peptidomique) durant la fermentation de S. thermophilus en bioréacteurs, et ii) suivi cinétique parallèle du transcriptome et du protéome de la bactérie. L’objectif final était de croiser ces deux niveaux d’information afin de corréler des différences de contenu peptidique avec des différences d’activation de systèmes participant aux performances globales du levain.La caractérisation et le suivi du peptidome des EXLs en cours de fermentation a nécessité un important travail de développement méthodologique ayant abouti in fine à l’élaboration d’un outil analytique complet, combinant analyse peptidomique à haut-débit des échantillons et traitement bioinformatique et statistique des données. Cet outil a permis d’identifier environ 4000 peptides différents composant les deux EXLs. Le suivi cinétique a notamment permis de préciser la spécificité du transporteur d’oligopeptides de la bactérie (Ami). En particulier, il s’est avéré qu’une charge nette positive était le facteur prévalent pour le transport des peptides chez S. thermophilus. En complément de cette approche semi-quantitative, des analyses quantitatives ont été réalisées sur des fractions peptidiques des EXLs (dosages différentiels par HPLC des acides aminés avant et après hydrolyse). Elles ont notamment permis de révéler d’importantes différences de teneurs en oligopeptides entre les deux EXLs.En parallèle, le suivi transcriptomique et protéomique réalisé durant la croissance de la bactérie a révélé deux faits marquants. Le premier fait a trait à la surexpression dans l’EXL1 d’un locus génétique régulé par un mécanisme de quorum sensing utilisant un peptide phéromone comme signal moléculaire. Le deuxième fait marquant concerne diverses voies de biosynthèse (acides aminés et purines) différentiellement affectées par les deux EXLs. L’origine de ces dynamiques pourrait être au moins pour partie le fait de différences de contenu peptidique entre les deux substrats. Notamment, certaines voies de biosynthèse pourraient avoir été modulées différentiellement sous l’action de régulateurs centraux tels que CodY, dont l’activité est corrélée au contenu peptidique du milieu, ou encore YebC, un régulateur CodY-like dont le lien fonctionnel avec CodY reste encore inconnu chez S. thermophilus. Tous ces résultats ouvrent d’intéressantes perspectives pour mieux explorer le lien entre peptides et métabolisme bactérien. A terme, cette démarche pourrait se traduire par l’identification de biomarqueurs de performances dans les EXLs, et l’élaboration à façon de produits permettant de maximiser le potentiel technologique des ferments lactiques
Lactic acid bacteria are widely used as starters in dairy industry. They are generally produced in complex fermentation media containing a wide array of nutrients that can be provided by yeast extracts (YEs). The main goal of this thesis project, involving two industrial partners, Lesaffre and Sacco, as well as INRA, was to investigate the effect of the peptide fraction of two YEs (YE1 and YE2) on an industrial Streptococcus thermophilus strain, a major lactic acid starter. The underlying hypothesis of this whole project was that YE peptides could have a role in nutrition but also regulate cellular functions of technological relevance. In order to explore this question, a two-step strategy was elaborated: i) mass spectrometry characterization (peptidomics) of both YE peptide fractions and time course analysis of their relative abundance during the growth in bioreactors of S. thermophilus, and ii) parallel time course analysis of the strain transcriptome and proteome. The final objective was to cross these two levels of information in order to correlate differences of peptide content with differentially activated systems related to technological performances.YE peptidome characterization and kinetic analysis first required an important methodological development. It eventually resulted in a complete analytical tool that combines high throughput peptidomic analysis as well as bioinformatic and statistical data processing. This powerful tool was able to identify around 4,000 different peptides in both YEs. Then, the time course analysis also clarified the in vivo substrate specificities of the oligopeptide transport system of the bacterium (Ami). A peptide positive net charge notably turned out to be the leading factor governing peptide transport. In addition to this semi-quantitative approach, quantitative analyses were carried out on YE peptide fractions (differential HPLC analyses of amino acids before and after sample hydrolysis). They notably revealed significant differences in oligopeptides content between both YEs.Meanwhile, genome scale transcriptomic and proteomic analyses performed during the strain growth highlighted two significant events. The first one concerns the overexpression in YE1 of a quorum sensing-based genetic locus that uses a pheromone peptide as molecular signal. The second event relates to several biosynthesis pathways (amino acids and purines) that were differentially affected by both YEs. These dynamics could result from differences in peptide content between both substrates. In particular, some pathways could have been differentially modulated by central regulators such as CodY, whose activity is correlated to the medium peptide richness, or YebC, a CodY-like regulator whose functional link with CodY is still unknown in S. thermophilus. All these results open avenues for a better understanding of the interplay between peptides and bacterial metabolism. In the future, this whole approach could lead to the identification of performance biomarkers in YEs, which in turns may eventually translate into the conception of new customized products granting high technological performances to dairy starters

La prise en charge des enfants dans le cadre des effets indésirables liés au traitement du cancer constitue un enjeu majeur de santé publique. Les traitements du cancer ayant une toxicité reconnue sur les gonades, des procédures de préservation de la fertilité se mettent en place. Chez le garçon prépubère, le prélèvement du tissu testiculaire suivi de sa congélation est proposé. Après décongélation, le tissu testiculaire pourrait être maturé in vitro ou in vivo afin de produire des spermatozoïdes utilisables en Assistance Médicale à la Procréation. La maturation in vitro pourrait être proposée aux patients présentant une localisation testiculaire de cellules tumorales résiduelles. Cependant, la production de spermatozoïdes in vitro reste un événement rare dans le modèle murin. Ce protocole ne peut donc pas être transposé en clinique à l’heure actuelle. Notre première étude fait état d'une maturation partielle des cellules de Leydig, d'une activité stéroïdogène perturbée et d'un excès d’œstrogènes dans les tissus maturés in vitro alors que la seconde démontre la maturation des cellules de Sertoli in vitro. Une meilleure connaissance des mécanismes moléculaires au sein des tissus en culture était nécessaire afin de pouvoir adapter le milieu de culture et optimiser le rendement de la spermatogenèse in vitro. Nous avons donc utilisé une nouvelle approche multiomique alliant single nuclei RNA-seq et single nuclei ATAC-seq permettant d’établir de manière simultanée le profil d'expression génique et de la chromatine ouverte d'unemême cellule. Avant de pouvoir envisager une application clinique, il est indispensable de poursuivre ces travaux par une optimisation des différentes étapes de la spermatogenèse, séparément la mitose, méiose et spermiogenèse en déterminant quels facteurs sont essentiels lors de ces étapes, afin de développer un protocolede culture séquentielle
Treating children for adverse effects related to cancer treatment is a major public health issue. As cancer treatments are known to have a toxic effect on the gonads, fertility preservation procedures are being introduced. In prepubertal boys, testicular tissue sampling followed by freezing is suggested. After thawing, testicular tissue can be matured in vitro or in vivo to produce sperm for assisted reproduction. In vitro maturation could be proposed to patients with testicular localization of residual tumor cells. However, in vitro sperm production remains a rare event in the mouse model. This protocol cannot therefore be transposed to the clinic at present. Our first study shows partial maturation of Leydig cells, disturbed steroidogenic activity, and excess estrogen in in vitro matured tissue, while the second demonstrates maturation of Sertoli cells in vitro. A better understanding of the molecular mechanisms within cultured tissues was needed to adapt the culture medium and optimize spermatogenesis yields in vitro. We therefore used a new multiomics approach combining single nuclei RNA-seq and single nuclei ATAC-seq to simultaneously profile gene expression and open chromatin in the same cell. Before any clinical application can be envisaged, it is essential to continue this work by optimizing the various stages of spermatogenesis, separately mitosis, meiosis and spermiogenesis, by determining which factors are essential during these stages, to develop a sequential culture protocol

La microfluidique de gouttes est une technologie qui possède un très grand potentiel pour la miniaturisation et l’automatisation des méthodes bioanalytiques conventionnelles. En effet, les nombreuses fonctionnalités présentes en microfluidique de gouttes, telles que la fusion, le tri et l’encapsulation de cellules, permettent de reproduire des protocoles bioanalytiques standards sur de très petits volumes avec des avantages tels que la diminution de la consommation d’échantillon et de réactifs et la diminution du temps d’analyse. Au cours de cette thèse, nous avons développé les protocoles pour deux types d’analyse biologique utilisant la manipulation de particules magnétiques en gouttes de 100 nL.Le premier projet a porté sur l’analyse multiomique de cellules uniques. Nous avons conçu un protocole en microfluidique de gouttes permettant la séparation de l’ARNm et l’ADN d’un échantillon complexe : du mélange d’ADN et d’ARN pré-purifiés à une suspension de moins d’une dizaine de cellules entières. A chaque étape, les performances du système en gouttes ont été évaluées et les résultats comparés avec les extractions effectuées en tubes de manière non-microfluidique. Les résultats obtenus sont prometteurs car ils démontrent pour la première fois dans un tel dispositif la séparation séquentielle de l’ADN et de l’ARNm à partir de lysat cellulaire ou de quelques cellules entières encapsulées et lysées en gouttes.Le second projet concerne la préparation d’échantillon en gouttes pour l’analyse par spectrométrie de masse MALDI-TOF. Ce projet a été mené en collaboration avec des chercheurs du CEA Saclay qui ont montré qu’il y a un intérêt important à déposer les échantillons sur des plaques MALDI sous forme de gouttes pour augmenter la sensibilité de détection grâce à un effet de concentration. Nous avons mis en place un système automatisable qui permet de coupler la microfluidique de gouttes à la spectrométrie de masse MALDI-TOF : de la digestion enzymatique supportée en goutte au dépôt sur plaque avec pré-concentration de l’échantillon cristallisé. Le développement a été fait avec le lysozyme comme protéine modèle et notre protocole permet d’identifier la protéine par empreinte de masses peptidiques à partir de 200 fmol de protéine avec une bonne fiabilité
Droplet microfluidics is a technology with a huge potential for miniaturization and automation of conventional methods in bioanalysis. Indeed, droplet microfluidics has many functionalities, such as merging, sorting and cell encapsulation, that can reproduce manipulations in standard protocols in bioanalysis on very small volumes with advantages such as a low samples and reagents consumption and reduction of analysis duration. During this thesis, we developed protocols for two types of biological analysis, using magnetic particles manipulation in 100 nL droplets.The first project is about single cell multiomics analysis. We implemented a droplet microfluidics protocol for the separation of mRNA and DNA from complex samples: from a mix of pre-purified RNA and DNA to a suspension of less than ten cells. At each steps, the droplet system performances were evaluated and the results were compared to extractions made in tubes in a non-microfluidics way. The results are very promising since they demonstrate for the first time in such a system the sequential separation of DNA and RNA from cell lysate or a few cells encapsulated and lysed in droplets.The second project is about the sample preparation in droplet for MALDI-TOF mass spectrometry analysis. This project was built in collaboration researchers from CEA Saclay. They have shown that it is very interesting to deposit samples in droplets on MALDI plates to increase the detection sensitivity thanks to a focusing effect. We have implemented on an original integrated droplet microfluidic approach for protein analysis by MALDI-TOF MS: from in drop sample preparation by supported enzymatic digestion to on plate deposition and peptides local pre-concentration. Development was done with lysozyme as a model protein and thanks to our in-drop digestion and deposition protocol we identified this protein by mass fingerprint from 200 fmol protein with a good reliability

La symbiose rhizobium-légumineuse est une intéraction étroite entre plante et bactérie. Au cours de cette symbiose, la bactérie est hébergée par la plante au sein d’organes symbiotiques où elle fixe l’azote atmosphérique pour la plante. Les espèces de légumineuses du groupe des IRLC et des Dalbergioïdes peuvent contrôler les rhizobia symbiotiques et induire un processus de différenciation particulier grâce à la production massive de peptides riches en cystéines (NCR) spécifiques aux nodosités. In vitro, les peptides NCR cationiques ont des activités de perméabilisation de la membrane sur de nombreuses bactéries. La manière dont les rhizobiums s'adaptent pour résister à ce stress intense reste encore aujourd’hui mal compris. Deux axes de recherche principaux ont été menés au cours de cette thèse, tous deux liés à la compréhension de la réponse des bactéries à la différenciation terminale imposée par les peptides NCR. D'un côté, nous avons analysé certaines fonctions bactériennes pour leur rôle dans la résistance à la NCR au cours de l'interaction modèle entre Medicago truncatula et Sinorhizobium meliloti. Dans ce travail, nous avons principalement évalué les fonctions membranaires telles que la synthèse du LPS, le système de réponse aux stress de l’enveloppe et des fonctions d'importation. Nous avons trouvé de nouvelles fonctions qui pourraient être impliquées dans la résistance à la NCR et la différenciation terminale des bactéroïdes.De l'autre côté, nous avons mené une approche multi-omique couplée à des techniques de biologie cellulaire pour caractériser l'interaction mal adaptée entre Bradyrhizobium diazoefficiens USDA110 et Aeschynomene afraspera. Nous avons découvert de nouvelles particularités dans cette interaction avec notamment une différenciation inhabituelle
The legume-rhizobia symbiosis is a close interaction between a plant and bacteria. During this symbiosis, bacteria are hosted by the plants in symbiotic organs called nodules and in which the symbionts fix atmospheric nitrogen for the plants. Legume species from IRLC and Dalbergioid can control symbiotic rhizobia and mediate a particular differentiation process through the massive production of nodule-specific cysteine-rich (NCR) peptides. In vitro, cationic NCR peptides have membrane-permeabilizing activities on many bacteria. How rhizobia adapt to resist this intense stress remains poorly understood. Two main research axes were driven during this thesis, both linked to the understanding of how bacteria react to terminal differentiation imposed by NCR peptides. On one side, we tried to functionally analyze bacterial functions for their role in NCR resistance during the model interaction between Medicago truncatula and Sinorhizobium meliloti. In this work, we mainly assessed membrane functions such as LPS synthesis, Envelope Stress Response, and import functions. We found novel functions that could be involved in NCR resistance and terminal bacteroid differentiation.On the other side, we conducted a multi-omics approach coupled with cell-biology techniques to characterize the ill-adapted interaction between Bradyrhizobium diazoefficiens USDA110 and Aeschynomene afraspera. We discovered new features in this interaction with an unusual differentiation

Plusieurs évolutions sont constatées dans la recherche en biologie. Tout d’abord, les études menées reposent souvent sur des approches expérimentales quantitatives. L’analyse et l’interprétation des résultats requièrent l’utilisation de l’informatique et des statistiques. Également, en complément des études centrées sur des objets biologiques isolés, les technologies expérimentales haut débit permettent l’étude des systèmes (caractérisation des composants du système ainsi que des interactions entre ces composants). De très grandes quantités de données sont disponibles dans les bases de données publiques, librement réutilisables pour de nouvelles problématiques. Enfin, les données utiles pour les recherches en biologie sont très hétérogènes (données numériques, de textes, images, séquences biologiques, etc.) et conservées sur des supports d’information également très hétérogènes (papiers ou numériques). Ainsi « l’analyse de données » s’est petit à petit imposée comme une problématique de recherche à part entière et en seulement une dizaine d’années, le domaine de la « Bioinformatique » s’est en conséquence totalement réinventé. Disposer d’une grande quantité de données pour répondre à un questionnement biologique n’est souvent pas le défi principal. La vraie difficulté est la capacité des chercheurs à convertir les données en information, puis en connaissance. Dans ce contexte, plusieurs problématiques de recherche en biologie ont été abordées lors de cette thèse. La première concerne l’étude de l’homéostasie du fer chez la levure pathogène Candida glabrata. La seconde concerne l’étude systématique des modifications post-traductionnelles des protéines chez la levure pathogène Candida albicans. Pour ces deux projets, des données « omiques » ont été exploitées : transcriptomiques et protéomiques. Des outils bioinformatiques et des outils d’analyses ont été implémentés en parallèle conduisant à l’émergence de nouvelles hypothèses de recherche en biologie. Une attention particulière et constante a aussi été portée sur les problématiques de reproductibilité et de partage des résultats avec la communauté scientifique
Biological research is changing. First, studies are often based on quantitative experimental approaches. The analysis and the interpretation of the obtained results thus need computer science and statistics. Also, together with studies focused on isolated biological objects, high throughput experimental technologies allow to capture the functioning of biological systems (identification of components as well as the interactions between them). Very large amounts of data are also available in public databases, freely reusable to solve new open questions. Finally, the data in biological research are heterogeneous (digital data, texts, images, biological sequences, etc.) and stored on multiple supports (paper or digital). Thus, "data analysis" has gradually emerged as a key research issue, and in only ten years, the field of "Bioinformatics" has been significantly changed. Having a large amount of data to answer a biological question is often not the main challenge. The real challenge is the ability of researchers to convert the data into information and then into knowledge. In this context, several biological research projects were addressed in this thesis. The first concerns the study of iron homeostasis in the pathogenic yeast Candida glabrata. The second concerns the systematic investigation of post-translational modifications of proteins in the pathogenic yeast Candida albicans. In these two projects, omics data were used: transcriptomics and proteomics. Appropriate bioinformatics and analysis tools were developed, leading to the emergence of new research hypotheses. Particular and constant attention has also been paid to the question of data reproducibility and sharing of results with the scientific community

Nous proposons dans ce chapitre une nouvelle méthode de sélection de variables dans le modèle linéaire général tenant compte de la dépendance pouvant exister entre les colonnes de la matrice d’observations afin de l’appliquer à des données “-omiques” qui sont caractérisées par la présence d’une forte structure de dépendance. L’implémentation de la méthode est disponible dans le package R MultiVarSel.