La maladie de Fabry est une maladie de surcharge lysosomale liée au chromosome X. Elle est causée par une mutation au niveau du gène GLA qui provoque un déficit de l’enzyme α-galactosidase A. Elle entraîne une accumulation de glycosphingolipides tels le globotriaosylcéramide (Gb3), le globotriaosylsphingosine (lyso-Gb3) et galabiosylcéramide (Ga2) ainsi que leurs isoformes/analogues respectifs au niveau des tissus et des liquides biologiques des patients. Les symptômes peuvent se présenter de manière très variable soit par de l’acroparesthésie, des troubles ophtalmologiques, des angiokératomes, des troubles cardiaques, rénaux ou encore neurologiques. Les connaissances au niveau physiopathologique de la maladie de Fabry sont à ce jour, toujours déficientes. Les biomarqueurs analysés ne permettent pas de prédire la sévérité et la progression de la maladie. Afin d’apporter des connaissances plus approfondies à ce niveau, l’objectif principal de cette étude était d’analyser les biomarqueurs au niveau cellulaire pour des patients atteints de la maladie. Les objectifs secondaires étaient: 1) de développer et de valider une méthode en spectrométrie de masse en tandem pour la quantification relative et simultanée de certains biomarqueurs susmentionnés dans les leucocytes, les lymphocytes B et les monocytes de patients Fabry et contrôles sains; 2) d’évaluer les biomarqueurs dans le total des leucocytes, les lymphocytes B, les monocytes, le plasma et l’urine chez les patients Fabry et les contrôles sains appariés selon le sexe et l’âge; et 3) d’établir des corrélations entre la quantité relative de ces biomarqueurs et le génotype des patients traités et non traités. Les résultats de cette étude démontrent qu’il n’y a pas de changements significatifs dans la distribution des groupes d’isoformes/analogues du Gb3 selon le type cellulaire pour les patients et les contrôles. La découverte d’isoformes/analogues méthylés du Gb3 suggère un processus de méthylation qui se produit directement au niveau des cellules sanguines et particulièrement pour les lymphocytes B et les monocytes. Des corrélations face à la quantité de biomarqueurs et le génotype ont été établies. Ces résultats pourraient permettre une meilleure compréhension des processus biochimiques reliés à l’accumulation du Gb3 dans les cellules sanguines.

La maladie de Fabry est une maladie lysosomale présentant une grande hétérogénéité phénotypique et génotypique. Elle est causée par des mutations au niveau du gène GLA, situé sur le chromosome X, entrainant un déficit de l'enzyme alpha-galactosidase A. Celui-ci mène à une accumulation de globotriaosylcéramide (Gb3), de globotriaosylsphingosine (lyso-Gb3) et de galabiosylcéramide (Ga2) et leurs isoformes et analogues respectifs qui sont utilisés comme biomarqueurs pour la maladie de Fabry. Il est possible de les quantifier dans les liquides biologiques tels que le plasma et l’urine des patients. Le principal traitement consiste en une thérapie d’enzyme de remplacement (TER) qui n’est pas efficace pour tous les patients, car des complications peuvent survenir suite à une réponse auto-immune contre l’enzyme infusée. Le développement d’autres thérapies est au coeur de la recherche actuelle. La thérapie génique à l’aide d’un vecteur viral pour cette maladie lysosomale est en développement au Canada. Un modèle de souris NOD/SCID/Fabry (NSF) a été généré pour le développement du vecteur viral, la compréhension de la distribution des biomarqueurs au niveau des tissus de différents organes et l’évaluation des effets du traitement. Ce modèle est une souris avec une inactivation complète du gène GLA ainsi que l’absence de système immunitaire. Les objectifs du projet de maîtrise étaient donc de: 1) développer et valider une méthode pour l’homogénéisation des tissus, l’extraction et le dosage du Gb3 et ses isoformes/analogues dans les tissus de différents organes de souris Fabry et souris contrôles à l’aide de la chromatographie liquide ultra performance couplée à la spectrométrie de masse en tandem (UPLC-MS/MS); 2) comparer les profils de distribution des biomarqueurs dans différents organes pour des souris atteintes de la maladie de Fabry et des souris contrôles. L’analyse des souris NSF a permis d’établir un profil de biomarqueurs comportant jusqu’à 22 isoformes pour chaque organe et de mettre en évidence des différences significatives entre la distribution du Gb3 dans lesdits organes. La quantité la plus élevée de Gb3 se retrouve au niveau de la rate, suivis du petit intestin, des reins, des poumons, du coeur, du foie et du cerveau. Les isoformes formés d’un acide gras sans insaturation sont les plus abondants dans l’ensemble des organes. Un transfert technologique sera effectué pour l’analyse des biomarqueurs dans des échantillons de plasma de patients Fabry ayant reçu la thérapie génique. En conclusion, la méthode mise au point est sensible et offre un outil efficace pour l’analyse des tissus de différents organes de souris par la production d’un profil de biomarqueurs, ce qui peut aussi mener à de meilleurs outils pour monitorer les patients atteints de la maladie de Fabry.

La toxine bactérienne de Shiga se lie au glycosphingolipide (GSL) globotriaosylcéramide (Gb3) afin d’entrer par endocytose dans les cellules en utilisant une voie dépendante et indépendante de la clathrine. Dans la voie indépendante de la clathrine, la toxine de Shiga réorganise les lipides de la membrane de façon à imposer une contrainte mécanique sur la bicouche, conduisant ainsi à la formation de pic d’invagination d'endocytose profonds et étroits. Mécaniquement ce phénomène n’est pas encore compris, notamment il reste énigmatique, comment se traduisent les propriétés géométriques de l’agrégation des glycosphingolipides GSLS et de la toxine. Dans mon travail de thèse, via l’utilisation de la sous-unité B de la toxine de Shiga (STxB) comme un modèle, différentes espèces moléculaires de son récepteur Gb3 ont été synthétisés avec des structures délibérément choisis. Les études réalisées par imagerie de haute résolution et par la modélisation informatique ont permis d’élucider les contraintes mécano-chimique sous-jacente conduisant à une réorganisation efficace qui a pour résultat l’agrégation de la toxine et la réorganisation des lipides. En combinant des expériences de simulation sur ordinateur de dynamique des particules dissipatives (DPD) et des expériences sur des modèles de membranes cellulaires, nous avons fourni la preuve de l’induction d’une force de fluctuation-membrane, de type « force de Casimir », conduisant à l'agrégation des molécules de toxines associées à la membrane à des échelles de longueur mésoscoiques. Nous avons observé et mesuré, en outre la condensation lipidique induite par la toxine, quantitativement sur des monocouches de Langmuir en utilisant la réflectivité des rayons X (XR) et par la mesure de la diffraction des rayons X par incidence rasante (GIXD), fournissant ainsi une preuve directe de l'hypothèse que la toxine a le potentiel de réduire de façon asymétrique la surface moléculaire sur la partie membranaire exoplasmique, ce qui conduit à une déformation locale de la membrane. Durant ma thèse, nos efforts ont été consacrés à la réalisation de nouveaux glycosphinolipides (GSL) comme outils chimiques à visée biologique. Par ailleurs, une nouvelle stratégie de reconstitution de GSL fonctionnels sur la membrane cellulaire, basée sur une réaction de ligation de type « click » entre un glycosyl-cyclooctyne et un azido-sphingosine a été étudiée. Les résultats obtenus sur les cellules se sont avérés beaucoup moins efficace que ceux in vitro. Une poursuite de l'optimisation de cette méthodologie est actuellement en cours. Une sonde fluorescente du glycosphinolipide Gb3, marquée à l’Alexa Fluor 568 lui-même lié par l'intermédiaire d'un bras PEG-α à la position de la chaîne acyle, a été synthétisée. Cette sonde se lie à la STxB sur couche mince de TLC, mais pas sur des membranes modèles. D'autres améliorations sont discutées. / Bacterial Shiga toxins bind to the glycosphingolipid (GSL) globotriaosylceramide (Gb3) to enter cells by clathrin-dependent and independent endocytosis. In the clathrin-independent pathway, Shiga toxin reorganizes membrane lipids in a way such as to impose mechanical strain onto the bilayer, thus leading to the formation of deep and narrow endocytic pits. Mechanistically how this occurs is not yet understood, and notably how the geometric properties of toxin-GSLs complexes translate into function has remained enigmatic. In my thesis work, using the B-subunit of Shiga toxin (STxB) as a model, different molecular species of its receptor Gb3 have been synthesized with deliberately chosen structures, coupled with high resolution imaging and computational modeling, to understand the underlying mechano-chemical constraints leading to efficient toxin clustering and lipids reorganization. By combining dissipative particle dynamics (DPD) computer simulation and experiments on cell and model membranes, we provided evidence that a membrane fluctuation-induced force, termed Casimir-like force, drives the aggregation of tightly membrane-associated toxin molecules at mesoscopic length scales. Furthermore, toxin-induced lipid condensation was observed and measured quantitatively on Langmuir monolayers using X-ray reflectivity (XR) and grazing incidence x-ray diffraction (GIXD), thereby providing direct evidence for the hypothesis that the toxin has the potential to asymmetrically reduce the molecular area of the exoplasmic membrane leaflet, leading to local membrane deformation. During my PhD, effort was also invested to develop new GSL tools applied to the biological setting. A novel strategy based on the Cu-free click reaction between glycosyl-cyclooctyne and azido-sphingosine was designed with the goal to functionally incorporate GSLs into cellular membranes. Following the synthesis work, click reactions have been performed in solution and on cells. Compared to the former, results on cells were far less efficient. Further optimization is currently ongoing. A fluorescently labeled Gb3 probe with Alexa Fluor 568 coupled via a PEG linker to the α-position of the acyl chain, was synthesized, to which STxB bound on TLCs, but not on model membranes. Further improvements are discussed.

No description available.

Even though anti‐cancer chemotherapy has been continuously improved during the last decades. problems with adverse effects and drug resistance still constitutes a considerable obstacle and sets a demand for new effective treatment options. Tissue homeostasis in multi‐cellular organisms is maintained through intrinsic cell death, apoptosis, which removes unwanted or damaged cells. Disrupted apoptosis is an important factor in tumorgenesis and drug resistance, therefore induction or restoration of apoptotic pathways is also important for the treatment of cancer. Several naturally occurring bacterial toxins have the ability to induce apoptosis and could thus be candidates to complement or improve the therapeutic effect of other anticancer drugs. The bacterial toxins, adenylate cyclase (AC) toxin from Bordetella pertussis, α‐toxin from Staphylococcus aureus and verotoxin‐1 (VT‐1) from Escherichia coli were investigated for their ability to induce apoptosis in different tumor cell lines. Toxin induction of cell death was investigated by cell viability assays, end‐stage apoptosis induction by DNA‐fregmentation (TUNEL) assay. Toxin receptor expression and signal transduction pathways to apoptosis were investigated by flow cytometry, caspase enzyme activity assays and western blot. Immunohistochemistry was used for identification of toxin receptor expression in tumor tissue samples. AC‐toxin was cytotoxic and induced apoptosis in cultured malignant plural mesothelioma (MPM) and small‐cell lung cancer (SCLC) cells. Low‐toxic concentrations of AC‐toxin enhanced cisplatin cytotoxicity and apoptosis in both cell lines. MPM‐cells with acquired cisplatin resistance were more sensitive to α‐toxin than the less resistant parental MPM cell line. A low‐toxic concentration of α‐toxin re‐sensitized resistant MPM cells to cisplatin cytotoxicity by apoptosis induced through the mitochondrial pathway without detectable activation of common up‐stream apoptosis signalling proteins. VT‐1 was highly cytotoxic and induced apoptosis in globotriosylceramide (Gb3) ‐expressing glioma, breast cancer and non‐small‐cell lung cancer (NSCLC) cells but was not cytotoxic to non‐Gb3‐expressing cells. PPMP, an inhibitor of glucosylceramide synthesis which makes exposed cells unable to synthesize Gb3 rendered Gb3‐expressing cells resistant to VT‐1. MPM cells with acquired‐cisplatin resistance expressed Gb3 in contrast to the absent of expression in the less resistant parental cell line. Gb3, could however be up‐regulated by cisplatin in Gb3‐negative MPM‐cells. Presence of a low‐toxic concentration of VT‐1 potentiated cisplatin‐induced cytotoxicity and apoptosis in the cisplatin‐resistance MPM cell line. VT‐1 was a potent inducer of apoptosis, probably via stress‐induced Mitogen‐activated protein kinase (MAPK)‐signaling involving c‐Jun N‐terminal kinase (JNK) and p38, leading to disruption of the mitochondrial membrane integrety, activation of caspase‐9 and ‐3, and ultimately DNA fragmentation and cell death. Gb3 expression was demonstrated in clinical specimens of glioblastoma and breast cancer making these tumor types interesting for further VT‐1 studies. We conclude that bacterial toxins may be used to induce apoptosis in several types of cancer cells. Low concentrations of verotoxin‐1 and α‐toxin may potentially be used to overcome acquired cisplatin‐resistance in cancer patients.

Glycosphingolipid (GSL) metabolism is a complex process involving proteins and enzymes at distinct locations within the cell. Mammalian GSLs are typically based on glucose or galactose, forming glucosylceramide (GlcCer) and galactosylceramide (GalCer). Most GSLs are derived from GlcCer, which is synthesized on the cytosolic leaflet of the Golgi, while all subsequent GSLs are synthesized on the lumenal side. We have utilized both pharamacological and genetic manipulation approaches to selectively regulate GSL metabolism and better understand its mechanistic details. We have developed analogues of GlcCer and GalCer by substituting the fatty acid moiety with an adamanatane frame. The resulting adamantylGSLs are more water-soluble than their natural counterparts. These analogues selectively interfere with GSL metabolism at particular points within the metabolic pathway. At 40 µM, adaGlcCer prevents synthesis of all GSLs downstream of GlcCer, while also elevating GlcCer levels, by inhibiting lactosylceramide (LacCer) synthase and glucocerebrosidase, respectively. AdaGalCer specifically reduces synthesis of globotriaosylceramide (Gb3) and downstream globo-series GSLs. AdaGalCer also increases Gaucher disease N370S glucocerebrosidase expression, lysosomal localization and activity. AdaGSLs, therefore, have potential as novel therapeutic agents in diseases characterized by GSL anomalies and as tools to study the effects of GSL modulation. Two predominant theories have been developed to explain how GlcCer accesses the Golgi lumen: one involving direct translocation from the cytosolic-to-lumenal leaflet of the Golgi by the ABC transporter P-glycoprotein (P-gp, ABCB1, MDR1), and the other involving retrograde transport of GlcCer by FAPP2 to the ER, followed by entry into the vesicular transport system for Golgi lumenal access. To examine the in vivo involvement of P-gp in GSL metabolism, we generated a knockout model by crossbreeding the Fabry disease mouse with the P-gp knockout mouse. HPLC analyses of tissue Gb3 levels revealed a tissue-specific reduction in MDR1/Fabry mice. TLC analyses, however, did not show such reduction. In addition, we performed a gene knockdown study using siRNA against P-gp and FAPP2. Results show these siRNA to have distinct effects on GSL levels that are cell-type specific. These results give rise to the prospect of unique therapeutic approaches by targeting P-gp or FAPP2 for synthesis inhibition of particular GSL pathways.

Glycosphingolipid (GSL) metabolism is a complex process involving proteins and enzymes at distinct locations within the cell. Mammalian GSLs are typically based on glucose or galactose, forming glucosylceramide (GlcCer) and galactosylceramide (GalCer). Most GSLs are derived from GlcCer, which is synthesized on the cytosolic leaflet of the Golgi, while all subsequent GSLs are synthesized on the lumenal side. We have utilized both pharamacological and genetic manipulation approaches to selectively regulate GSL metabolism and better understand its mechanistic details. We have developed analogues of GlcCer and GalCer by substituting the fatty acid moiety with an adamanatane frame. The resulting adamantylGSLs are more water-soluble than their natural counterparts. These analogues selectively interfere with GSL metabolism at particular points within the metabolic pathway. At 40 µM, adaGlcCer prevents synthesis of all GSLs downstream of GlcCer, while also elevating GlcCer levels, by inhibiting lactosylceramide (LacCer) synthase and glucocerebrosidase, respectively. AdaGalCer specifically reduces synthesis of globotriaosylceramide (Gb3) and downstream globo-series GSLs. AdaGalCer also increases Gaucher disease N370S glucocerebrosidase expression, lysosomal localization and activity. AdaGSLs, therefore, have potential as novel therapeutic agents in diseases characterized by GSL anomalies and as tools to study the effects of GSL modulation. Two predominant theories have been developed to explain how GlcCer accesses the Golgi lumen: one involving direct translocation from the cytosolic-to-lumenal leaflet of the Golgi by the ABC transporter P-glycoprotein (P-gp, ABCB1, MDR1), and the other involving retrograde transport of GlcCer by FAPP2 to the ER, followed by entry into the vesicular transport system for Golgi lumenal access. To examine the in vivo involvement of P-gp in GSL metabolism, we generated a knockout model by crossbreeding the Fabry disease mouse with the P-gp knockout mouse. HPLC analyses of tissue Gb3 levels revealed a tissue-specific reduction in MDR1/Fabry mice. TLC analyses, however, did not show such reduction. In addition, we performed a gene knockdown study using siRNA against P-gp and FAPP2. Results show these siRNA to have distinct effects on GSL levels that are cell-type specific. These results give rise to the prospect of unique therapeutic approaches by targeting P-gp or FAPP2 for synthesis inhibition of particular GSL pathways.