Protéomique unicellulaire pour accélérer la découverte de nouveaux médicaments

Single cell proteomics for accelerating drug discovery pipeline

• Auteur / Autrice : Wafa Hechiche
• Direction : Joëlle Vinh, Jacques Fattaccioli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Analytique
• Date : Soutenance le 25/01/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasticité du cerveau (Paris ; 2014-....) - Laboratoire Plasticité du Cerveau Brain Plasticity (UMR 8249) - Sanofi (2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Varenne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joëlle Vinh, Jacques Fattaccioli, Marie-Pierre Bousquet, Claire Smadja, François Fenaille, Armelle Buzy, Jean-Claude Guillemot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Bousquet, Claire Smadja

Mots clés

Mots clés libres

Spectrométrie de masse

Miniaturisation

Unicellulaire

Protéomique

Préparation des échantillons

Échantillons de trace

Miniaturization

Proteomics

Mass spectrometry

Trace samples

Single cell

Sample preparation

Résumé

La cellule est une unité fondamentale de structure et de fonction en biologie. Les systèmes cellulaires tels que les cultures cellulaires, les tissus et les cancers se composent d'une variété de cellules aux propriétés moléculaires et fonctionnelles distinctes. La caractérisation de ces différences cellulaires est essentielle pour comprendre la physiologie ou les pathologies. Pour relever de nombreux défis médicaux et biologiques, l'analyse protéomique du protéome d'une cellule unique est devenue essentielle car elle fournit des informations sur les changements dynamiques du protéome ou l'hétérogénéité cellulaire. Cependant, le protocole classique utilisé en protéomique n'est pas adapté à une cellule unique ou même à des quantités minimes de matériel biologique. Il est donc essentiel de le miniaturiser pour l'adapter à une quantité minimale de matériel. De l'isolement des cellules à l'analyse LC-MS/MS, chaque étape du processus de préparation des échantillons nécessite un développement minutieux pour augmenter la sensibilité de l'analyse et réduire les pertes d'échantillons avant l'arrivée de l'échantillon devant le détecteur du spectromètre de masse. L'étude des surfaces des supports en contact avec les échantillons est souvent négligée et pourtant très importante. Un des phénomènes observés avec les protéines représentant un réel défi en protéomique unicellulaire est l'adsorption non spécifique des molécules d'intérêt sur les surfaces. Ainsi, l'adsorption des protéines et des peptides limite le rendement de récupération et est délétère pour identifier un maximum de peptides. Cet effet est d'autant plus visible que la quantité d'échantillons est faible. Dans le présent travail, nous avons étudié la nature de la surface afin d'optimiser le rendement de préparation des échantillons. Nous avons également étudié plusieurs étapes du protocole afin de les améliorer. Nos résultats ont confirmé qu’un protocole minimaliste ainsi que la réduction et le traitement des surfaces de contact sont des paramètres cruciaux pour améliorer la robustesse de la récupération et de l'identification des protéines et la sensibilité de la détection des peptides lors des analyses en LC-MS/MS de faibles quantités d'extraits de protéines ou un faible nombre de cellules humaines.

The cell is a fundamental unit of structure and function in biology. Cellular systems such as cell cultures, tissues and cancers are composed of a variety of cells with distinct molecular and functional properties. Characterization of these cellular differences is essential for understanding normal physiology or pathology. To address many medical and biological challenges, proteomic analysis of the single cell proteome has become essential as it provides information on dynamic changes in the proteome or cellular heterogeneity. However, the classical workflow used in proteomics is not adapted to a single cell or even to minimal quantities of biological material. It is therefore essential to miniaturize it to adapt it to a minimal amount of material. From cell isolation to LC-MS/MS analysis, each step of the sample preparation process requires careful development to increase the sensitivity of the analysis and reduce sample loss before the sample arrives at the mass spectrometer detector. The study of the surfaces of the containers in contact with the samples is often neglected and yet very important. One of the phenomena observed with proteins and representing a real challenge in single-cell proteomics is the non-specific adsorption of molecules of interest on surfaces. Thus, the adsorption of proteins and peptides limits the recovery yield and is deleterious to identify a maximum of peptides. This effect is even more visible when the amount of samples is small. In the present work, we studied the nature of the surface to optimize the sample preparation yield. We also studied several steps of the protocol in order to improve them. Our results confirmed that a minimalist protocol and the reduction and treatment of contact surfaces are crucial parameters to improve the robustness of protein recovery and identification and the sensitivity of peptide detection when working in LC-MS/MS with low amounts of protein extracts or low numbers of human cells.