Thèse de doctorat : Sciences de la vie et de la santé : Paris 12 : 2006. / Version électronique uniquement consultable au sein de l'Université Paris 12 (Intranet). Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 253-282.

Thèse de doctorat : Sciences de la vie et de la santé : Paris 12 : 2007. Thèse de doctorat : Sciences de la vie et de la santé : Université de médecine traditionnelle de Pékin (Chine) : 2007. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. : 699 réf.

Thèse de doctorat : Sciences de la vie et de la santé : Paris 12 : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. f. 197-216.

Les glycosaminoglycannes (GAGs) sont des molécules polysaccharidiques polysulfatées intervenant dans des processus aussi variés que la prolifération, différenciation ou migration cellulaire, la coagulation sanguine ou l‟infection virale. Il est généralement admis qu‟une séquence particulière de GAG doit être associée à une fonction biologique spécifique. Les structures chimiques globales des GAGs sont connues. Cependant, contrairement au séquençage des gènes ou des protéines, la détermination de la séquence saccharidique exacte impliquée dans une fonction biologique particulière n‟est encore pas possible. Le séquençage « glycomique » constitue donc un enjeu majeur. L‟une des technologies les plus novatrices pour aborder ce problème de séquençage des GAGs semble être l‟impression moléculaire. En effet, elle permet d‟obtenir des polymères (MIPs pour Molecular Imprinted Polymer) spécifiquement imprimés par la forme structurale d‟une molécule cible.En nous appuyant sur des travaux antérieurs réalisés avec des modèles saccharidiques sulfatés simples, nous avons appliqué cette technologie à la reconnaissance de glycannes sulfatés complexes d‟intérêt biologique tels qu‟une héparine de bas poids moléculaire ou un mimétique ayant une activité anticoagulante. Il a été démontré une reconnaissance spécifique et sélective selon la molécule étudiée à l‟aide de MIPs spécialement conçus pour chaque GAG. De plus, nous avons obtenu des MIPs qui, en immobilisant temporairement un sucre, permettraient leur substitution de façon stéréospécifique. La détermination des conditions optimales de synthèse des MIPs s‟est avéré une étape nécessaire à l‟obtention d‟une bonne reconnaissance. Ces travaux ouvrent des perspectives d‟application de la technique d‟impression moléculaire à l‟analyse des séquences de GAGs d‟intérêt biologique / Glycosaminoglycans (GAGs) are polysulfated polysaccharide molecules involved in many biological processes such as cellular proliferation, differentiation or migration, blood clotting or viral infection. It is generally admitted that a particular GAG sequence is connected to a specific biological function. Depending on their composition in disaccharides, GAGs are classified into subfamilies whose overall chemical structures are known. Unlike gene or protein sequencing, determination of the exact saccharidic sequence involved in a particular biological function is not yet possible with the available technological tools. "Glycomics" is a real challenge nowadays. One of the most innovative technologies to achieve this goal seems to be the molecular imprinting. Indeed, it provides polymers (MIPs for Molecular Imprinted Polymer) imprinted by the structural form of a target molecule.Based on previous studies performed with simple sulfated saccharides, this technology has been applied to the recognition of complex sulfated glycans. MIPs were achieved demonstrating specific and selective recognition for a Low Molecular Weight Heparin or a synthetic anticoagulant mimetic. Other MIPs were able to temporally immobilize sugars which make them available for stereo-specific modifications. Screening of optimal synthesis conditions of MIPs appeared a necessary step to obtain a specific and selective recognition. These studies open further possibilities to analyze GAG sequences carrying biological functions by the molecular imprinting technology

Les protéoglycanes (PGs) jouent un rôle important dans de multiples processus cellulaires tels que la prolifération, la différenciation et la migration cellulaires. Les PGs sont constitués d’une protéine porteuse sur laquelle sont fixées de façon covalente des chaînes hétéropolyssacharidiques de glycosaminoglycanes (GAGs). L’initiation de la biosynthèse des GAGs sur les PGs implique une glycosyltransférase, la ß1,3-galactosyltransférase 6 (ß3GalT6) qui catalyse l’addition d’un résidu galactose sur un disaccharide accepteur (Gal-Xyl) fixé au niveau de motifs d’ancrage des GAGs sur la protéine porteuse du PG. Des mutations de la ß3GalT6 ont été récemment associées à une forme pléiotropique du syndrome d’Ehlers-Danlos (SED), un groupe hétérogène de maladies génétiques rares touchant les constituants matriciels des tissus conjonctifs. L’implication de la ß3GalT6 dans la pathogénie du SED n’est cependant pas encore connue à ce jour, point qui sera exploré au cours de ce travail de thèse. Nous avons montré que la mutation du gène B3GALT6 conduit à une diminution de la biosynthèse des GAGs matriciels et membranaires, associée à une réduction de la capacité migratoire des fibroblastes de derme humain issus de patients atteints de SED par rapport aux fibroblastes contrôle, non porteurs de l’altération génétique. Une étude “gain et perte de fonction” a montré que l’extinction du gène B3GALT6 dans des fibroblastes contrôle impacte la biosynthèse des GAGs. De façon complémentaire, la restauration de l’expression de la ß3GalT6 dans les fibroblastes des patients a eu pour conséquences une augmentation du taux de synthèse des GAGs matriciels et membranaires, associée à une augmentation significative de la capacité de migration des cellules équivalente à celle des cellules non déficientes. Les résultats obtenus nous permettent de mieux comprendre le rôle de la ß3GalT6 dans la pathogénie du SED. Ces travaux ciblant la ß3GalT6 peuvent ouvrir la perspective de proposer des stratégies thérapeutiques visant à s’opposer à la perte d’anabolisme des GAGs et au défaut de migration observés dans le SED. / Proteoglycans (PGs) play important roles in many physiological processes, including cell proliferation, differentiation and migration. PGs are composed of linear heteropolysaccharide chains, called glycosaminoglycans (GAGs), which are covalently attached to a core protein through a tetrasaccharide linkage. The addition of the third residue (galactose) of the linkage is catalyzed by ß1,3-galactosyltransferase 6 (ß3GalT6), a key glycosyltransferase in GAG initiation. Recently, mutations of ß3GalT6 have been associated to Ehlers-Danlos Syndrome (EDS), a group of rare and severe genetic connective tissue disorders. However, the role of ß3GalT6 defects in EDS pathogeny remains unknown. In my thesis, we showed that ß3GalT6 defective dermal fibroblasts of affected patients exhibited a marked reduction in GAG anabolism associated to a significant delay in wound closure compared to control cells. The ß3GalT6 gain- and loss-of-function studies demonstrated that B3GALT6 gene deletion in control fibroblasts affects the synthesis of GAGs chains. Interestingly, GAG anabolism and cell migration were restored when ß3GalT6 is overexpressed in patient fibroblasts, which could be the starting point to the development of therapeutic strategies against the loss of GAG synthesis and defect of cell migration observed in EDS. This work provides a better understanding of the crucial role of ß3GalT6 in EDS pathogeny

Les protéoglycans (PGs) à héparane- (HS) et chondrol'tine-sulfate (CS) jouent un rôle essentiel dans la régulation de nombreux processus biologiques tels que la différenciation cellulaire, la signalisation, la prolifération et la morphogenèse. En effet, les PGs via leurs chaînes de glycosaminoglycanes (GAGs) agissent comme des récepteurs pour des facteurs de croissance, des enzymes et des protéines d'adhésion cellulaire, modulant ainsi leur biodisponibilité, la formation de gradient et leur activité. La synthèse des chaînes de CS et d'HS est initiée par le transfert d'un résidu xylose sur des sérines de la protéine "core" des PGs par les xylosyltransferases (XT), XT-I et XT-II. Ces enzymes catalysent une étape limitante régulant la biosynthèse des GAGs. En plus de la régulation par les XT, la synthèse des GAGs peut être régulée par la phosphorylation du xylose en position 2-0 par la kinase Fam20B. Il a été montré que la XT-I et la XT-II sont capables de restaurer la synthèse des PGs dans les cellules déficientes en activité xylosyltransférase, suggérant ainsi qu'elles sont fonctionnellement redondantes. Cependant, les rôles spécifiques de la XT­ I et de la XT-II et l'impact de leurs mutations génétiques sur la synthèse des CS et des HS ne sont pas connus. Au cours de cette thèse, nous avons montré que la XT-I initie la synthèse des PGs avec des chaînes de CS et d'HS de tailles plus longues que celle initiée par la XT-II et avons démontré que cela est lié à leurs localisations subcellulaires respectives. En outre, nous avons montré d'une part que les mutations génétiques de la XT-I réduisent fortement la capacité de l'enzyme à initier la synthèse des GAGs et d'autre part que deux mutations de la XT-II conduisent à la mislocalisation de l'enzyme et l'abrogation de sa capacité à initier la synthèse des chaînes de CS et d'HS. En outre, nous avons démontré en utilisant différentes lignées cellulaires et des mutants inactifs que la kinase Fam20B régule négativement le processus de synthèse des chaînes de GAGs et par conséquent que la phosphorylation du résidu xylose par Fam20B entraîne un blocage dans la polymérisation des chaînes de GAGs / Heparan- (HS) and chondroitin-sulfate (CS) proteoglycans (PGs) are essential regulators of many biological processes including cell differentiation, signalization, proliferation and morphogenesis. Indeed, PGs act through their glycosaminoglycan (GAG) chains as receptors for growth factors, enzymes and cell adhesion proteins, thereby modulating their bioavailability, gradient formation and biological activity. The assembly of HS and CS GAG chains is initiated by the transfer of xylose to serine residues of PG core protein by the xylosyltransferases (XT) enzymes, XT-I and XT-II. These enzymes catalyze a rate-limiting step in the biosynthesis pathway and therefore considered as a regulating factors in the GAG biosynthesis process. Beside the regulation by XT enzymes, GAG chain synthesis may also be regulated by phosphorylation of the xylose residue at 2-0 position by the kinase Fam20B. Ithas been shown that XT-I and XT-II are able to restore GAG-attached PG synthesis in xylosyltransferase-deficient cells, suggesting that they are functionally redundant. However, nothing is known of the specific roles of XT-I and XT-II ifany and of the impact of XT-I and XT-II mutations on the synthesis of CS- and HS-PG. Here, we showed that XT-I initiates PGs with large size CS- and HS-GAG chains compared to XT-II and demonstrated that this was linked to their subcellular localisation. In addition, we have addressed the question of whether genetic mutations of XT-I and XT-II associated with various diseases impact CS- and HS-PG synthesis and found that mutations in XT-I strongly reduced the capacity of the enzyme to initiate the synthesis of both CS and HS GAG chains. However, two mutations in XT-II abrogated the capacity of the enzyme to initiate CS and HS GAGs and led to the mislocalisation of the enzyme. Furthermore, we demonstrated using variouse cell lines and dead mutants that Fam20B negatively regulates GAG synthesis process and that phosphorylation of xylose residue by this kinase resulted in a blokage of the polymerisation procees of the GAG chain

Dans cette thèse, nous rapportons qu'un dendrigraft de poly-L-Lysine(DGL) est capable de former un complexe multi-ligand avec un peptide fluorescent, conduisant à la disparition quasi-totale du signal optique,qui peut ensuite être restauré en présence d'héparine. Ce système simple permet, pour la première fois, la détection de l'anticoagulant dans le sang humain à des doses cliniques. Ensuite, nous démontrons que ce système simple peut évoluer vers une barrette de senseurs. En fonction de la quantité d'indicateur sur le récepteur, des glycosaminoglycanes chargés négativement (GAG) induisent une variation du signal fluorescent selon s'ils déplacent ou compactent les indicateurs à la surface du récepteur. Cette stratégie unique permet non seulement l'identification aveugle de GAGs purs avec un niveau de précision de 100 %, mais aussi la différenciation de mixtures.Nous présentons également une méthodologie originale et simple pour la construction de structures tridimensionelles des DGLs. Nous étudions ensuite les caractéristiques structurelles de ces polymères par dynamique moléculaire. Cette méthodologie repose sur l'encodage des caractéristiques expérimentales des DGLs (i.e. degré de polymérisation, rapports de branchement, charges) en chaînes alphanumériques, qui seront ensuite interprétées par le programme de mécanique moléculaire Amber. Ce travail ouvre des perspectives pour l'exploration in silico des propriétés des dendrigrafts et des polymères hyperbranchés. Finalement, nous avons développé ChemBrows, un logiciel qui assiste les scientifiques/enseignants/étudiants dans leur veille bibliographique. Fonctionnant comme un lecteur de flux RSS amélioré qui intègre des filtres par mots-clés et un moteur de recommandation basé sur l'apprentissage machine, ChemBrows est un logiciel libre et open-source: www.chembrows.com. / In this thesis, we report that a "tree-like" dendrigraft ofpoly-L-Lysine (DGL) is able to form a multi-ligand complex with afluorescently labelled peptide, leading to the almost complete extinction ofthe optical signal that can be restored upon the introduction of heparin. This simple system allows, for the first time, the turn-ON fluorescent sensing of the anticoagulant in human blood at clinically relevant levels. Then, we demonstrate that this sensing ensemble can evolve toward a sensorarray. Depending on the loading of the indicator on the receptor, negatively charged glycosaminoglycans (GAGs) induce a positive or negative variation of the fluorescent signal as they displace the indicators from the receptor or they compact the indicators on the receptor’s surface, respectively. This unique strategy allows not only the blind identification of pure GAGs with a level of accuracy of 100 %, but also the differentiation of mixtures.We also report an original and simple methodology for the construction of three-dimensional structures of DGLs, and the subsequent investigation of their structural features using molecular dynamics simulations. This methodology relies on the encoding of the polymers’ experimental characterizations (i.e. degrees of polymerization, branchingratios, charges) into alphanumeric strings that are "readable" by the Ambersimulation package. This work opens avenues toward the in silico exploration of dendrigrafts and hyperbranched polymers.Finally, we developed ChemBrows, an in-house software that will significantly help scientists/teachers/ students to tame the flood of publications.Working as an enhanced RSS reader that integrates keyword-based filters anda machine-learning-based recommendation engine, ChemBrows is available onmultiple platforms as a free and open-source software at www.chembrows.com.

L’arthrose du genou est une maladie rhumatismale dégénérative touchant tous les tissus de l’articulation. Elle est classée parmi les dix affections les plus invalidantes dans le monde et l’absence de traitement curatif efficace en fait un véritable problème de santé publique. Dans le cas d’arthrose post-traumatique, les lésions méniscales sont fréquentes et entravent leurs fonctions de répartition des efforts, d’absorption des chocs et de stabilité. Les objectifs de ce travail de thèse sont (1) d’analyser les changements de propriétés mécaniques des ménisques à un stade précoce de développement de l’arthrose et de les corréler avec les modifications morphologiques, biochimiques et microstructurales, et (2) d’évaluer l’effet d’une thérapie de viscosupplémentation commerciale. Le modèle d’arthrose post-traumatique choisi dans cette étude est la rupture du ligament croisé antérieur chez le lapin. Les ménisques de lapins sains, arthrosiques non traités et arthrosiques traités ont été caractérisés six semaines après l’opération par un score macroscopique, puis par indentation – relaxation grâce au développement d’une méthode de test adaptée, ainsi que par microspectroscopie Raman, microscopie confocale biphotonique et histologie. Cette étude a révélé la formation de lésions à la surface des ménisques arthrosiques et une diminution de leurs propriétés viscoélastiques, s’expliquant par une désorganisation de leurs fibres de collagène et une diminution de leur quantité de glycosaminoglycanes. Bien que le traitement améliore significativement l’état de surface des ménisques et joue un rôle dans la régulation des glycosaminoglycanes, il a peu d’effet sur l’organisation des fibres de collagène et sur les propriétés viscoélastiques. Ce travail de thèse apporte une meilleure compréhension des modifications affectant le ménisque, dans l’optique de développer de nouveaux traitements. / Knee osteoarthritis (OA) is a rheumatic degenerative disease affecting all tissues of the joint. It is classified among the ten most disabling affections in the world and the lack of efficient curative treatment makes it a real public health issue. In case of post-traumatic OA, meniscal tears are frequent and interfere with their functions of load distribution, shock absorption and stability. The aims of this work are (1) to analyze the changes of mechanical properties of the menisci at an early stage of OA development and to correlate them with morphological, biochemical and microstructural modifications, and (2) to assess the effect of a commercial viscosupplementation therapy. For this study, an anterior cruciate ligament transection model of post-traumatic OA was used in rabbits. Menisci from healthy, non-treated OA and treated OA rabbits were characterized six weeks after surgery through macroscopic grading, indentation-relaxation with the development of an adapted test method, Raman microspectroscopy, biphotonic confocal microscopy and histology. This study revealed the formation of tears at the surface of OA menisci and a decrease in their viscoelastic properties, which was explained by a disorganization of their collagen fibers and a decrease in their glycosaminoglycan content. Although the treatment significantly improves the surface integrity of the menisci and plays a role in the glycosaminoglycan regulation, it has little effect on the organization of their collagen fibers and on their viscoelastic properties. This work brings a better understanding of the disease processes affecting the meniscus, for the purposes of developing new treatments.

La bioraffinerie, avec l’utilisation de la biomasse végétale comme matière première renouvelable, est un moyen alternatif aux ressources fossiles qui s’amenuisent pour l’obtention de molécules d’intérêt, de biomatériaux ou de biocarburant nécessaires à notre vie quotidienne. Les hémicelluloses constituent 20 à 45% de la biomasse végétale et sont riches en pentoses (D-xylose en particulier) dans le cas des xylanes. Dans le cadre du projet multi-partenaires XYLOCOS, financé par la Région Champagne-Ardenne et le FEDER, l’objectif de cette thèse consiste en l’utilisation d’une xylanase pour mettre au point la préparation par voie enzymatique ou chimio-enzymatique de nouveaux β-xylosides et β-xylobiosides présentant des aglycones de différentes natures et d’évaluer leurs propriétés biologiques. L’étude d’une xylanase GH11 a d’abord été réalisée pour améliorer son activité de transglycosylation en présence de divers accepteurs. Une étude de modélisation in silico a été effectuée et a conduit à cibler la mutation du résidu W126. Les paramètres cinétiques et les propriétés de transglycosylation de la xylanase sauvage et du mutant ont été comparés et ont montré que le mutant a une capacité de transglycosylation améliorée. La synthèse de séries de xylosides et xylobiosides comportant une partie aglycone aromatique par voie enzymatique ou présentant des hétérocycles triazoles diversement fonctionnalisés par voie chimio-enzymatique a été effectuée. L’influence de la nature de la partie aglycone mais également du degré de polymérisation des différents xylosides sur leur capacité à amorcer la biosynthèse de glycosaminoglycanes a été étudiée en présence d’un modèle cellulaire. L’ensemble des xylosides et xylobiosides synthétisés amorce la biosynthèse des GAGs. Les résultats obtenus montrent que les xylosides sont plus efficaces que leurs analogues xylobiosides. Certains xylosides à aglycones hydrophobes représentent de bons candidats pour des applications cosmétiques. / Biorefinery, with the use of plant biomass as a renewable raw material, is an alternative means to fossil resources for obtaining molecules of interest, biomaterials or biofuel. Hemicelluloses represent about 20 to 45% of the plant biomass and are rich in pentoses (D-xylose in particular) in the case of xylans. XYLOCOS is a multi-partner project funded by the Champagne-Ardenne Region and the FEDER. In this context the objective of this work consists in the use of a xylanase to develop the enzymatic or chemo-enzymatic synthesis of new β-xylosides and β-xylobiosides featuring different kinds of aglycone moieties and to assess their biological properties.First, the study of a GH11 xylanase was carried out to improve its transglycosylation activity in the presence of various acceptors. A in silico study was performed and led to target the mutation of W126 residue. Kinetic parameters and transglycosylation properties of the wild and mutant xylanases were compared and showed that the mutant has an improved capacity for transglycosylation.The synthesis of xylosides and xylobiosides bearing an aromatic aglycone part by an enzymatic transformation or functionalized triazole heterocycles by a chemo-enzymatic pathway was performed. The influence of the nature of the aglycone part but also the degree of polymerization of different xylosides was studied through their ability to initiate the biosynthesis of glycosaminoglycans in the presence of a cell model. All the xylosides and xylobiosides prepared act as GAGs primers. The obtained results show that xylosides are more efficient primers than the corresponding xylobiosides. Xylosides carrying hydrophobic aglycones represent good candidates for cosmetic applications.

Pendant le développement postnatal du cortex cérébral visuel, l'homéoprotéine Otx2 est transférée préférentiellement dans les interneurones inhibiteurs à parvalbumine (cellules PV), induit leur maturation et régule la période critique de plasticité pour la dominance oculaire. Pendant cette période critique, les cellules PV sont progressivement entourées par une matrice extracellulaire riche en glycosaminoglycanes (GAGs), qui pourraient être impliqués dans la capture d'Otx2. Pour étudier comment l'interaction entre Otx2 et les GAGs à la surface des cellules PV régule la période critique, nous avons analysé une lignée de souris transgéniques Otx2-AA chez lesquelles cette interaction est perturbée. Ces souris présentent une spécificité réduite de l'Otx2 cortical pour les cellules PV et un retard dans l'ouverture et la fermeture de la période critique pour la dominance oculaire. Nous avons montré que la protéine Otx2 se lie aux chaines de chondroïtine sulfates à la surface des cellules PV et qu'elle a une forte affinité pour le chondroïtine sulfate CS-E. Chez l'adulte, le cortex est maintenu à l'état non plastique par un apport continuel d'Otx2. Afin de ré-ouvrir une fenêtre de plasticité chez l'adulte, nous avons développé deux modèles pour perturber le transfert d'Otx2 : un analogue synthétique de CS-E qui se lie à Otx2 et une souris knock-in inductible pour contrôler la sécrétion d'un anticorps simple chaine contre Otx2. Ces résultats confirment et précisent le rôle in vivo de l'interaction entre Otx2 et les GAGs, à la fois pour la mise en place des périodes critiques pendant le développement postnatal et pour le maintien de l'état non plastique du cortex chez l'adulte. / During postnatal development of the visual cerebral cortex, Otx2 homeoprotein is transferred preferentially into parvalbumin inhibitory interneurons (PV-cells), induces their maturation and regulates a critical period of plasticity for binocular vision. During the critical period, PV-cells are gradually enwrapped by perineuronal nets enriched in glycosaminoglycans (GAGs), which are likely involved in the capture of Otx2. To understand how Otx2 interacts with GAGs at the surface of PV-cells for critical period regulation, we have analyzed a transgenic Otx2-AA mouse line in which the interaction between Otx2 and GAGs is disrupted. These mice show a reduced specificity of cortical Otx2 for PV-cells with concomitant delayed onset and closure of critical period for ocular dominance. We have also identified that Otx2 protein binds chondroitin sulfate chains of the perineuronal nets and that it has a high affinity for the chondroitin sulfate CS-E. We have therefore developed a sugar-ase protection assay for identifying specific glycan sequences involved in homeoprotein recognition. Throughout adulthood, the cortex receives Otx2 to maintain a consolidated, non-plastic state. To interfere with Otx2 transfer in the adult and reopen a window of plasticity, we have developed two models: a synthetic hexasaccharide analogue of CS-E that binds to Otx2 and an inducible, knock-in mouse allowing spatio-temporal control of a secreted single chain antibody against Otx2. All these results confirm and clarify the in vivo role for Otx2-GAG interaction, both in the timing of critical periods during postnatal development and in the maintenance of the non-plastic state of the cortex in the adult.