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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+81THESE Présentée à l'Université Louis Pasteur, Strasbourg I Faculté des Sciences de la Vie pour obtenir le titre de : Docteur de l'Université Louis Pasteur de Strasbourg Domaine : Biologie Cellulaire et Moléculaire par Francine LEVY Analyse de la réponse immunitaire de la drosophile par une approche protéomique Soutenue le 08 juillet 2005 devant la commission d'examen: Mme Catherine FLORENTZ (Rapporteur interne, Strasbourg) M. Eric VIVIER (Rapporteur externe, Marseille) M. Hélian BOUCHERIE (Rapporteur externe, Bordeaux) M. Alan ADEREM (Membre invité, Seattle) M. Philippe BULET (Membre invité, Genève) M. Jules HOFFMANN (Examinateur, Strasbourg) Mme Laurence SABATIER (Directeur de thèse, Strasbourg) enorme merci merci analyse de la réponse immunitaire de la drosophile charge de travail régulation de l'expression des peptides antimicrobiens de la drosophile infections expérimentales ton organisation activation de la voie toll par les bactéries
Voir
THESE
Présentée à l'Université Louis Pasteur, Strasbourg I Faculté des Sciences de la Vie pour obtenir le titre de :
Docteur de l'Université Louis Pasteur de Strasbourg Domaine : Biologie Cellulaire et Moléculaire
par
Francine LEVY
Analyse de la réponse immunitaire de la
drosophile par une approche protéomique
Soutenue le 08 juillet 2005 devant la commission d'examen:
Mme Catherine FLORENTZ (Rapporteur interne, Strasbourg) M. Eric VIVIER (Rapporteur externe, Marseille) M. Hélian BOUCHERIE (Rapporteur externe, Bordeaux) M. Alan ADEREM (Membre invité, Seattle) M. Philippe BULET (Membre invité, Genève) M. Jules HOFFMANN (Examinateur, Strasbourg) Mme Laurence SABATIER (Directeur de thèse, Strasbourg)
1
A ma maman,
2
REMERCIEMENTS
Remerciements
Monsieur Hoffmann, Je vous remercie de m'avoir accueillie dans votre laboratoire et permis de réaliser cette thèse dans un environnement scientifique pluridisciplinaire exceptionnel. Merci également pour l'opportunité que vous m'avez donnée d'aller à Seattle dans le cadre du "projet Tacoma". Merci pour l'intérêt que vous avez porté à mes travaux et pour votre soutien pendant toutes ces années.
Madame Florentz, Monsieur Boucherie, Monsieur Vivier, Je vous suis reconnaissante d'avoir accepté de lire et de juger cette thèse malgré une charge de travail déjà importante. Veuillez trouver ici l'expression de ma profonde reconnaissance.
Mister Aderem, Thank you very much for participating to this jury. I also thank you for having welcomed me in your laboratory and allow me to realize the "Tacoma project". Please transmit my thanks to Adrian Ozinsky and Sam Donohoe for their efficient help on the ICAT strategy.
Philippe, Je te remercie d'être présent dans ce jury. Merci de m'avoir accueillie dans ton équipe pour mon DEA, d'avoir continué de suivre mon travail après ton départ et de m'avoir encouragée.
Laurence, Merci de m'avoir confié ce projet et de l'avoir supervisé d'une manière exceptionnelle. Merci d'avoir cru en moi, de m'avoir constamment encouragée et d'avoir été toujours disponible. J'ai beaucoup appris durant ces cinq années à tes côtés, de ta rigueur scientifique, ton organisation, ton enthousiasme et ton honnêteté. Tu as rempli ta mission avec excellence et humanité. Je te remercie de m'avoir comprise dans les moments difficiles, de m'avoir écoutée et soutenue…
Merci à Estelle, MarieEve, MarieCéline, Rachel, Sebahat et toutes les autres personnes qui m'ont apporté une aide technique tout au long de ces années. Merci à Christelle et Philippe pour votre efficacité lors des analyses MALDI et pour votre sympathie.
Martine, Un merci tout particulier pour ton aide précieuse et ton efficacité pour les bactéries, les séances de prélèvements et le tri des mouches. Mais merci également de ta gentillesse, d'avoir gardé le contact, pour les repas et les gâteaux au citron…un vrai réconfort tout au long de cette thèse! Enfin merci de ton affection, spécialement envers Hana.
3
Remerciements
Marie (L), Léna, Marie (M), Christine, JeanMarc, Charles, Daniel, Dominique, Jean Luc, Julien, merci pour votre aide, vos remarques, conseils et collaborations de tous ordres.
Vincent (L), Merci pour ta gentillesse et pour avoir pris le temps de relire ce manuscrit… tes conseils ont été très précieux.
Phil, Merci pour les nombreux coups de main que tu m'as apportée surtout pour la correction des textes en anglais. Merci aussi pour les repas, les gâteaux, les sorties, les cinés, le sport…toujours partante!
Laurent, Je te remercie pour ton assistance en informatique, mais aussi pour m'avoir accompagnée à Seattle, tu as été d'une grande aide durant ce séjour.
Paule, Merci pour tout ce que tu fais pour le laboratoire, ton professionnalisme et ton aide inégalable dans les méandres administratifs. Merci de ta gentillesse et de ta manière si maternelle de gérer le laboratoire.
Merci à tous les membres du laboratoire, ceux d'aujourd'hui et ceux qui sont partis vers de nouvelles aventures : merci à Danielle, Nathalie, Maurice, Jacopo, Claude (C), Valérie, Annie, Miquette, Reine, Bernard, Nadège, Akira, Sylvia, Cosimo, Cécile (V), Vincent (B), AnneIsa, Manu, Daniel (D), Hana, Servane, Catherine, Yann, ShinHong, Rajeev, Cécile (F), JeanMichel, Nicolas, Maria, Zacharia, aux sportives Vanessa, Tatiana, Marie (G), et à la relève : Jessica, Richard, Safia, Annabelle et Tunde. Je vous souhaite à tous bon courage pour la suite. Enfin, j'ai une pensée particulière pour Ahmet…
Laure, Nadine et Raghida, Un merci spécial à vous trois pour votre gentillesse, vos sourires, les repas libanais…mais tout particulièrement pour votre tendresse envers Hana, David et moi. Il y a des rencontres qu'on n'oublie pas.
Ma famille, Un énorme merci à mon papa, mes sœurs et mon frérot, sans votre aide et vos encouragements, je ne serais sûrement pas arrivée jusque là. Je pense très fort à ma maman qui m'accompagne à chaque instant et qui j'espère est fière de moi…
Mes amours, David et Hana, merci à vous deux d'éblouir ma vie. Votre soutien est inestimable…
4
TABLE DES MATIERES
Table des matières
REMERCIEMENTS ...................................................................................................... 3
TABLE DES MATIERES ............................................................................................. 5
INDEX DES FIGURES.................................................................................................. 9
ABREVIATIONS ......................................................................................................... 11
INTRODUCTION ........................................................................................................ 14
A. La réponse immunitaire des insectes .................................................................................................15 A.1. Les mécanismes cellulaires ..............................................................................................................15 A.1.1.Laphagocytose........................................................................................................................15 A.1.2. L'encapsulement ......................................................................................................................16 A.2. Les mécanismes humoraux ..............................................................................................................16 A.2.1. La coagulation .........................................................................................................................17 A.2.2. La mélanisation........................................................................................................................17 A.2.3. La synthèse des peptides antimicrobiens .................................................................................18
B. La régulation de l'expression des peptides antimicrobiens de la drosophile ..................................20 B.1. La voie IMD .....................................................................................................................................20 B.2. La voie Toll ......................................................................................................................................23 B.2.1. Signalisation intracellulaire......................................................................................................23 B.2.2.Signalisationextracellulaire.....................................................................................................24 B.2.2.1. Activation de la voie Toll par les bactéries à Gram-positif .............................................25 B.2.2.2. Activation de la voie Toll par les champignons ..............................................................26
C. Etudes post-génomiques de la réponse immunitaire de la drosophile ............................................26 C.1.Approchedifférentielletranscriptomique.........................................................................................27 C.2.Approchedifférentiellepeptidomique..............................................................................................28 C.2.1. Mise en évidence des "DrosophilaImmune-induced Molecules" ...........................................28 C.2.1.1. DIMs présentant des similitudes avec des molécules déjà connues ................................29 C.2.1.2. DIMs sans similitudes avec des molécules connues........................................................30 C.2.2. Mise en évidence des molécules induites par une infection virale...........................................32
D. Objectif de ce travail ...........................................................................................................................33
MATERIEL ET METHODES .................................................................................... 37
A. Matériel biologique..............................................................................................................................37 A.1. Souches de drosophiles ....................................................................................................................37 A.2. Infections expérimentales.................................................................................................................37 A.2.1. Infections par piqûre septique..................................................................................................37
5
Table des matières
A.2.2. Infections naturelles.................................................................................................................38 A.2.3. Infections virales......................................................................................................................38 A.3. Collecte de l'hémolymphe ................................................................................................................38
B. Approche par gels d'électrophorèse bidimensionnelle .....................................................................38 B.1. Préparation des échantillons .............................................................................................................39 B.1.1. Solubilisation des protéines .....................................................................................................39 B.1.2. Dosage des protéines................................................................................................................39 B.2.Gelsd'électrophorèse2D..................................................................................................................40 B.2.1. Focalisation isoélectrique.........................................................................................................40 B.2.1.1. Réhydratation ..................................................................................................................41 B.2.1.2. Migration.........................................................................................................................41 B.2.2. Electrophorèse sur gel de polyacrylamide en conditions dénaturantes ....................................42 B.2.2.1. Réduction/alkylation des molécules ................................................................................42 B.2.2.2. Migration.........................................................................................................................42 B.2.3. Coloration des protéines ..........................................................................................................43 B.2.3.1. Coloration au nitrate d'argent ..........................................................................................43 B.2.3.2. Coloration au bleu de Coomassie colloïdal .....................................................................43 B.3. Analyse qualitative et quantitative informatisée des gels .................................................................44 B.3.1. Détection automatique des spots et nettoyage des images .......................................................45 B.3.2. Appariement des spots (ou "matching")...................................................................................45 B.3.3. Normalisation des gels et analyse des données ........................................................................45 B.4. Identification des protéines par spectrométrie de masse...................................................................46 B.4.1. Digestion des protéines et extraction des peptides générés......................................................46 B.4.2. Analyse des échantillons par spectrométrie de masse MALDI-TOF .......................................48 B.4.3. Identification des protéines par recherche dans les banques de données .................................48
C. Approche par marquage isotopique des protéines ...........................................................................49 C.1. Marquage et digestion des protéines.................................................................................................50 C.2. Prépurification des peptides sur cartouche échangeuse d'ions..........................................................51 C.3. Chromatographie d'affinité et coupure de l'étiquette biotine ............................................................51 C.4. Fractionnement des échantillons par chromatographie échangeuse d'ions .......................................52 C.5. Chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem.......................................52 C.6. Analyse des résultats ........................................................................................................................53
D. La RT-PCR quantitative en temps réel .............................................................................................53 D.1. Extraction des ARN totaux...............................................................................................................53 D.2. Transcription inverse........................................................................................................................54 D.3. PCR quantitative en temps réel ........................................................................................................54
E. Inactivation de gène par injection d'ARN double brin.....................................................................55
RESULTATS ................................................................................................................ 58
6
Table des matières
Chapitre 1 : Recherche de nouvelles molécules impliquées dans la réponse immunitaire de la drosophile : approche par gels d'électrophorèse bidimensionnelle.......................................... 58
A. Mise en place de la méthodologie .......................................................................................................58 A.1. Electrophorèse bidimensionnelle......................................................................................................58 A.1.1. Optimisation de la solution de solubilisation des protéines et de la gamme de pH .................58 A.1.2. Choix du sexe des individus ....................................................................................................60 A.1.3.Cartesdegrandedimension.....................................................................................................61 A.2. Mise en place de l'analyse différentielle...........................................................................................61 A.2.1. Etude cinétique : choix du temps d'infection ...........................................................................62 A.2.1.1. Infections bactériennes....................................................................................................62 A.2.1.2.Infectionsfongiques........................................................................................................62 A.3.Etudedelareproductibilitédescartes2D........................................................................................63
B. Analyses différentielles des protéines de l'hémolymphe de drosophiles..........................................63 B.1. Coloration au nitrate d'argent ...........................................................................................................63 B.2. Gammes étroites de pH.....................................................................................................................64 B.3. Coloration au bleu de Coomassie colloïdal ......................................................................................64
C. Etude complémentaire : Analyse de la transferrine .........................................................................67 C.1. Régulation de la transferrine chez des drosophiles mutantes ...........................................................67 C.2. Inactivation du gène de la transferrine..............................................................................................69 C.3. Spécificité des fragments de transferrine..........................................................................................69
Chapitre 2 : Recherche de nouvelles molécules impliquées dans la réponse immunitaire de la drosophile : approche par marquage isotopique différentiel ICAT ......................................... 70
A. Description de l'approche ICAT ........................................................................................................71 A.1. Principe méthodologique..................................................................................................................71 A.2.Principedeslogicielsd'analysedesdonnées....................................................................................71
B. Etude différentielle des protéines de l'hémolymphe après infection expérimentale ......................73 B.1. Mise en place de la méthodologie ....................................................................................................73 B.1.1. Choix du seuil de sensibilité ....................................................................................................73 B.1.2. Calcul du taux d'abondance relatif des protéines .....................................................................74 B.1.3. Analyse des protéines de l'hémolymphe de drosophiles ..........................................................75 B.2. Infections spécifiques .......................................................................................................................75 B.2.1. Choix des agents microbiens et des temps d'infection .............................................................75 B.2.2.Identificationdesprotéines......................................................................................................76
DISCUSSION................................................................................................................ 81
A.Comparaisondesdeuxapproches......................................................................................................81 A.1. Caractéristiques des protéines détectées...........................................................................................81
7
Table des matières
A.2.Naturedesvariations........................................................................................................................83
B. Molécules dont le rôle dans la réponse immunitaire est connu ou fortement supposé .................. 84 B.1. Peptides antimicrobiens et DIMs......................................................................................................84 B.2. Protéases ........................................................................................................................................... 85 B.2.1. Protéases à sérine à domaine clip.............................................................................................85 B.2.2. Molécules potentiellement impliquées dans l'activation de la prophénoloxydase ...................86 B.2.3.Métallopeptidasesàzinc..........................................................................................................87 B.3. Inhibiteurs de protéases ....................................................................................................................89 B.4. Molécules de reconnaissance du pathogène .....................................................................................91 B.4.1. Gram-negative binding proteins...............................................................................................91 B.4.2. Peptidoglycan Recognition Proteins ........................................................................................92 B.4.3. Facteurs de croissance des disques imaginaux.........................................................................93 B.5. Molécules similaires aux protéines du complément .........................................................................94
C. Nouveaux candidats de la réponse immunitaire ...............................................................................95 C.1.Moléculessensorielles......................................................................................................................95 C.2. Peptidylglycineα-Hydroxylating Monooxygenase .......................................................................... 96 C.3. Molécules de liaison à la phosphatidyléthanolamine........................................................................97 C.4. Molécules de la famille des immunophilines ...................................................................................97 C.5. Molécules de liaison au calcium.......................................................................................................98 C.5.1. Sarcoplasmic Calcium-binding Protein et SCP-related protein ...............................................99 C.5.2. Alpha-amylase .........................................................................................................................99 C.6. Molécules antioxydantes et métabolisme des lipides .....................................................................101 C.7. Molécules impliquées dans le métabolisme du fer .........................................................................103
CONCLUSION ET PERSPECTIVES ..................................................................... 107
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................. 112
Annexe 1 - Liste des amorces utilisées ...................................................................... 132
Annexe 2 : Gel synthétique de l'ensemble des spots identifiés par approche 2D . 133
Annexe 3 : Liste des protéines détectées par ICAT et régulées après infection par un mélange bactérien ................................................................................................. 134
Annexe 4 : Liste des protéines détectées par ICAT et régulées après infection par différents pathogènes.................................................................................................. 135
Annexe 5 : Publications.............................................................................................. 136
8
Figure 1 :
Figure 2 :
Figure 3 :
Figure 4 :
Figure 5 :
Figure 6 :
Figure 7 :
Figure 8 :
Figure 9 :
Figure 10 :
Figure 11 :
Figure 12 :
Figure 13 :
Figure 14 :
Figure 15 :
Figure 16 :
Figure 17 :
INDEX DES FIGURES
Index des figures
Représentation schématique de la cascade de coagulation chez la limule. (Page 17)
Représentation schématique de la cascade de Arthropodes.(Page 18)
mélanisation des
Les sept familles de peptides antimicrobiens de la drosophile.(Page 19)
Représentation schématique de la voie IMD de la drosophile.(Page 21)
Représentation schématique de la voie Toll de la drosophile.(Page 24)
Diagramme de Venn représentant le nombre de gènes induits au cours de la réponse immunitaire de la drosophile.(Page 27)
Spectre de masse MALDI-TOF de l'hémolymphe d'une drosophile contrôle ou infectée expérimentalement par un mélange bactérien.(Page 28)
Stratégie d’identification des protéines contenues dans les spots des gels 2D.(Page 49)
Structure schématique du réactif clivable ICAT.(Page 50)
Comparaison des gels 2D de gammes de pH 3-10 et 5-8.(Page 59)
Cartes 2D de la fraction soluble des protéines de l'hémolymphe de drosophile.(Page 60)
Cartes 2D de l'hémolymphe de drosophile mâles et femelles.(Page 60)
Carte 2D de petite dimension de l'hémolymphe de drosophiles contrôles. (Page 61)
Carte 2D de grande dimension de l'hémolymphe de drosophiles contrôles.(Page 61)
Cartes 2D colorées au nitrate d'argent des protéines de l'hémolymphe de drosophiles contrôles ou infectées parB. bassiana.(Page 63)
Cartes 2D de gamme étroite de pH.(Page 64)
Cartes 2D colorées au bleu de Coomassie colloïdal des protéines de l'hémolymphe de drosophiles contrôles ou infectées.(Page 65)
9
Figure 18 :
Figure 19 :
Figure 20 :
Figure 21 :
Figure 22 :
Figure 23 :
Figure 24 :
Figure 25 :
Figure 26 :
Figure 27 :
Figure 28 :
Figure 29 :
Tableau I :
Index des figures
Diagramme de Venn représentant la répartition du nombre de spots régulés en fonction du type d'infection.(Page 66)
La transferrine et ses fragments de clivage.(Page 67)
Régulation de la transferrine chez des drosophiles mutantes.(Page 68)
Inactivation de la transferrine par injection d'ARN double brin.(Page 69)
Représentation schématique de la stratégie ICAT.(Page 71)
Choix de la probabilité minimale d'identification des protéines par ProteinProphet.(Page 73)
Nombre de peptides ayant servi à l'identification des protéines.(Page 77)
Nombre de protéines identifiées en commun dans une, deux, trois, quatre ou cinq infection(s) en fonction du nombre moyen de peptides utilisés pour l'identification.(Page 77)
Diagramme d'Euler-Venn représentant la distribution des molécules identifiées par la stratégie ICAT en fonction des infections.(Page 78)
Structure schématique et distribution phylogénétique des GNBPs.(Page 91)
Structure schématique de la région thioester des TEPs.(Page 94)
Structure schématique du peptidoglycane.(Page 100)
INDEX DES TABLEAUX
Récapitulation des caractéristiques structurales obtenues sur les DIMs. (Page 29)
Tableau II : Récapitulatif du nombre de spots régulés d'au moins un facteur cinq après infection.(Page 63)
Tableau III :des protéines dont l'abondance varie après infection d'après Identité l'analyse des gels 2D.(Page 66)
Tableau IV : Identification des protéines quantifiées pour toutes les infections issues de l'analyse ICAT.(Page 79)
10
