Lysine acetylation is a widespread protein post-translational modification that influences diverse cellular processes. An association between acetylation of histone N-terminal tails and transcriptional activation has been recognised since the 1960s. However, it has only become apparent since 2000 that many of the effects of histone acetylation are mediated by proteins that bind to acetyl-lysine through a specialised acetyl-lysine recognition domain, the bromodomain. Small-molecule inhibitors of bromodomain-histone interactions can greatly assist studies into the functions of bromodomain-containing proteins, and show promise as treatments for several diseases, including cancers. Herein I describe the discovery and development of a novel chemical series of bromodomain-binding ligands containing the 3,5-dimethyisoxazole moiety. This heterocycle acts as an acetyl-lysine bioisostere, mimicking key interactions formed between acetyl-lysine and the bromodomain. Optimised compounds show sub-micromolar affinities for bromodomains of the BET family, a class of transcriptional co-regulators. Crystallographic and structure-activity relationship studies shed light on the structural requirements for potent and selective BET ligands. Furthermore, the compounds show cellular effects consistent with BET bromodomain inhibition: cytotoxicity studies in a range of cell lines, including the NCI-60 human tumour cell line screen, reveal differential activity, with leukaemias showing particular sensitivity. 3,5-Dimethylisoxazole-containing compounds were also shown to downregulate known BET target genes. Further studies investigated the effect of modifying or replacing the methyl groups of 3,5-dimethylisoxazole on BET bromodomain affinity, which indicated that the 3-methyl group is necessary for affinity. Finally, three novel isoxazole-containing amino acids were synthesised and incorporated into histone peptides as potential bromodomain-binding, non-hydrolysable, acetyl-lysine mimics. These amino acids might be useful in uncovering the function of individual acetylated lysine residues. The identification of methyl-isoxazoles as acetyl-lysine-mimetic bromodomain ligands represents a significant advance in our understanding of structure-activity relationships for these important proteins. The confirmed cellular activity of these compounds will enable their use in future biological studies.

Periodontal disease affects 47% of Americans over 30 and is a growing global concern. Current treatments for periodontal disease focus on the mechanical elimination of periodontal biofilms. Very few treatments are available that target the rampant, unregulated host immune response that is ultimately responsible for tissue degradation. BET proteins have been shown to play critical roles in inflammatory gene regulation and are therefore potentially ideal therapeutic targets for treating periodontal disease. RVX-208 is a selective BET-inhibitor with a high affinity for Bromodomain 2 (BD2) as compared to BD1 in BET proteins. Our previous studies have shown that RVX-208 inhibits inflammatory cytokine production and suppresses osteoclast differentiation. Cell culture assays have provided proof of concept for RVX-208 and its feasibility as a treatment for periodontal disease. As such, our long term goal is to develop RVX-208 as a front-line treatment for periodontitis. The objectives of this study were to determine the ability of RVX-208 to reduce bone loss in a ligature-induced periodontitis model, and to further investigate the mechanisms through which RVX-208 mediates its anti-inflammatory and osteoclastogenesis-suppressive effects. The specific aims of this study were: 1) To further validate the in vivo effects of RVX-208 on a ligature-induced periodontitis model in rats, and 2) To determine the molecular mechanisms of RVX-208 on preventing alveolar bone loss in periodontal disease. To investigate, a ligature-induced periodontitis model was created in rodents. Those rodents were treated with increasing dosages of RVX-208 (0-2.5 mM) by subgingival injection every other day. After 2 weeks, the maxillae were harvested and analyzed via a micro-CT protocol that had been created and validated through statistical analyses. To study the ability of RVX-208 to suppress osteoclastogenesis, RAW264.7 cells were induced into osteoclasts by RANKL and then treated with RVX-208. To ensure RVX-208 was not species specific, THP-1 cells were challenged with either E. coli-LPS or P. gingivalis bacteria and then treated with RVX-208. Linear and volumetric micro-CT analysis showed that RVX-208 could significantly ameliorate bone loss in a ligature-induced periodontitis model. RVX-208 was shown to prevent osteoclast differentiation by suppressing the expression of genes closely associated with osteoclast differentiation and maturation. RVX-208 was found to not be species specific, as it was able to mediate its effects on a human cell line, and had consistent anti-inflammatory effects regardless of whole pathogen or LPS-induced inflammatory response. Therefore, RVX-208 is a promising therapeutic for treatment of periodontal diseases.

Les rétrovirus sont des virus à ARN, enveloppés présents dans de nombreuses espèces animales de rente, chez les animaux de compagnie et chez l'homme. Une des particularités des rétrovirus concerne l'intégration du génome viral au sein du génome de la cellule infectée; cette intégration est réalisée par une enzyme virale, l'intégrase. Le projet de cette thèse vise à mieux comprendre le fonctionnement de cette enzyme notamment en identifiant des facteurs cellulaires interagissant avec celle-ci, facteurs qui pourraient être des agents favorisant le processus intégratif ou, au contraire, des agents restrictifs. Les intégrases de deux modèles de rétrovirus ont été utilisées dans cette étude : L'intégrase de RAV1, un rétrovirus exogène aviaire du genre des alpharétrovirus appartenant au sous-groupe A de la famille des ASLV. Cette enzyme virale est largement étudiée soit au niveau structural ou fonctionnel, mais les données concernant ses partenaires cellulaires sont rares et insuffisantes. La seconde intégrase est celle du PERV A/C, un rétrovirus endogène porcin du genre gammarétrovirus. Aucune information sur cette enzyme n'a été décrite jusqu'à présent. Ces deux enzymes, en fusion avec une étiquette 6xHistidine, ont été donc produites en bactérie, et en cellules d'insecte puis purifiées sur colonne d'affinité en FPLC. Leurs activités catalytiques ont été testées in vitro. Ces tests permettent de valoriser la capacité de l'intégrase à exercer principalement les 2 fonctions dont elle est responsable in vivo, le clivage en 3' et le transfert de brins, et une activité qu'elle exerce exclusivement in vitro, la désintégration. Les protéines pures et actives ont ensuite servies à la vérification de leur interaction avec une protéine cellulaire, Brd2. La technique 'Far western blot' a ainsi permis de valider l'interaction entre l'intégrase de PERV et la protéine cellulaire, puis d'identifier les domaines de l'intégrase et de Brd2 impliqués dans cette interaction. A terme, l'identification de ce facteur cellulaire et la validation de son rôle dans le processus intégratif permettront de mieux comprendre ce processus particulier développé par les rétrovirus et pourront conduire au développement d'inhibiteurs dirigés contre cette interaction

Les rétrovirus sont des virus à ARN, enveloppés présents dans de nombreuses espèces animales de rente, chez les animaux de compagnie et chez l’homme. Une des particularités des rétrovirus concerne l’intégration du génome viral au sein du génome de la cellule infectée; cette intégration est réalisée par une enzyme virale, l’intégrase. Le projet de cette thèse vise à mieux comprendre le fonctionnement de cette enzyme notamment en identifiant des facteurs cellulaires interagissant avec celle-ci, facteurs qui pourraient être des agents favorisant le processus intégratif ou, au contraire, des agents restrictifs. Les intégrases de deux modèles de rétrovirus ont été utilisées dans cette étude : L’intégrase de RAV1, un rétrovirus exogène aviaire du genre des alpharétrovirus appartenant au sous-groupe A de la famille des ASLV. Cette enzyme virale est largement étudiée soit au niveau structural ou fonctionnel, mais les données concernant ses partenaires cellulaires sont rares et insuffisantes. La seconde intégrase est celle du PERV A/C, un rétrovirus endogène porcin du genre gammarétrovirus. Aucune information sur cette enzyme n’a été décrite jusqu’à présent. Ces deux enzymes, en fusion avec une étiquette 6xHistidine, ont été donc produites en bactérie, et en cellules d’insecte puis purifiées sur colonne d’affinité en FPLC. Leurs activités catalytiques ont été testées in vitro. Ces tests permettent de valoriser la capacité de l’intégrase à exercer principalement les 2 fonctions dont elle est responsable in vivo, le clivage en 3’ et le transfert de brins, et une activité qu’elle exerce exclusivement in vitro, la désintégration. Les protéines pures et actives ont ensuite servies à la vérification de leur interaction avec une protéine cellulaire, Brd2. La technique ‘Far western blot’ a ainsi permis de valider l’interaction entre l’intégrase de PERV et la protéine cellulaire, puis d’identifier les domaines de l’intégrase et de Brd2 impliqués dans cette interaction. A terme, l’identification de ce facteur cellulaire et la validation de son rôle dans le processus intégratif permettront de mieux comprendre ce processus particulier développé par les rétrovirus et pourront conduire au développement d’inhibiteurs dirigés contre cette interaction / A critical step for retroviral replication is the stable integration of the provirus genome into the genome of its host; this integration is realized by a viral enzyme, the integrase. The aim of this work was to better understand the functioning of the integrase, particularly, by identifying host factors that might interact with it, and which could be factors favoring the integration process or, restrictive factors. Therefore, we used two models of retroviral integrases: The integrase of RAV1, an alpharetrovirus belonging to the subgroup A of the family of ALSV. Although this viral enzyme is widely studied, still not enough data are available about its cellular cofactors. The second enzyme studied here is the integrase of PERV, a gammaretrovirus. No studies of either PERV integrase activities in vitro or of proteins interacting with this viral enzyme have been available until now. In the present study, we have expressed the PERV and ALSV integrases as fusion proteins with a 6xHistidine Tag in both Escherichia coli and insect SF9 cells. After that, we analysed their ability to mediate catalytic activities (3’-end processing, strand transfer and disintegration) in vitro. We also investigated the interaction of these two viral enzymes with the cellular protein Brd2, using the Far western blot method. Our results validate Brd2 as a cofactor of PERV integrase and point to the important role of particular domains of the PERV integrase and Brd2 in mediating the interaction. Finally, this study contibute to a better understanding of the precise interaction between cellular proteins and integrase, and may lead in the future to the development of protein-protein interaction inhibitors

Le processus de la commutation de classe ou commutation isotypique (CSR) des gènes d’immunoglobulines caractérise les cellules de la lignée B et implique principalement les régions switch précédant les gènes constants au sein du locus IgH. Des jonctions entre la région switch donneuse Sμ et celle acceptrice Sx sont crées pendant ce processus. Plusieurs études ont démontré que le destin des cellules de la lignée B était largement modulé en fonction de la classe de l’immunoglobuline qu’elles produisent et en particulier selon les signaux transmis par leur BCR (qui peuvent par exemple pour la classe IgE, comporter des signaux pro-apoptotiques). Nous avons utilisé plusieurs modèles visant à l’étude de la physiologie et de la mécanistique du switch vers différentes classes de BCR et d’immunoglobulines peu exprimées. Nous avons cherché à forcer l’expression de l’isotype IgA2 grâce à un modèle transgénique dédié, dans le but d’approfondir les spécificités du signal BCR transduit par cet isotype en comparaison avec le BCR IgA1. En outre, et d’une façon très intéressante, nous avons découvert l’existence (jusqu’ici ignorée et masquée par les 4 autres sous-classes plus abondantes) d’une cinquième sous-classe d’IgG humaine, l’IgG5 qui est codé par un gène jusqu’ici faussement classifié pseudo-gène. Ainsi nous avons étudié les modalités d’expression du gène correspondant après un switch non-canonique,le répertoire normal des IgG5, leur représentation parmi les IgG humaines monoclonales ainsi que leurs fonctions immunitaires grâce à un IgG5 fabriquée artificiellement portant une activité anti-CD20 humaine. Enfin, nous avons testé des produits pharmaceutiques (RHPS4 : stabilisant des structures G-quadruplex au niveau d’ADN et JQ1 : inhibiteur des facteurs de transcription à bromodomaines), montrant leur capacité à retarder ou inhiber la commutation de classe in vitro mais aussi in vivo dans des souris allergiques. / The process of class switch recombination (CSR) or isotypic switching of immunoglobulin genes characterizes the B cell lineage and primarily involves switch regions preceding the constant genes within the IgH locus. Junctions between donor switch region Sμ and acceptor Sx are generated during this process. Several studies have shown that the fate of B cells is largely modulated according to the class of immunoglobulin they produce and in particular the signals transmitted by their BCR « for example for IgE, BCRs can combine proapoptotic signals. We used several relevant mouse models to study the physiological aspect and the B cell compartment after switching to IgA2 (a dedicated transgenic model expressing IgA2) since IgA2 conveys a membrane signal different from tht of IgA1. In addition, we tested two pharmaceuticals drugs(RHPS4: stabilizer of G-quadruplex structures at the DNA level and JQ1: inhibitor of bromodomain proteins) showed their ability to delay or inhibit class switching towards IgE in vitro but also in vivo in allergic mice. Interestingly, we also demonstrated the existence (till now ignored and maybe masked by the other 4 more abundant IgG subclasses) of a fifth subclass of human IgG, IgG5 which is encoded by a gene classified as a pseudo-gene. We studied the expression modalities of the corresponding gene after a non-canonical switch, the normal IgG5 repertoire, their representation among the monoclonal human IgGs as well as their immune functions through an artificially synthesited IgG5 with human anti-CD20 activity.

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A major therapeutic challenge in musculoskeletal regenerative medicine is how to effectively replenish bone tissue lost due to pathological conditions such as fracture, osteoporosis, or rheumatoid arthritis. Mesenchymal stem cells are currently investigated for applications in bone-tissue engineering and human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hMSCs) could be a promising source for generation of tissue-engineered bone. However, the therapeutic potential of MSCs has not been fully exploited due to a lack of knowledge regarding the identity, nature, and differentiation of hMSCs. Epigenetic mechanisms regulating the chromatin structure as well as specific gene transcription are crucial in determination of stem cell differentiation. With the aim to systematically identify epigenetic factors that modulate MSC differentiation, the work in this thesis encompasses an approach to identify epigenetic mechanisms underlying, initiating, and promoting osteoblast differentiation, and the investigation of individual epigenetic modulators. Various osteogenic inducers were validated for differentiation of MSCs and an assay allowing assessment of differentiation outcome was developed. This assay was subsequently employed in knockdown experiments with lentiviral short hairpin RNAs and inhibitor screens with small molecules targeting putative druggable epigenetic modulator classes. This approach identified around 100 epigenetic modulator candidates involved in osteoblast differentiation, of these candidates approximately 2/3 downregulated and 1/3 upregulated alkaline phosphatase (ALP) activity. Serving as a proof-of-concept, orthogonal validation experiments employing locked nucleic acid (LNA) knockdown were performed to validate a subset of candidates. Two identified target genes were selected for further investigation. Bromodomain-containing protein 4 (BRD4) was identified as one component of epigenetic regulation; its inhibition led to a decrease in ALP expression, downregulation of key osteoblast transcription factors Runx2 and Osterix, as well as impaired bone matrix formation. Knockdown of lysine (K)-specific demethylase 1A (KDM1A/LSD1) upregulated ALP activity and treatment with a small molecule inhibitor targeting KDM1A led to an increase in ALP, RUNX2, and bone sialoprotein expression. Intriguingly, in a transgenic mouse model overexpressing Kdm1a a decrease in bone volume and bone mineral density was observed, thus supporting the hypothesis that KDM1A is a central regulator of osteoblast differentiation.