Imagerie de transfert d’énergie par résonance de type Förster en utilisant du terbium pour l’évaluation des interactions protéine-protéine sur des membranes cellulaires

Terbium-based time-gated Förster resonance energy transfer imaging for evaluating protein-protein interactions on cell membranes

• Auteur / Autrice : Stina Linden
• Direction : Niko Hildebrandt
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/06/2015
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Jury : Président / Présidente : Martin Oheim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Niko Hildebrandt, Martin Oheim, Raphaël Tripier, Rodolphe Jaffiol, Christien Merrifield
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Martin Oheim, Raphaël Tripier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terbium

Transfert d'énergie

Microscopie de fluorescence

Mots clés libres

Microscopie en décalage temporelle

FRET

Terbium

Time-gated imaging

FRET

Terbium

Résumé

Cette thèse étudie l'utilisation de la microscopie FRET en décalage temporelle pour la détection de co-localisation des deux protéines membranaires E- et N-cadhérine. Ces protéines sont importantes pour les contacts cellule-cellule et jouent un rôle important dans la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT), un processus clé dans la métastase du cancer. Dans EMT cellules perdent leurs marqueurs épithéliaux (par exemple E-cadhérine) et acquièrent des marqueurs mésenchymateuses (par exemple N-cadhérine), ce qui augmente leur motilité et le caractère invasif pour échapper à la tumeur primaire dans la circulation sanguine en tant que ce qu'on appelle des cellules tumorales circulantes (CTC). Ce manuscrit porte sur la détection des CTC qui ont subi une EMT partielle, montrant un phénotype hybride (épithélio-mésenchymateuse) et co-expriment E et N-cadhérine, par des études de co-localisation en utilisant le FRET sur une lignée modèle de cellules. FRET (Transfer d’énergie par résonance de type Förster) est un transfert d'énergie non-radiatif entre deux molécules qui sont en résonance et à proximité (environ 1-20 nm). Une co-localisation d’E- et N-cadhérine en clusters serait donc détectable par FRET. La coloration des cadhérines qui a été fait en utilisant des anticorps spécifiques marqués avec une donneur qui a un longue durée de vie de fluorescence, le complexe de terbium Lumi4-Tb (TbL4) de Lumiphore, Inc., et diverses accepteurs. La longue durée de vie du donneur et la longue durée de vie d’accepteur sensibilisé (FRET) pourraient être imagés dans une configuration de microscopie en décalage temporelle. L’imagerie en décalage temporelle présente plusieurs avantages par rapport à l'imagerie stationnaire en termes de suppression efficace du bruit de fond dans des échantillons biologiques. L'installation décrite dans ce manuscrit est basée sur l'utilisation d'une caméra CCD intensifiée, une source d'excitation laser pulsé en UV et un décalage temporel défini de quelques microsecondes entre l'excitation et l'acquisition d'image. L’imagerie de FRET en décalage temporelle a été utilisée pour étudier des différents échantillons biologiques (intracellulaire et située à la membrane). Bien que les deux marqueurs protéiques pourraient imager correctement sur les mêmes cellules, FRET entre E- et N-cadhérine ou E- et E-cadhérine ne pouvaient pas être détectés. Des expériences de contrôle avec des anticorps contre le même anticorps primaire ont révélé des signaux de FRET forts à cause de la reconnaissance des anticorps donneurs et accepteurs aux mêmes anticorps primaires. Ces résultats de FRET entre deux anticorps différents séparés par quelques nanomètres démontrent la faisabilité de mesurer des interactions protéine-protéine et la co-localisation sur des membranes à l'aide de l’imagerie de FRET en décalage temporelle en utilisant TbL4. Imagerie en décalage temporelle de quelques microsecondes est particulièrement intéressante pour l'enquête des interactions protéine-protéine dans des échantillons biologiques hautement autofluorescentes, tels que les tissus cancéreux.

This thesis investigates the use of time-gated FRET microscopy for detection of colocalization of two membrane proteins, E- and N-cadherin. These proteins are important for cell-cell contacts and have an important role in the epithelial to mesenchymal transition (EMT), a key process in cancer metastasis. In EMT cells lose their epithelial markers (such as E-cadherin) and gain mesenchymal markers (such as N-cadherin), increasing their motility and invasiveness, enabling escape from the primary tumor into the bloodstream as so called circulating tumor cells (CTCs). This manuscript focuses on the detection of CTCs that have undergone partial EMT, displaying a hybrid phenotype (epithelial-mesenchymal) and co-express E- and N-cadherin, by FRET co-localization studies on a model cell line. FRET (Förster resonance energy transfer) is a non-radiative energy transfer between two molecules that are in resonance and in close proximity (ca. 1-20 nm). A co-localization of E- and N-cadherin in clusters would therefore be detectable by FRET. The staining of the cadherins was done by using specific antibodies labelled with a long lifetime donor, the terbium complex Lumi4-Tb (TbL4) from Lumiphore, Inc., and various acceptors. The long lifetime donor and long lifetime sensitized acceptor emission (FRET) could be imaged in a time-gated microscopy setup. Time -gated imaging has several advantages compared to steady state imaging in terms of efficient background suppression in biological samples. The setup described in this manuscript is based on the use of an intensified CCD camera, a pulsed UV-laser excitation source, and a defined (µs) delay between excitation and image acquisition. In addition to the E- and N-cadherin FRET experiments the time-gated FRET imaging microscopy was used to investigate different biological samples (intracellular and membrane located). Although both protein markers could be successfully imaged on the same cells, FRET between E- and N-cadherin or E- and E-cadherin could not be detected. Control experiments with antibodies against the same primary antibody revealed strong time-gated FRET signals due to binding of both donor and acceptor antibodies to the same primary antibodies. The successful time-gated imaging of two different antibodies separated by a few nanometers demonstrates the feasibility of probing protein-protein interaction and co-localization at membranes using TbL4 based time-gated FRET imaging. Microsecond time-gated imaging is especially interesting for the investigation of protein-protein interactions in highly autofluorescent biological samples such as cancer tissues.