Photoaffinity labeling is a quintessential technique in studying and analyzing the interaction between a ligand and receptor. Diazirines are one of the important photo-labile moieties used in photoaffinity labeling due to their superior photo labeling characteristics. Herein, we report the investigations we conducted with diazirine photolabels on (a) photochemical aspects leading to enhancement of their ambient light stability and (b) equipping them with fluorous tags to enable fluorous enrichment of labeled proteins. Furthermore, we report a pilot study to develop BACE-1 inhibitors, which have potential to be developed into photoaffinity probes. 3-Trifluoromethyl-3-phenyldiazirine offers good selectivity and protection against pseudolabeling but due to its photo lability, it undergoes decomposition even under ambient light. Thus the laboratory handling, including synthesis, of 3-trifluoromethyl-3-phenyldiazirine is cumbersome and restricted under constant darkness. Herein, we have designed, synthesized and evaluated two photolabels with enhanced stability to ambient light conditions in addition to the good selectivity and protection against pseudolabeling as offered by 3-trifluoromethyl-3-phenyldiazirine. It was also found that the aqueous solubility, a vital physical property for a photolabel, was also improved in the modified ambient light stable photolabels. Fluorous tags have found wide use in synthetic applications; herein we explore the possibility of its application in photoaffinity studies. We designed, synthesized and conducted photoactivation studies on two fluorous diazirine photolabels. The photoactivation studies unraveled an unanticipated photoreaction when the fluorous tag was directly connected to the diazirine ring, yielding a fluorous alkene. The more practical photolabel of the two was chosen as the target specific photoaffinity labeling moiety for fluorous proteomics. Upon conducting photolabeling experiments under various conditions, we found that the strong hydrophobic character of the fluorous tag renders the photoaffinity label insoluble in aqueous solutions and significantly alters the binding mode and affinity of the photoaffinity label to its target receptor. A library of 1,3-disubstituted 2-propanols was combinatorially prepared and tested as small molecule inhibitors of β-secretase (BACE-1). The initial screening of the 1,3-disubstituted 2-propanol library revealed a few low micromolar inhibitors for BACE-1. The compound that showed the best activity was chosen for further SAR studies, which resulted in a potent BACE-1 inhibitor with nanomolar inhibition. Investigation on the selectivity of these compounds for BACE-1 inhibition over cathepsin D revealed that these compound series possess very high selectivity. Furthermore, the physicochemical properties study showed that these compounds possessed the calculated parameters advantageous to cross the blood-brain barrier (BBB).

Le développement et la fonction des cellules dendritiques plasmacytoïdes (pDCs) doivent être finement régulés afin d’éviter le développement de maladies auto-immunes ou de leucémies. Il a été montré récemment qu’une fraction des leucémies humaines dérivées des pDCs possède des mutations de type perte de fonction dans le locus IKZF1 qui code pour le facteur de transcription Ikaros. Ainsi l’étude de la fonction d’Ikaros dans les pDCs pourrait aider à comprendre son possible rôle de gène suppresseur de tumeur. Les souris hypomorphiques pour Ikaros (IkL/L) ne possèdent pas de pDCs matures dans la rate et les ganglions lymphatiques mais accumulent des pDCs immatures dans la moelle osseuse (MO). De manièreintéressante, les pDCs de MO IkL/L montrent une activation ectopique de la voie Notch. Nous avons trouvé qu’un inhibiteur de gamma-secrétase (GSI), qui inhibe la voie Notch, permet de restaurer la différenciation de pDCs fonctionnelles dans les cultures de cellules de MO. Les principaux progéniteurs dendritiques affectés par le GSI sont le progéniteur myéloïde commun (CMP) et le progéniteur des macrophages et des cellules dendritiques (MDP). Comme le GSI inhibe la voie Notch, nous avons aussi inactivé RBPJ, le facteur de transcription situé en aval des récepteurs Notch. Contre toute attente, l’inactivation de RBPJ ne récapitule pas les effets observés avec le GSI. De plus, les cellules IkL/L déficientes pour RBPJ continuent de répondre au GSI, ce qui suggère que le GSI possède d’autres cibles en plus de la voie Notch dans ce système. Nos données montrent ainsi qu’Ikaros est requis pour la différenciation terminale des pDCs et qu’il agit en partie en bloquant une voie GSI dépendante Notch indépendante. / The development and function of plasmacytoid dendritic cells (pDCs) must be tightly regulated to prevent autoimmune disease or leukemia. It was recently discovered that a fraction of human pDC-derived neoplasms exhibit loss of function mutations of the IKZF1 locus, which encodes the Ikaros transcription factor. Deciphering the function of Ikaros in pDCs could thus help understand its probable tumor suppressor function. Mice hypomorphic for Ikaros (IkL/L) are devoid of mature pDCs in the spleen and lymph nodes but accumulate immature pDCs in the bone marrow (BM). Interestingly IkL/L BM pDCs exhibit an ectopic activation of the Notch pathway. We found that a gamma secretase inhibitor (GSI), which inhibits Notch signalling,rescues the differentiation of functional pDCs in BM cultures. The main dendritic cell progenitors affected by GSI are the common myeloid progenitors (CMP) and the macrophage and dendritic cell progenitors (MDP). As GSI inhibits the activation of the Notch pathway, we also inactivated RBPJ, the transcriptional effector of the Notch pathway. Surprisingly, RBPJ inactivation did not recapitulate the effect of GSI. Moreover, RBPJdeficient IkL/L cells still respond to GSI, demonstrating that GSI targets additional events besides Notch in this system. Our data thus show that Ikaros is required for terminal differentiation of pDCs, and acts in part by blocking a Notch independent GSI-sensitive pathway.

En plus d'être clivée par les β- et les γ-sécrétases lors du processus amyloïdogénique de la maladie d'Alzheimer, l'APP (Amyloid Precursor Protein) peut également subir un clivage grâce à l'α-sécrétase qui conduit à la libération des fragments d'APP soluble α (sAPPα)(voie non-amyloïdogénique) prévenant ainsi l'accumulation des peptides β-amyloïdes pathogènes. Les études sur le clivage de l'APP par l'α-sécrétase ont montré que l'activité de cette enzyme était constitutive mais aussi régulée. Lors de mon travail de thèse, nous avons montré que l'expression du récepteur de la sérotonine de type 4 (R 5-HT4) favorise la coupure constitutive de l'APP par l'α sécrétase ADAM10 et la libération des fragments non-amyloïdogéniques, sAPPα, aussi bien dans les cellules HEK-293 que dans les neurones corticaux en culture primaire. Ce mécanisme est totalement indépendant de la production d'AMPc, mais reste dépendant d'une interaction entre le R 5-HT4, l'APP et la forme mature de l'ADAM10. Le R 5-HT4, contrairement à d'autres récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) décrits pour promouvoir la libération de sAPPα, est en effet capable d'interagir physiquement avec l'α-sécrétase ADAM10 et son substrat, l'APP. Cette interaction, directe ou indirecte, favorise l'adressage de l'ADAM10 et de l'APP à la membrane plasmique, là où la coupure en α est majoritaire. Toute rétention du R 5-HT4 à l'intérieur de la cellule retient également l'APP et l'ADAM10 sous sa forme inactive et annule la production de sAPPα. La régulation de l'α-sécrétase est toujours dépendante de l'activation du R 5-HT4 par un agoniste. Cet effet étant cette fois dépendant de la voie de signalisation de l'AMPc et de la protéine Epac comme cela avait déjà été démontré. Ces résultats décrivent pour la première fois un mécanisme par lequel un RCPG stimule le clivage constitutif de l'APP par l'α sécrétase et fournit de nouvelles perspectives pour la régulation de l'APP et le contrôle de l'adressage de l'α-sécrétase ADAM10. / In addition to the amyloidogenic pathway of Alzheimer's disease whereby Amyloid Precursor Protein (APP) is cleaved by β- et γ-secretases, the substrate can also be cleaved by α secretases, producing soluble APP alpha (sAPPα)(non-amyloidogenic pathway) and thus preventing the generation of pathogenic Amyloid-beta peptides. Despite, intensive research, the mechanisms regulating APP cleavage by α-secretases remain poorly understood. In this study, we tried to elucidate how 5-HT4Rs stimulate the release of sAPPα. We show that expression of serotonin type 4 receptors (5-HT4Rs) constitutively induces APP cleavage by the α-secretase ADAM10 and release of non-amyloidogenic fragments, sAPPα, in HEK-293 cells and cortical neurons. This effect is fully independent of cAMP production and relies on the transport of the 5-HT4R/APP/mature ADAM10 complex to the plasma membrane. Indeed, 5-HT4Rs but not other G protein-coupled receptors (GPCRs) known to activate sAPPα release, physically interact, directly or indirectly, with ADAM10 and APP to promote their targeting to the plasma membrane. Stimulation of 5 HT4Rs by an agonist further increases sAPPα fragments release and this effect is mediated through cAMP/Epac signalling. These findings describe a new mechanism whereby a GPCR stimulates the cleavage of APP by α-secretases and provide novel insights into the regulation of APP and α-secretase sorting.

La maladie d'Alzheimer (MA) est la maladie neurodégénérative la plus répandue à travers le monde et reste actuellement incurable. Le peptide beta amyloïde (Abeta), composant principal des plaques séniles retrouvées dans le cerveau des patients, joue un rôle majeur dans le développement de la MA, d'où l'importance de contrôler sa production et/ou son élimination. Dans cette optique, nous travaillons sur des molécules nommées métalloprotéases matricielles (MMPs). Bien qu'ayant été impliquées à la fois dans de nombreux processus physiologiques et pathologiques dans système nerveux, leur rôle dans la MA reste encore relativement inexplorée. Nous avons utilisé comme modèle d'étude des souris qui développent les symptômes de la MA (déclin cognitif, mort des neurones). Nous montrons que deux MMPs, MMP-2 et MT1-MMP, augmentent leurs niveaux d'expression avec le vieillissement de l'animal et donc avec l'aggravation de la pathologie. Ceci a lieu dans l'hippocampe, une région du cerveau qui est particulièrement sensible car elle est impliquée dans l'apprentissage et la mémoire. Par la suite nous avons utilisé des cellules HEKswe qui produisent beaucoup d'Abeta et miment d'une certaine manière ce qui se passe dans le cerveau de la souris, afin de mieux appréhender la signification des augmentations de ces MMPs. Nous montrons que la surexpression de MT1-MMP dans ces cellules favorise la formation d'Abeta, alors que MMP-2 l'empêche. Ces résultats montrent pour la première fois une dualité fonctionnelle au sein de la famille des MMPs, et plus important, révèlent une nouvelle molécule amyloïdogénique (MT1-MMP) qui pourrait devenir à terme une cible thérapeutique. / We investigate the role of matrix metalloproteinases in the metabolism of beta amyloid peptide (Abeta) and its amyloid precursor protein (APP) in Alzheimer's disease (AD). Our results in the 5xFAD mouse model of AD indicate a cell-type and age-dependent upregulation of MMP-2 -and MT1-MMP active forms. This is concomitant with the increase of toxic forms of Abeta, but also of cytotoxic C99, a membrane fragment of APP generated by beta-secretase and that gives rise to Abeta after gamma-secretase cleavage. We show in HEK cells overproducing Abeta that while MT1-MMP interacts with APP and boosts C99 and Abeta production, MMP-2 does not interact with APP and degrades Abeta. These results uncover a MMP-specific regulatory crosstalk with amyloid and also MT1-MMP as a new pro-amyloidogenic proteinase. We want now to gain further insight into the mechanisms that support MT1-MMP effects, namely the possible modulation by MT1-MMP of beta- and gamma-secretase activities and/or APP trafficking.

La maladie d’Alzheimer (MA) est une pathologie neurodégénérative lente, progressive et irréversible. Elle est principalement caractérisée par deux lésions histopathologiques : les dégénérescences neurofibrillaires, causées par l’accumulation intraneuronale d'agrégats de protéines Tau hyper- et anormalement phosphorylées ; et les dépôts amyloïdes parenchymateux, constitués d’agrégats de peptides amyloïdes (Aβ) issus du clivage de la protéine précurseur du peptide amyloïde (APP). À ces deux lésions s'ajoute entre autres une dérégulation de l'homéostasie protéique et des systèmes de dégradation des protéines : protéasome, autophagie et voie endosome/lysosome qui sont les mécanismes principaux mis en jeu pour l'élimination des agrégats protéiques. Plusieurs études suggèrent que la surproduction et l'agrégation des peptides Aβ sont les causes principales de la MA. Ainsi, la réduction de leur production et/ou l’amélioration de leur clairance représentent des stratégies potentielles pour le développement de traitement contre la MA. Les objectifs de mes travaux de thèse furent d’étudier de façon plus approfondie l’implication respective des voies de dégradation de l’APP et de ses métabolites ; de déterminer le mode d’action biologique de dérivés chimiques de la chloroquine sur le métabolisme de l’APP en relation avec la Valosin-Containing protéine (VCP), supposée être la cible de ces molécules, et par la même occasion d’étudier la relation existante entre l’APP et VCP. Dans un premier temps, nous avons pu démontrer que l’APP et ses fragments carboxyterminaux (APP-CTFs) étaient principalement dégradés par deux voies : la g-sécrétase et la voie endolysosome. Ensuite, nous avons démontré que VCP régulait le trafic intracellulaire de l’APP. Enfin, nous avons découvert que l’action des molécules était indépendante de la protéine VCP et qu’il s’agissait de modulateurs indirects de l’activité β-sécrétase permettant ainsi de réduire la sécrétion de peptides Aβ. En conclusion, ces travaux ont permis de contribuer à une meilleure compréhension du métabolisme de l’APP et de ses processus de dégradation ainsi que de caractériser l’effet biologique de nouveaux inhibiteurs indirects de la β-sécrétase. / Alzheimer's disease (AD) is a slow, progressive and irreversible neurodegenerative disease. There are two histopathological hallmarks found in AD brains: neurofibrillary tangles, caused by the intraneuronal accumulation of Tau protein aggregates in a hyper- and abnormally phosphorylated form; and amyloid deposits in the brain parenchyma which are mainly composed of amyloid peptides (Aβ) aggregates derived from the cleavage of the amyloid precursor protein (APP). AD physiopathology also includes a deregulation of protein homeostasis and degradation systems: proteasome, autophagy and the endosome/lysosome pathway, which are the main processes involved in the elimination of protein aggregates. Many evidences suggest that overproduction and aggregation of Aβ peptides are the main causes of AD and that strategies aiming to reduce their production and/or improve their clearance represent attractive approaches for AD therapeutics. Thus, this thesis aimed to study the respective contribution of g-secretase, proteasome and lysosomes in APP degradation; to determine the biological mode of action of chloroquine derivatives on APP metabolism in relationship with the Valosin-Containing Protein (VCP), supposed to be the target of these molecules, and at the same time, to study the relationship between APP and VCP. First, we have demonstrated that APP and its carboxy-terminal fragments (APP-CTFs) were mainly degraded by two pathways: g-secretase and the endosome/lysosome pathway. Next, we showed that VCP was involved in APP trafficking and processing. Finally, we have discovered that the action of our molecules does not depend on VCP but that they are indirect modulators of the β-secretase activity, reducing Aβ peptides secretion. In conclusion, this work contributed to a better understanding of APP metabolism and its degradation processes but also to characterize the biological effects of new indirect β-secretase inhibitors.

Previously, we showed that ADAM10 is necessary for HIV-1 replication in primary human macrophages and immortalized cell lines. Silencing ADAM10 expression interrupted the HIV-1 life cycle prior to nuclear translocation of viral cDNA. Furthermore, our data indicated that HIV-1 replication depends on the expression of ADAM15 and γ-secretase, which proteolytically processes ADAM10. Silencing ADAM15 or γ-secretase expression inhibits HIV-1 replication between reverse transcription and nuclear entry. Here, we show that ADAM10 expression also supports replication in CD4+ T lymphocytes. The intracellular domain (ICD) of ADAM10 associates with the HIV-1 pre-integration complex (PIC) in the cytoplasm and immunoprecipitates and co-localizes with HIV-1 integrase, a key component of PIC. Taken together, our data support a model whereby ADAM15/γ-secretase processing of ADAM10 releases the ICD, which then incorporates into HIV-1 PIC to facilitate nuclear trafficking. Thus, these studies suggest ADAM10 as a novel therapeutic target for inhibiting HIV-1 prior to nuclear entry.

All over the world, societies are facing rapidly aging populations combined with a growing number of patients suffering from Alzheimer’s disease (AD). One focus in pharmaceutical research to address this issue is on the reduction of the longer amyloid-β (Aβ) fragments in the brain by modulation of γ-secretase, a membrane-bound protease. R-Flurbiprofen (tarenflurbil) was studied in this regard but failed to show significant improvement in AD patients in a phase 3 clinical trial. This was mainly attributed to its low ability to cross the blood–brain barrier (BBB). Here, we present the synthesis and in vitro evaluation of a racemic meta-carborane analogue of flurbiprofen. By introducing the carborane moiety, the hydrophobicity could be shifted into a more favourable range for the penetration of the blood–brain barrier, evident by a logD7.4 value of 2.0. Furthermore, our analogue retained γ-secretase modulator activity in comparison to racemic flurbiprofen in a cell-based assay. These findings demonstrate the potential of carboranes as phenyl mimetics also in AD research.

Une des caractéristiques histopathologiques de la maladie d'Alzheimer (AD) est la présence de plaques amyloïdes formées par les peptides amyloïdes β (Aβ) de 40 et 42 résidus, qui sont les produits de clivage par des protéases de l'APP. Afin de comprendre le rôle des variations structurelles du TM dans le traitement de l'APP, les peptides APP_TM4K ont été étudiés dans la bicouche lipidique en utilisant l’ATR-FTIR et ssNMR. Tandis que la structure secondaire globale du peptide APP_TM4K est hélicoidale, hétérogénéité de conformation et d'orientation a été observée pour le site de clivage γ et , que peuvent avoir des implications dans le mécanisme de clivage et donc dans la production d’Aβ. Les peptides Aβ s'agrègent pour produire des fibrilles et aussi de manière transitoire d'oligomères neurotoxiques. Nous avons constaté qu'en présence de Ca2+, l’Aβ (1-40) forme de préférence des oligomères, tandis qu'en absence de Ca2+ l'Aβ (1-40) s’agrège sous forme de fibrilles. Dans les échantillons sans Ca2+, l’ATR-FTIR révèle la conversion des oligomères en feuillets β antiparallèles en la conformation caractéristique des fibrilles en feuillets β parallèles. Ces résultats nous ont amené à conclure que les Ca2+ stimulent la formation d'oligomères d'Aβ (1-40), qui sont impliqués dans l’AD. Les positions et une orientation précise de deux nouveaux médicaments puissants modulateurs de la γ-sécrétase - le benzyl-carprofen et le sulfonyl-carprofen  dans la bicouche lipidique, ont été obtenus à partir des expériences des ssNMR. Ces résultats indiquent que le mécanisme probable de modulation du clivage par la y-sécrétase est une interaction directe avec le domaine TM de l’APP. / A histopathological characteristic of Alzheimer’s disease (AD) is the presence of amyloid plaques formed by amyloid β(A) peptides of 40 and 42 residues-long, which are the cleavage products of APP by proteases. To understand the role of structural changes in the TM domain of APP, APP_TM4K peptides were studied in the lipid bilayer using ATR-FTIR and ssNMR. While the overall secondary structure of the APP_TM4K peptide is helical, conformational and orientational heterogeneity was observed for the y- and for the -cleavage sites, which may have implications for the cleavage mechanism and therefore the production of Aβ. Starting from its monomeric form, Aβ peptides aggregate into fibrils and / or oligomers, the latter being the most neurotoxic. We found that in the presence of Ca2 +, Aβ (1-40) preferably forms oligomers, whereas in the absence of a2 + Aβ (1-40) aggregates into fibrils. In samples without Ca2 +, ATR-FTIR shows conversion from antiparallel β sheet conformation of oligomers into parallel β sheets, characteristic of fibrils. These results led us to conclude that Ca2 +stimulates the formation of oligomers of Aβ (1-40), that have been implicated in the pathogenesis of AD. Position and precise orientation of two new drugs  powerful modulators of γ-secretase  benzyl-carprofen and carprofen sulfonyl  in the lipid bilayer were obtained from neutron scattering and ssNMR experiments. These results indicate that carprofen-derivatives can directly interact with APP. Such interaction would interfere with proper APP-dimer formation, which is necessary for the sequential cleavage by β -secretase, diminishing or greatly reducing Aβ42 production.

Die Alzheimer Krankheit ist die häufigste Altersdemenz. Ein spezifisches pathologisches Merkmal der Alzheimer Krankheit ist die Amyloid-Ablagerung im Gehirn. Die Hauptkomponente der so genannten Amyloid-Plaques ist das Amyloid beta-Peptid (A-beta). A-beta entsteht durch sequenzielle proteolytische Spaltung aus einem membrangebundenen Vorläuferprotein, dem beta-APP (betaamyloid precursor protein). Die kürzlich identifizierte beta-Sekretase (BACE, beta-site APPcleaving enzyme) generiert den Schnitt am N-Terminus von A-beta. Es entsteht ein C-terminales, membrangebundenes beta-APP-Fragment, das beta-APP-CTF. Beta-APP-CTF ist das direkte Substrat für die gamma-Sekretase, die innerhalb der Membrandomäne schneidet, wodurch A-beta freigesetzt wird. In der vorliegenden Arbeit kann erstmalig gezeigt werden, dass BACE auf dem sekretorischen Transportweg aus dem Endoplasmatischen Retikulum (ER), über den Golgi-Apparat zur Zelloberfläche transportiert wird. Auf dem Transport wird BACE durch N-Glycosylierung und Propeptidabspaltung posttranslational modifiziert. BACE wird im ER N-glycosyliert und die mannosereichen Zucker werden auf dem Transport durch den Golgi-Apparat in Endoglycosidase H resistente Zucker des komplexen Typs modifiziert. Die Propeptidabspaltung, durch Furin oder furinähnliche Propeptidkonvertasen, findet unmittelbar vor dem Aufbau der komplexen Zucker statt. Ferner konnte gezeigt werden, dass der Transport von BACE die A-beta-Entstehung limitieren kann. In polarisierten Madin-Darby canine kidney (MDCK) Zellen wird BACE überwiegend zur apikalen Plasmamembran transportiert und damit entgegengesetzt zu seinem Substrat beta-APP. Der gegensätzliche Transport von BACE und beta-APP begrenzt die A-beta Entstehung. Wird der apikale Transport von beta-APP durch Deletion seines basolateralen Sortierungssignals erhöht, entsteht vermehrt A-beta. Der differenzielle Transport von BACE und beta-APP könnte ein Hinweis darauf sein, dass beta-APP nicht das physiologische Substrat von BACE ist. / Alzheimer`s disease is the most common cause of progressive cognitive decline in the aged population. Pathologically Alzheimer`s disease is characterized by the invariant accumulation of senile plaques. Senile plaques are predominantly composed of the amyloid beta-peptide (A-beta), which is derived from the membrane bound beta-amyloid precursor protein (beta-APP) by sequential proteolytic cleavage. The recently identified beta-secretase (BACE) is responsible for the cleavage at the N-terminus of the A-beta domain. This cleavage generates membrane-bound beta-APP-Cterminal fragments (beta-APP-CTF) which are the immediate precursor for gamma-secretase cleavage and therefore for liberation of A-beta. The present work shows that BACE moves along the secretory pathway, while it undergoes post-translational modifications, which can be monitored by a significant increase in the molecular mass and cleavage of its pro-peptide. BACE becomes N-glycosylated within the ER and the increase in molecular mass is caused by complex N-glycosylation. The mature form of BACE is resistant to endoglycosidase H treatment; this indicates that BACE traffics through the Golgi. Furthermore the mature form of BACE does not contain the pro-peptide anymore. Pro-BACE is predominantly located within the endoplasmic reticulum. Pro-peptide cleavage occurs immediately before full maturation by furin or a furin-like proprotein convertase. Moreover traffic of BACE can limit A-beta generation. In the well established model system of polarized Madin-Darby canine kidney (MDCK) cells, the majority of BACE is sorted to the apical domain. Interestingly it has been shown previously that the substrate of BACE, beta-APP is transported to the basolateral surface of MCDK cells. Therefore, substantial amounts of BACE are targeted away from beta-APP to a non-amyloidogenic compartment, a cellular mechanism that limits A-beta generation. Upon deletion of the basolateral sorting signal of beta-APP, apically missorted beta-APP is processed by BACE. The differential targeting of BACE and its substrate beta-APP suggest that beta-APP might not be the major physiological substrate of BACE.

Proteolytic processing of the amyloid precursor protein (APP) may lead to the formation of the Abeta peptide, the major constituent of amyloid plaques in Alzheimer`s disease. The full-length APP is a substrate for at least 2 different (alpha and beta) proteases ("secretases"). The beta-secretase, BACE, cleaves APP in the first step of processing leading to the formation of the neurotoxic Abeta. BACE competes for APP with alpha-secretase, which cleaves APP within its Abeta sequence, thus precluding Abeta formation. It is thus important to understand how is the access of the alpha- and beta-secretase to APP regulated and how are the individual activities of these secretases modulated. Both these regulatory mechanisms, access to substrate and direct activity modulation, can be determined by the lipid composition of the membrane. Integral membrane proteins (like APP and BACE), can be viewed as solutes in a two-dimensional liquid membrane, and as such their state, and biological activity, critically depend on the physico-chemical character (fluidity, curvature, surface charge distribution, lateral domain heterogeneity etc.) of the lipid bilayer. These collective membrane properties will influence the activity of embedded membrane proteins. In addition, activity regulation may involve a direct interaction with a specific lipid (cofactor or co-structure function). Interactions of membrane proteins are furthermore affected by lateral domain organization of the membrane. Previous results had suggested that the regulation of the activity of the alpha- and beta-secretases and of their access to APP is lipid dependent, and involves lipid rafts. Using the baculovirus expression system, we have purified recombinant human full-length APP and BACE to homogeneity, and reconstituted them in large (~100nm, LUVs) and giant (10-150microm, GUVs) unilamellar vesicles. Using a soluble peptide substrate mimicking the beta-cleavage site of APP, we have examined the involvement of individual lipid species in modulating BACE activity in LUVs of various lipid compositions. We have identified 3 groups of lipids that stimulate proteolytic activity of BACE: 1.cerebrosides, 2.anionic glycerophospholipids, 3. cholesterol. Furthermore, we have co-reconstituted APP and BACE together in LUVs and demonstrated that BACE cleaves APP at the correct site, generating the beta-cleaved ectodomain identical to that from cells. We have developed an assay to quantitatively follow the beta-cleavage in proteoliposomes, and we have shown that the rate of cleavage in total brain lipid proteoliposomes is higher than in phosphatidylcholine vesicles. We have also studied partitioning of APP and BACE in GUVs between liquid ordered (lo) and liquid disordered (ld) phases. In this system, significant part of the BACE pool (about 20%) partitions into the lo phase, and its partitioning into lo phase can be further enhanced by cross-linking of membrane components. Only negligible fraction of APP can be found in the lo phase. We continue to study the behavior of co-reconstituted APP and BACE in GUVs The work presented in this thesis has yielded some interesting results and raised further questions. One of the important assignments of this project will in the next stage be the characterization of the impact of membrane domain organization on the beta-cleavage. Different domain arrangements that can be hypothesized in cell membranes can be modeled by varying the degree of phase fragmentation in proteoliposomes comprising reconstituted APP and BACE.