# Apport des techniques à haut débit pour l'identification des gènes et des protéines impliqués dans un processus physiologique

Joël Gautron

► To cite this version:

Joël Gautron. Apport des techniques à haut débit pour l'identification des gènes et des protéines impliqués dans un processus physiologique. Master. M2R physiopathologies. Analyse des génomes: aspects fondamentaux et approches méthodologiques, Tours, France. 2023. hal-04217903

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Submitted on 26 Sep 2023

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# Apport des techniques à haut débit pour l'identification des gènes et des protéines impliqués dans un processus physiologique

**Joël GAUTRON**, UMR Biologie des Oiseaux et Aviculture

**INRAE, Université de Tours, 37380 Nouzilly, France**

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<figure><img src="image_6.png" /></figure>
# Plan

I. Introduction

II. Approches à haut débit pour identifier les protéines déposées dans l'œuf d'oiseau

1. Généralité – stratégie expérimentale

2. Utilisation combinée des banques et outils

3. Transcriptome de l'œuf

4. Protéome de l'œuf

III. Mieux comprendre les défenses de l'œuf grâce aux approches à haut débit

Défense physique (coquille)

a) Protéines de la matrice organique et biominéralisation

b) Caractérisation fonctionnelle des protéines de la matrice

c) Avancées récentes en génomique pour améliorer la solidité de la coquille

IV. Conclusion
68.2 MT d'œufs produites dans le Monde en 2013
> 1200 Milliards d'œufs chaque année

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

## Production Monde 2013

* + 2% /an de 2003-13 (+ 4% /an de 93-03)

1. Chine 24.7MT

2. UE-28 6.2 MT

3. USA 5.6 MT

4. Inde 3.8 MT

5. Japon 2.5 MT

6. Mexique 2.2 MT

Les plus gros consommateurs d'œufs sont les asiatiques et les mexicains, avec une consommation annuelle par habitant de plus de 340 œufs.
# Evolution of egg production systems in UE

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<figure><img src="image_11.png" /></figure>

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

Source Commission européenne

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ITAVI
Distribution of total French consumption

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ITAVI d'après SSP, Kantar et Douanes
# Microbiologie de l'œuf et des ovoproduits

* Au moment de la ponte, le contenu des œufs est généralement stérile

* Le pourcentage d'œufs frais contaminés reste souvent inférieur à 1 %

* Contamination verticale est rare

* La contamination horizontale est beaucoup plus fréquente

* Se produit après la ponte par contact avec les microorganismes

* fientes

* environnement élevage

* centre de conditionnement

* circuit de commercialisation

* consommateur...

* Les œufs et produits d'œufs sont consommés crus (mayonnaise...)

* Impliqués dans 45% des salmonelloses (62 % pour salmonella enteritidis)

Le risque de contamination par les microorganismes et notamment *Salmonella* est donc une préoccupation pour la filière œufs et ovoproduits
# L'œuf de poule

* ✓ Ingrédient de base pour la consommation humaine
(Éléments nutritionnels parfaitement équilibrés)

## Chambre isolée pour permettre le développement de l'embryon

Doit contenir la totalité des composants nécessaires au développement embryonnaire

→ Systèmes de protection (défenses naturelles de l'œuf)

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

→ Source majeure de composés avec un large spectre d'activités biologiques

## Valorisation alimentaire et non alimentaire de l'œuf et des produits d'œufs
# L'œuf de poule

* ✓ Ingrédient de base pour la consommation humaine
(Éléments nutritionnels parfaitement équilibrés)

Chambre isolée pour permettre le développement de l'embryon

→ Rôle central des protéines déposées
dans l'œuf

aire

→ Identification et caractérisation des
protéines de l'œuf

→ Source majeure de composés avec un large spectre d'activités biologiques

Valorisation alimentaire et non alimentaire de l'œuf et des produits d'oeufs
# Plan

I. Introduction

II. Approches à haut débit pour identifier les protéines déposées dans l'œuf d'oiseaux

1. Généralité – stratégie expérimentale

2. Utilisation combinée des banques et outils

3. Transcriptome de l'œuf

4. Protéome de l'œuf

III. Mieux comprendre les défenses de l'œuf grâce aux approches à haut débit

Défense physique (coquille)

a) Protéines de la matrice organique et biominéralisation

b) Caractérisation fonctionnelle des protéines de la matrice

c) Avancées récentes en génomique pour améliorer la solidité de la coquille

IV. Conclusion
# Identification des protéines de l'œuf

## Les techniques classiques

* Biochimie (Fractionnement des composés de l'œuf par chromatographie, électrophorèses...) et biologie moléculaire

→ 2006, environ 50 protéines de l'œuf (10 dans la coquille)

## Les développements récents

* ✓ 2004, Publication de la séquence génomique de la poule

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

* ✓ Genome-wide non redundant catalog of 33 838 different genes

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

Gallus gallus: UniGene Build #46

Lineage: cellular organisms: Eukaryota; Fungi/Metazoa group; Metazoa; Eumetazoa; Bilateria; Coelomata; Deuterostomia; Chordata; Craniata; Vertebrata; Gnathostomata; Teleostomi; Euteleostomi; Sarcopterygii; Tetrapoda; Amniota; Sauropsida; Sauria; Archosaura; Aves; Neognathae; Galliformes; Phasianidae; Phasianinae; Gallus; Gallus gallus

Sequences Included in UniGene

Known genes are from GenBank 18 Aug 2012

ESTs are from dbEST through 18 Aug 2012

33,838 mRNAs

683 Models

0 HTC

11,088 EST, 3 reads

418,700 EST, 5 reads

79,390 EST, other unknown

543,699 total sequences in clusters

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

UniGene Links

Clusters

Library Browser

DCC

Query Tips

FAQ

Finding cDNAs

Mise à disposition des techniques « omics » et des outils de data mining pour identifier de nouvelles protéines de l'œuf

* ✓ cDNA and ESTs libraries
(Identification of 600 434 functional genes in chickens)

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

dbEST: database of "Expressed Sequence Tags"

dbEST release 130101
# Les banques cDNA et EST

## Le but

* Identifier les gènes fonctionnels

<figure><img src="image_21.png" /></figure>
# Les banques EST

## Le but

* Identifier les gènes fonctionnels

## Méthode

* Un catalogue compréhensible de l'ensemble des séquences d'un organisme ou d'un tissu spécifique ou d'une fonction biologique

<figure><img src="image_22.png" /></figure>
# Les banques EST

<figure><img src="image_23.png" /></figure>

EST

Assembled into a genome-wide non-redundant
catalog of expressed genes
(Unigenes)

## Main projects for poultry:

- University Delaware (http://www.chickest.udel.edu/)

- University of Manchester (http://www.chick.umist.ac.uk/index.html)

- Inra (http://www.sigenae.org)

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

dbEST: database of "Expressed Sequence Tags"

dbEST release 130101

**600 434 séquences** (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/dbEST/dbEST_summary.html) **pour 260 460 contigs et 129 842 singlets** (http://public-contigbrowser.sigenae.org:9090/Gallus_gallus/index.html)
# Utilisation combinée des banques cDNA, EST, génomique et des outils de bioinformatique

Ovocalyxin-36, une protéine de la matrice organique de la coquille

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

<figure><img src="image_26.png" /></figure>
# Utilisation combinée des banques cDNA, EST, génomique et des outils de bioinformatique

Ovocalyxin-36, une protéine de la matrice organique de la coquille

<figure><img src="image_27.png" /></figure>
# Utilisation combinée des banques cDNA, EST, génomique et des outils de bioinformatique

Ovocalyxin-36, une protéine de la matrice organique de la coquille

<figure><img src="image_28.png" /></figure>
# Utilisation combinée des banques cDNA, EST, génomique et des outils de bioinformatique

Ovocalyxin-36, une protéine de la matrice organique de la coquille

<figure><img src="image_29.png" /></figure>

Identification de la séquence génomique de l'ovocalyxine-36
Chromosome 20
Position 9834141 et 9842177
# Utilisation combinée des banques cDNA, EST, génomique et des outils de bioinformatique

Ovocalyxin-36, une protéine de la matrice organique de la coquille

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

## Gènes apparentés

Ovocalyxine-36, protéine apparentée à LBP/BPI et Plunc

* Se lient au lipopolysaccharide (LPS) de la paroi des bactéries à Gram négatif
* Mort de la bactérie

* Reconnaissance précoce des produits bactériens dans le système respiratoire supérieur
* chez les mammifères
Minireview

What Makes an Egg Unique? Clues from Evolutionary Scenarios
of Egg-Specific Genes<fnref n="1" />

Xin Tian,³,⁴,⁵,⁶ Joel Gautron,⁷ Philippe Monget,³,⁴,⁵,⁶ and Géraldine Pascal²,³,⁴,⁵,⁶

UMR85,³ Physiologie de la Reproduction et des Comportements, INRA, Nouzilly, France

UMR6175,⁴ CNRS, Nouzilly, France

Université François Rabelais de Tours,⁵ Tours, France

Haras Nationaux,⁶ Nouzilly, France

UR83 Recherches Avicoles,⁷ INRA, Nouzilly, France

H. sapiens M. domestica

Chr 20

G. Gallus

Chr 1

Chr 20

O. latipes

Ultra90

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

<figure><img src="image_33.png" /></figure>

Identification and characterisation of the BPI/LBP/PLUNC-like gene repertoire in
chickens reveals the absence of a LBP gene*

Shih-Chieh Chiang<sup>2,1</sup>, Edwin J.A. Veldhuizen<sup>b</sup>, Frances A. Barnes<sup>a</sup>, C. Jeremy Craven<sup>c</sup>,
Henk P. Haagsman<sup>b</sup>, Colin D. Bingle<sup>a,∗</sup>

<figure><img src="image_34.png" /></figure>

<footnote>* Academic Unit of Respiratory Medicine, Department of Infection and Immunity, University of Sheffield, Sheffield S10 2JF, UK</footnote>

<footnote>ª Department of Infectious Diseases and Immunology, Faculty of Veterinary Medicine, Utrecht University, P.O. Box 80.165, 3508 TD Utrecht, The Netherlands</footnote>

<footnote n="1">¹Kribs Institute for Biomolecular Research, Department of Molecular Biology and Biotechnology, University of Sheffield, Sheffield S10 2FN, UK</footnote>
Evolution des gènes

<figure><img src="image_35.png" /></figure>
# Plan

I. Introduction

II. Approches à haut débit pour identifier les protéines déposées dans l'œuf d'oiseaux

1. Généralité – stratégie expérimentale

2. Utilisation combinée des banques et outils

3. Transcriptome de l'œuf

4. Protéome de l'œuf

III. Mieux comprendre les défenses de l'œuf grâce aux approches à haut débit

Défense physique (coquille)

a) Protéines de la matrice organique et biominéralisation

b) Caractérisation fonctionnelle des protéines de la matrice

c) Avancées récentes en génomique pour améliorer la solidité de la coquille

IV. Conclusion
# La formation de l'œuf

<figure><img src="image_36.png" /></figure>

**Foie**

Protéines du jaune
(maturité sexuelle)

**Ovaire**

**infundibulum**

Membranes vitellines
(< 1 h)

**Magnum**

Protéines du blanc
(1h – 4h30)

**Isthme**

Membranes coquillières
(4h30-6h)

**Utérus**

Calcification de la coquille
(6h – 24 h)

<figure><img src="image_37.png" /></figure>
# La transcriptomique

<figure><img src="image_38.png" /></figure>

<figure><img src="image_39.png" /></figure>

**Foie :**
Protéines du jaune

<figure><img src="image_40.png" /></figure>

<figure><img src="image_41.png" /></figure>

**Ovaire et infundibulum :**
Membranes vitellines

<figure><img src="image_42.png" /></figure>

**Magnum :**
Protéines du blanc

<figure><img src="image_43.png" /></figure>

**Isthme :**
Membranes coquillières

<figure><img src="image_44.png" /></figure>

**Utérus :**
Calcification de la coquille

L'appareil reproducteur de la poule est un modèle parfaitement adapté à une approche transcriptomique

<figure><img src="image_45.png" /></figure>

Formation dans le temps et l'espace des constituants de l'œuf

<figure><img src="image_46.png" /></figure>

Spécialisation des tissus ou organes

<figure><img src="image_47.png" /></figure>

Différents stades physiologiques
# La transcriptomique

<figure><img src="image_48.png" /></figure>

**Foie :**
Protéines du jaune

<figure><img src="image_49.png" /></figure>

**Ovaire et infundibulum :**
Membranes vitellines

**Magnum :**
Protéines du blanc

**Isthme :**
Membranes coquillières

**Utérus :**
Calcification de la coquille

Utilisation de puces à ADN ou RNA-Seq

<figure><img src="image_50.png" /></figure>

Comparaison de l'expression des gènes
entre les différents tissus

<figure><img src="image_51.png" /></figure>

Quantification des gènes specifiquement exprimés en
relation avec la formation du jaune, des membranes
vitellines, du blanc d'oeuf, des membranes coquillères et
de la calcification de la coquille
# La transcriptomique

## Identification des gènes spécifiquement impliqués dans la synthèse du blanc, des membranes coquillières et la calcification de la coquille

<figure><img src="image_52.png" /></figure>

**Magnum :**
Protéines du blanc

**Isthme :**
Membranes coquillières

**Utérus :**
Calcification de la coquille

Utilisation de puces à ADN

Comparaison de l'expression des gènes
entre les différents tissus
# La transcriptomique

Several differentially expressed genes

(Fold difference range from 1.98 to 174.1)

Magnum

Uterus

Tissue specific genes ?

White Isthmus
# La transcriptomique

Several differentially expressed genes
(Fold difference range from 1.98 to 174.1)

Magnum

Uterus

White Isthmus
# La transcriptomique

Several differentially expressed genes
(Fold difference range from 1.98 to 174.1)

Magnum (egg white deposition)

<figure><img src="image_53.png" /></figure>

Uterus (eggshell calcification)

White isthmus (eggshell membranes)
# La transcriptomique

✓ Transcriptomics (microarrays, RNA seq)

<figure><img src="image_54.png" /></figure>

**Liver:** 582 ←
Egg yolk proteins (several weeks)

<figure><img src="image_55.png" /></figure>

**Ovary and infundibulum:**
Vitelline membranes (less 1 h)

Bourin et al. BMC Genomics 2012, 13:457
http://www.biomedcentral.com/1471-2164/13/457

<figure><img src="image_56.png" /></figure>

BMC
Genomics

Open Access

## RESEARCH ARTICLE

Transcriptomic profiling of proteases and
antiproteases in the liver of sexually mature hens
in relation to vitellogenesis

Marie Bourin, Joël Gautron, Magali Berges, Christelle Hennequet-Antier, Cédric Cabau, Yves Nys and Sophie Réhault-Godbert*

New insights in egg white proteins using cDNA microarrays and extensive proteomic data mining

EggMeat symposia 2011 - Leipzig

Brionne et al.
http://www.

## Nombreuses Etudes de RNA SEQ depuis

16000 nouvelles séquences géniques

4500 spécifiques de l'utérus

### RESEARCH ARTICLE

Hen uterine gene expression profiling during
eggshell formation reveals putative proteins
involved in the supply of minerals or in the shell
mineralization process

Aurélien Brionne, Yves Nys, Christelle Hennequet-Antier and Joël Gautron*

### Open Access

### RESEARCH ARTICLE

Gene expression profiling to identify eggshell
proteins involved in physical defense of the
chicken egg

Vincent Jonchère¹, Sophie Réhault-Godbert¹, Christelle Hennequet-Antier¹, Cédric Cabau¹, Vonick Sibut¹,³, Larry A Cogburn², Yves Nys¹, Joel Gautron¹*

### Open Access
# La protéomique

(Mass spectrometry-based methods for protein identification)

Digestion protéique (trypsine)

Séparation des protéines

(Chromatographie 2D, Electrophorèse 2D)

<figure><img src="image_57.png" /></figure>

<figure><img src="image_58.png" /></figure>

<figure><img src="image_59.png" /></figure>

Fragments peptidiques des protéines

<figure><img src="image_60.png" /></figure>

Waters® nanoscale LC/MS/MS System integrates the CoviCT® XE Pump and Autosampler, the Micromass® Q-Tof Ultima™ API Mass Spectrometer with integral NanoLock-Spray™ Ionization Source and MaxiLynx™ 4.0 Software.

<figure><img src="image_61.png" /></figure>

<figure><img src="image_62.png" /></figure>

<figure><img src="image_63.png" /></figure>

Détermination de la masse Réelle des peptides
# La protéomique

<figure><img src="image_64.png" /></figure>

<figure><img src="image_65.png" /></figure>
# La protéomique

L'analyse protéomique se base sur la protéine (unité fonctionnelle)

Toutefois elle est limitée aux protéines dont la séquence est disponible

L'analyse transcriptomique est basée sur les ARNm

Elle permet donc l'analyse des gènes et des protéines non identifiées dans les bases
La protéomique

✓ Proteomics (Mass spectrometry-based methods for protein identification)

178

DOI 10.1002/pmic.200700790

Proteomics 2008, 6, 178–191

RESEARCH ARTICLE

The chicken egg yolk plasma and granule proteomes

Karlheinz Mann and Matthias Mann

Max-Planck-Institut für Biochemie, Abteilung Proteomics und Signaltransduktion, Martinsried, Germany

<figure><img src="image_66.png" /></figure>

Chicken egg yolk cytoplasmic proteome, mined via combinatorial peptide ligand libraries

Alessia Farinazzo<sup>a</sup>, Umberto Restuccia<sup>b</sup>, Angela Bachi<sup>b</sup>, Luc Guerrier<sup>c</sup>, Frederic Fortis<sup>c</sup>, Egisto Boschetti<sup>c</sup>, Elisa Fasoli<sup>a</sup>, Attilio Citterio<sup>a</sup>, Pier Giorgio Righetti<sup>a,*</sup>

3558

DOI 10.1002/pmic.200700397

RESEARCH ARTICLE

The chicken egg white proteome

Karlheinz Mann

Max-Planck-Institut für Biochemie, Abteilung Proteomics und Signaltransduktion, Martinsried, Germany

Journal of
research articles

**proteome**
research

**2008**, **7**, 3461–3474

Exploring the Chicken Egg White Proteome with Combinatorial Peptide Ligand Libraries

Chiara D'Ambrosio,<sup>1</sup> Simona Arena,<sup>1</sup> Andrea Scaloni,<sup>1</sup> Luc Guerrier,<sup>1</sup> Egisto Boschetti,<sup>1</sup> Martha Elena Mendleta,<sup>2</sup> Attilio Citterio,<sup>1</sup> and Pier Giorgio Righetti<sup>1,*</sup>

2322

DOI 10.1002/pmic.200800032

Proteomics 2008, 8, 2322–2332

RESEARCH ARTICLE

Proteomic analysis of the chicken egg vitelline membrane

Karlheinz Mann

yolk

<figure><img src="image_67.png" /></figure>

Vitelline membranes

<figure><img src="image_68.png" /></figure>

egg white

Proteomics 2007, 7, 3558–3568

Proteomics 2006, 6, 3801–3810

DOI 10.1002/pmic.200600120

RESEARCH ARTICLE

Proteomic analysis of the acid-soluble organic matrix of the chicken calcified eggshell layer

3801

shell

Quantitative proteomics provides new insights into chicken eggshell matrix protein functions during the primary events of mineralisation and the active calcification phase

<figure><img src="image_69.png" /></figure>

CrossMark

Pauline Marie<sup>a</sup>, Valérie Labas<sup>b</sup>, Aurélien Brionne<sup>a</sup>, Grégoire Harichaux<sup>b</sup>, Christelle Hennequet-Antier<sup>a</sup>, Alejandro F.

<figure><img src="image_70.png" /></figure>

ELSEVIR

Proteo-
eggsh

Megan R.

Quantitative proteomics and bioinformatic analysis provide new insight into protein function during avian eggshell biomineralization

<figure><img src="image_71.png" /></figure>

CrossMark

proteins

Pauline Marie<sup>a</sup>, Valérie Labas<sup>b</sup>, Aurélien Brionne<sup>a</sup>, Grégoire Harichaux<sup>b</sup>, Christelle Hennequet-Antier<sup>a</sup>, Yves Nys<sup>a</sup>, Joël Gautron<sup>a,*</sup>

<sup>a</sup>INRA, UR83 Recherches Avicoles, Fonction et Régulation des Proteïnes de l'œuf, F-37380 Nouzilly, France

<sup>b</sup>INRA, UMR INRA85, UMR CNRS 7247, Université de Tours, IFCE, Physiologie de la Reproduction et des Comportements, Plate-forme d'Analyse Intégrative des Biomolécules, Laboratoire de Spectrométrie de Masse, F-37380 Nouzilly, France
# « omics » to identify novel egg proteins

<figure><img src="image_72.png" /></figure>

✓ **Proteomics** (Mass spectrometry-based methods for protein identification)

>4000 different protein identifiers in the different egg proteomes from 3 different databases
IPI (closed), GeneBank and UniProt

<figure><img src="image_73.png" /></figure>

Lot of redundancies

Majority of them were not annotated

<figure><img src="image_74.png" /></figure>

How many in each compartments ?

What is common, what is compartment specific ?

Functions in the egg ?

<figure><img src="image_75.png" /></figure>

<figure><img src="image_76.png" /></figure>

Data mining and bioinformatics tools

<figure><img src="image_77.png" /></figure>

Loading of the sequences, multi alignment to eliminate redundancies

<figure><img src="image_78.png" /></figure>

Repartition in individual egg compartments

<figure><img src="image_79.png" /></figure>

Update of functional annotations

<figure><img src="image_80.png" /></figure>

<figure><img src="image_81.png" /></figure>
# Novel egg proteins

894 genes encode egg proteins

<figure><img src="image_82.png" /></figure>

Protein variants
and isoforms

1261 non redundant proteins in the egg

Repartition in egg compartments

<figure><img src="image_83.png" /></figure>

Common, shared and specific proteins

<figure><img src="image_84.png" /></figure>

<figure><img src="image_85.png" /></figure>

<figure><img src="image_86.png" /></figure>
# Plan

I. Introduction

II. Approches à haut débit pour identifier les protéines de l'œuf

1. Généralité – stratégie expérimentale

2. Utilisation combinée des banques et outils

3. Transcriptome de l'œuf

4. Protéome de l'œuf

III. Mieux comprendre les défenses de l'œuf grâce aux approches à haut débit

Défense physique (coquille)

a) Protéines de la matrice organique et biominéralisation

b) Caractérisation fonctionnelle des protéines de la matrice

c) Avancées récentes en génomique pour améliorer la solidité de la coquille

IV. Conclusion
# Egg defences

<figure><img src="image_87.png" /></figure>

<figure><img src="image_88.png" /></figure>

<figure><img src="image_89.png" /></figure>
# La coquille : une barrière physique contre la pénétration bactérienne

→ L'intégrité de la coquille est cruciale pour la sécurité alimentaire du consommateur

<figure><img src="image_90.png" /></figure>

Comprendre les mécanismes de fabrication de la coquille et déterminer l'origine de ses faiblesses

Développer de nouveaux outils pour la sélection
La coquille (défense physique)

<figure><img src="image_91.png" /></figure>
# Eggshell biomineralization in uterus

<figure><img src="image_92.png" /></figure>

<figure><img src="image_93.png" /></figure>
# La Biominéralisation

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

* Dépôts de minéraux sous conditions physiologiques dans un organisme vivant qui aboutit à la formation de structures très diversifiées avec des formes, des tailles et des couleurs différentes

## Biominéralisation acellulaire dite contrôlée

<figure><img src="image_94.png" /><figcaption>Perle</figcaption></figure>

<figure><img src="image_95.png" /><figcaption>Coccolithes</figcaption></figure>

<figure><img src="image_96.png" /></figure>

<figure><img src="image_97.png" /><figcaption>Corail</figcaption></figure>

<figure><img src="image_98.png" /><figcaption>Coquilles d'oiseaux</figcaption></figure>

<figure><img src="image_99.png" /><figcaption>Coquilles de mollusques</figcaption></figure>

<figure><img src="image_100.png" /></figure>

<figure><img src="image_101.png" /><figcaption>gastéropodes</figcaption></figure>

<figure><img src="image_102.png" /></figure>
# La Biominéralisation

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

Malgré la diversité de formes et de fonctions, les structures biominérales se forment toujours selon les mêmes principes

<figure><img src="image_103.png" /></figure>
# La Biominéralisation

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

Malgré la diversité de formes et de fonctions, les structures biominérales se forment toujours selon les mêmes principe

→ 95% de carbonate de calcium sous forme de calcite

<figure><img src="image_104.png" /><figcaption>Aragonite</figcaption></figure>

<figure><img src="image_105.png" /><figcaption>Vatérite</figcaption></figure>

<figure><img src="image_106.png" /></figure>

→ 3,5% de matière organique (matrice organique)

*Protéines et protéoglycanes*

<figure><img src="image_107.png" /></figure>
# La Biominéralisation

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

Malgré la diversité de formes et de fonctions, les structures biominérales se forment toujours selon les mêmes principes

Un espace biologiquement compartimenté (utérus pour la poule)

C'est dans cet espace que les entrées ioniques et organiques sont contrôlées pour atteindre les conditions physico-chimiques précises

Une hypersaturation du milieu

→ Les ions constitutifs du minéral doivent se trouver en conditions saturantes

La nucléation et la croissance du minéral

→ L'initiation de la cristallisation se fait à partir de sites se trouvant dans le milieu (nucléation)

La matrice organique joue souvent ce rôle dans les biominéraux

- Elle inhibe la croissance du minéral selon un ou plusieurs axes

<figure><img src="image_108.png" /></figure>
# La Biominéralisation

→ PROCESSUS UNIVERSEL ET CONSERVE SUR TERRE

Malgré la diversité de formes et de fonctions, les structures biominérales se forment toujours selon les mêmes principes

**Un espace biologiquement compartimenté (utérus pour la poule)**

C'est dans cet espace que les entrées ioniques et organiques sont contrôlées pour atteindre les conditions physico-chimiques précises

**Une hypersaturation du milieu**

→ Les ions constitutifs du minéral doivent se trouver en conditions saturantes

**La nucléation et la croissance du minéral**

→ L'initiation de la cristallisation se fait à partir de sites se trouvant dans le milieu (nucléation)

**La matrice organique joue souvent ce rôle dans les biominéraux**

- Elle inhibe la croissance du minéral selon un ou plusieurs axes

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# Functions of eggshell matrix proteins

## LA FORMATION DE LA COQUILLE

Axes de croissance cristal 1

Axes de croissance cristal 2

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### COMPETITION ENTRE LES CRISTAUX

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### CROISSANCE ANISOTROPE

(⊥ aux membranes coquillières et // à l'axe c)

Rôle déterminant des protéines de la matrice

### Approches globales et non hiérarchisées

* ✓ Plus de 900 protéines

* ✓ Plus de 600 transcrits spécifiques

### Lesquelles ?

### Quand ?

### Où ?

### Pourquoi faire ?

### Comment faire ?

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# Eggshell biomineralization

Hiérarchiser les acteurs moléculaires prépondérants lors du processus de minéralisation

## Etudes à différents stades de la minéralisation

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High-throughput quantitative proteomics, Uterine RNA-seq, statistical and bioinformatic functional analyses of matrix proteins

## To sort major protein candidates involved in particular key points of the eggshell mineralization

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# Etude spatio-temporelle des protéines impliquées dans la bioméralisation de la coquille des oiseaux

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Recueil du tissu utérin (ARNm), et des coquilles (protéines de la matrice)

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# Etude spatio-temporelle des protéines impliquées dans la bioméralisation de la coquille des oiseaux

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Rôle of uterine differentially expressed genes

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→ Predictive analysis of DE genes coding for secreted proteins
Uterine genes and eggshell matrix proteins

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444 Main candidate proteins to be involved in the shell biomineralization process
# Etude spatio-temporelle des protéines impliquées dans la bioméralisation de la coquille des oiseaux

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## Proteomics and transcriptomics:

### Distribution and variation of abundance of 444 matrix proteins

### Predicted functional activities of the identified matrix proteins ?

(Marie et al., 2014, 2015a,b)

#### Literature, data mining and bioinformatics tools

#### Classification in 3 different groups according to their potential functions

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Impact
(2013-2017)

Associated to mineralization
process

Involved in the regulation of
activity of proteins

Antimicrobial and other
proteins
# Function of matrix proteins at pivotal events

## ☐ Proteins having a direct involvement in eggshell mineralization

* ✓ Proteins with established role in the **biomineralisation**

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First events of shell mineralization (initiation)

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# Function of matrix proteins at pivotal events

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## Proteins having a direct involvement in eggshell mineralization

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✓ Proteins with established role in the **biomineralisation**

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**Figure 1.** Ovocleidin-17 bound to an amorphous (a) and a crystallized (b) calcium carbonate nanoparticle containing 192 formula units. The

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First events of shell mineralization (initiation)

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# Function of matrix proteins at pivotal events

## ☐ Proteins having a direct involvement in eggshell mineralization

* ✓ Proteins with established role in the **biomineralisation**

* ✓ Calcium binding proteins (CaBPs) interacting with calcium, favoring crystal nucleation and driving the morphology of crystals

* Proteins with EF-hand and EGF-like calcium binding domains

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First events of shell mineralization (initiation)

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# Function of matrix proteins at pivotal events

## ☐ Proteins having a direct involvement in eggshell mineralization

* ✓ Proteins with established role in the **biomineralisation**

* ✓ **Calcium binding proteins (CaBPs)** interacting with calcium, favoring crystal nucleation and driving the morphology of crystals

* Proteins with EF-hand and EGF-like calcium binding domains

* ✓ **Proteoglycans** and proteoglycan binding proteins

* proteoglycans have a negative charge to attract Ca2+ ions

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First events of shell mineralization (initiation)

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# Function of matrix proteins at pivotal events

## Proteins involved in the regulation of proteins driving mineralization

* ✓ Proteins involved in the **proper folding of the eggshell matrix** to ensure calcium and mineral interactions and to ensure template to the mineralized structure

* ✓ Proteins **inhibiting or activating proteins present in the mineralization milieu (non cellular)**.
  → Direct interaction with other proteins.

* ▪ **Molecular chaperone interact with proteins driving mineralization**

* ▪ **Proteases and protease inhibitors (specific and controlled role during calcification process, either by degrading proteins or regulating processing of proteins into their mature forms)**

* ✓ Mineralization depends of the **degree of protein phosphorylation**

* ▪ **Kinases and Phosphatases**

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First events of shell mineralization (initiation)

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# Apport des techniques à haut débit pour l'identification des gènes et des protéines impliqués dans la formation de la coquille

* ✓RNA seq and Quantitative proteomics to classify and determine a hierarchy of proteins driving the mineralization → 444 candidates identified and a more restricted list of 22 pivotal candidate proteins with functions associated to mineralization

Use as biological markers for genomic selection to reinforce eggshell breaking strength

* ✓ Associate transcripts with published and private SNPs, QTLs related to shell quality

*(Collaboration with breeders and avian genetic teams)*

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# Plan

I. Introduction

II. Approches à haut débit pour identifier les protéines déposées dans l'œuf d'oiseaux

1. Généralité – stratégie expérimentale

2. Utilisation combinée des banques et outils

3. Transcriptome de l'œuf

4. Protéome de l'œuf

III. Mieux comprendre les défenses de l'œuf grâce aux approches à haut débit

Défense physique (coquille)

a) Protéines de la matrice organique et biominéralisation

b) Caractérisation fonctionnelle des protéines de la matrice

c) Avancées récentes en génomique pour améliorer la solidité de la coquille

IV. Conclusion
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

## Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

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Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

Pas de changement dans la séquence en acides aminés
Mutation silencieuse
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

## Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

### Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

<figure><img src="image_142.png" /></figure>

- Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

- Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

- Changement dans la séquence en acides aminés
- Changement de fonction
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

## Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

<figure><img src="image_143.png" /></figure>

Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

Insertion d'un codon stop
Mutation délétère

Nouvelle protéine avec une autre fonction ou pas
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

## Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

<figure><img src="image_144.png" /></figure>

Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

Polymorphisme simple de nucléotide (SNP) (ex: G/C)

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# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

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# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

## Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

### Les SNPs ont des conséquences sur le phénotype

Le phénotype décrit l'ensemble des caractères observables d'un individu. Il dépend de l'expression des gènes (génotype) et de l'environnement (epigénétique)

### Les SNPs sur les gènes de la matrice organique de la coquille de l'œuf ont des conséquences sur le phénotype de la coquille de l'œuf

- Nombre d'œufs cassés

- Résistance à la rupture

- Epaisseur de coquille

- Module élastique de la coquille

- Etc...
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

## Sélection génomique assistée par marqueurs (MAS)

### GENOTYPAGE

- Prélèvement d'un échantillon de sang des poules pondeuses

- Recherche des SNPs (Puces à génotypage)

### PHENOTYPAGE

- Recueil des œufs pondus par les poules

- Mesure des propriétés biomécaniques

- Nombre d'œufs cassés

- Résistance à la rupture

- Epaisseur de coquille

- Module élastique de la coquille

- Etc...

### STATISTIQUES

- Test d'association

- Test statistique pour identifier un SNP associé avec une modification de solidité de la coquille
# Utilisation des avancées récentes en génétique et génomique pour améliorer la solidité de la coquille

## Stratégie de sélection pour améliorer les défenses naturelles de l'œuf

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SRA STATION DE RECHERCHES ARAOLES
Nodby, 37300 MOHNAGE, FRANCE

INRA

Ian Dunn, Maureen Bain
Roslin Institute, University of Glasgow

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## Sélection assistée par marqueurs (MAS)

### Approche gènes candidats

(Environ 16000 génotypages pour 8 gènes et 2066 descendants)

<table><thead><tr><th>Tests d'association</th><th>P value</th></tr></thead><tbody><tr><td>Ovocleidin-116<br>Module élastique</td><td>P= 0.0004</td></tr><tr><td>Ovocalyxin 32<br>Déformation à la fracture</td><td>P= 0.006</td></tr><tr><td>Ovocalyxin 32<br>Résistance à la rupture</td><td>P= 0.001</td></tr></tbody></table>

Les études d'associations suggèrent que les gènes candidats peuvent expliquer les variations des propriétés structurales de la coquille de l'oeuf de poule.
# Plan

I. Introduction

II. Approches à haut débit pour identifier les protéines déposées dans l'œuf d'oiseaux

1. Généralité – stratégie expérimentale

2. Utilisation combinée des banques et outils

3. Transcriptome de l'œuf

4. Protéome de l'œuf

III. Mieux comprendre les défenses de l'œuf grâce aux approches à haut débit

1. Défense physique (coquille)

a) Protéines de la matrice organique et biominéralisation

b) Caractérisation fonctionnelle des protéines de la matrice

c) Avancées récentes en génomique pour améliorer la solidité de la coquille

2. Défense antimicrobienne

a) Analyse bioinformatique des protéines antimicrobiennes

b) Classement fonctionnel des protéines antimicrobiennes

IV. Conclusion
# CONCLUSIONS

Les stratégies utilisant la génomique et la génomique fonctionnelle simultanément avec la protéomique offrent un potentiel important

→ Caractérisation des acteurs moléculaires

→ Criblage de nombreuses fonctions biologiques potentielles

Intérêts dans la science de l'œuf

→ protéines impliquées dans la biominéralisation de l'œuf

→ Protéines de défenses moléculaires

→ Autres activités biologiques

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Science des
biomatériaux

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Protection de l'œuf

-Défense physique

-Défense chimique

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Caractérisation de nouvelles
molécules d'intérêts

-Antimicrobiennes

-Antivirales

-Antihypertensives

-Antioxydantes

-Anti-inflammatoires...