Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Mucopolysaccharidosis type IIIB (MPSIIIB) is a lysosomal storage disease (LSD) characterized by accumulation of heparan sulfate oligosaccharides (HSO), which results in progressive mental retardation, neurodegeneration and premature death in children. The underlying mechanisms are poorly understood. Coming to a better understanding of the pathophysiology of MPSIIIB has become a necessity to assess the efficacy of gene therapy treatment regarding loss of neuronal plasticity, and to define the best conditions for treatment. To address the link between HSO accumulation and downstream pathological events, new cell models of MPSIIIB were created. First, induced pluripotent stem cells (iPSc) were generated from fibroblasts of affected children, followed by differentiation of patient-derived iPSc into a neuronal progeny. Second, a HeLa cell model was created in which expression of shRNAs directed against a-N-acetylglucosaminidase (NAGLU), the deficient enzyme in MPSIIIB, is induced by tetracycline. Success in the isolation of these different models was pointed by the presence of cardinal features of MPSIIIB cell pathology. Studies in these models showed that: I) HSO excreted in the extracellular matrix modifies cell perception of environmental cues, affecting downstream signalling pathways with consequences on the Golgi morphology. II) Accumulation of intracellular storage vesicles, a hallmark of LSDs is due to overexpression of the cis-Golgi protein GM130 and subsequent Golgi alterations. It is likely that these vesicles are abnormal lysosomes formed in the cis- and medial-Golgi which are misrouted at an early step of lysosome biogenesis, giving rise to a dead-end compartment. III) Other cell functions controlled by GM130 are affected, including centrosome morphology and microtubule nucleation. These data point to possible consequences on cell polarization, cell migration and neuritogenesis.

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Les glycosaminoglycanes (GAG) forment une famille de polysaccharides linéaires retrouvés dans tous les tissus, au niveau des matrices extracellulaires et des surfaces cellulaires. Les héparanes sulfates (HS) sont des membres importants de cette famille et sont liés à une protéine dite cœur pour former ensemble le protéoglycane (PG). Selon le tissu et la nature de la protéine cœur, les HS, composés d'unités disaccharidiques de N-acétylglucosamine (GlcNAc) et d'acide glucuronique (GlcA) [-4GlcAβ1-4GlcNAcα1-] vont subir de nombreuses modifications. En effet, les HS sont modifiés par différentes sulfatations au niveau des deux oses et une épimérisation de l'acide glucuronique en acide iduronique (IdoA). Les différentes structures saccharidiques élaborées vont pouvoir être alors interagir avec une très grande quantité de protéines et jouer des rôles divers dans l'inflammation, la prolifération cellulaire, l'angiogenèse, la réponse immunitaire, l'attachement viral…L'étude de la structure des HS, du fait de la nature flexible et hétérogène de ces molécules, a été principalement focalisée sur des analyses fragmentaires du polysaccharide au niveau des séquences d'interaction avec les protéines. Lors de ces dépolymérisations, des informations sur le polysaccharide, notamment l'épimérisation, sont perdues.Dans ce travail, nous avons développé une approche basée sur la résonance magnétique nucléaire (RMN) bidimensionnelle 1H-13C pour l'étude de la composition saccharidique des HS réalisée directement à partir des HS isolés de cellules marquées au 13C. Pour cela, un protocole efficace de marquage et de purification des polysaccharides a été mis en place. En intégrant le volume des pics à différents déplacements chimiques par RMN, cette analyse non-destructive permet de déterminer à la fois le profil de sulfatation et d'épimérisation des HS. Cette analyse est appliquée efficacement à différents types cellulaires et est de grand intérêt pour mieux comprendre les changements dans les structures d'HS qui ont lieu lors de régulations physiologiques ou lors de développement pathologiques.Ces résultats ont permis d'ouvrir la voie à l'analyse des HS directement au niveau des cellules par RMN du solide. Les études dans ce contexte représentent un enjeu majeur pour la compréhension des différents rôles des HS et leur capacité à interagir avec une myriade de protéines in vivo. / Glycosaminoglycans (GAGs) belong to a linear polysaccharide family which are found within all tissues, at the extracellular matrix and cell surfaces levels. Heparan Sulfates (HS) are one of the major members of this family, they are bound to a core protein to form altogether the so-called proteoglycan (PG). Depending on the localization and on the core protein, the HS – composed of a N-acetylglucosamine (GlcNAc) and a glucuronic acid (GlcA) [-4GlcAβ1-4GlcNAcα1-] building block – undergo various modifications. Indeed, HS can be sulfated at different positions on both monosaccharide and the GlcA can be epimerized into an iduronic acid (IdoA). The fine structures of the polysaccharide will be able to interact with a large range of proteins and play a plethora of roles such as in inflammation processes, cell proliferation, angiogenesis, immune responses, viral attachment…The HS structural studies, due to the flexibility and heterogeneity of the polysaccharide, have so far been restricted to HS fragments able to bind proteins. The depolymerization techniques induce valuable information losses such as epimerization.In this work, we have successfully developed a nuclear magnetic resonance (NMR)-based approach to study HS features from 13C metabolically enriched cells. For this, an effective protocol to label and purify HS has been set up. By integrating peaks' volumes at well-resolved 1H-13C chemical shifts by NMR, the sulfation, epimerization and disaccharide profile can be determined from full-length HS. This method has been used to study HS from various cell types and is of important interest to better understand changes in HS structures that occur through physiologic and pathologic events.The results obtained open the way to analyze HS directly at the cell surface via solid state NMR techniques. In this context, these studies are a major challenge to decipher the different roles of HS and their ability to interact with so many partners in vivo.

L'adhésion contrôlée et la migration orientée des cellules est fondamentale pour plusieurs processus physiologiques et pathologiques. Une famille de polysaccharides linéaires, connus sous le nom de glycosaminoglycanes (GAG) est impliquée dans l'organisation et la présentation des protéines de signalisation, les chimiokines, à la surface des cellules et dans la matrice extracellulaire (ECM). Les travaux concernent le développement de surfaces biomimétiques bien définies aux niveaux moléculaires et supramoléculaires pour l‘étude des mécanismes d'intéractions protéines-GAG et l'analyse de la réponse cellulaire à des signaux biochimiques et biophysiques spécifiques. L'objectif de cette étude est de mieux comprendre les communications cellule-cellule et cellule-matrice induites par les GAGs.En utilisant la ligation oxime, les GAGs peuvent être fonctionnalisés de manière stable par la biotine à leur extrémité réductrice, ce mode de couplage s'est avéré déterminant pour préparer des surfaces fonctionnalisées par les GAGs de manière stable. Une monocouche de streptavidine est utilisée comme plateforme modulable pour assembler séquentiellement les molécules biotinylées, avec une orientation et des densités de surface contrôlées. Des GAGs (les héparane sulfate (HS), en particulier), des chimiokines et d'autres composants de l'ECM (par exemple un ligand d'adhésion cellulaire, RGD) ont été assemblés reconstituant certains aspects des surfaces in vivo (cellules ou de l'ECM). La microbalance à quartz (QCM-D) et l'ellipsométrie spectroscopique nous ont permis de caractériser et de contrôler la présentation supramoléculaire du HS et du RGD. Ces surfaces modèles ont été utilisées pour étudier les interactions supramoléculaires entre le HS et la chimiokine SDF-1α/CXCL12α facteur d'origine stromale et pour analyser les réponses cellulaires aux signaux extracellulaires. Nos données apportent la preuve que la chimiokine, CXCL12α rigidifie les assemblages de HS, et que cet effet est dû à la réticulation des chaînes de HS induite par la protéine. La cinétique des interactions HS-chimiokine a été quantifiée en utilisant la résonance plasmonique de surface (SPR). Nous avons également démontré que le mode de présentation de la chimiokine sur la surface, en particulier la présence des HS, influence le comportement des myoblastes. Nos données montrent que les récepteurs cellulaires CXCR4 (récepteur de la CXCL12α) et l'intégrine (récepteur du RGD) peuvent agir en synergie pour contrôler l'adhésion et la migration cellulaire. Ces surfaces modèles fournissent des indications précieuses qui pourront être appliquées au domaine de la glycobiologie, par exemple, pour étudier le rôle des GAGs dans la migration cellulaire induite par les chimiokines. / The oriented migration and controlled adhesion of cells is fundamental to many physiological and pathological processes. A family of linear polysaccharides, known as glycosaminoglycans (GAGs), help organizing and presenting signaling proteins, so-called chemokines, on the cell surface and in the extracellular matrix thus regulating cellular behavior. The objective of this PhD thesis was to develop biomimetic surfaces that are highly defined and tunable, for mechanistic studies of GAG-protein interactions on the molecular and supramolecular levels, and to probe cellular responses to defined biochemical and biophysical cues to better understand GAG-mediated cell-cell and cell-matrix communications.Applying oxime ligation, GAGs could be stably functionalized with biotin at the reducing end, and these features proved crucial for the reliable preparation of GAG-functionalized surfaces. A streptavidin monolayer served as a ‘molecular breadboard' to sequentially assemble biotinylated molecules with controlled orientation and surface densities. GAGs (heparan sulfate (HS) in particular), chemokines and other ECM components (e.g. integrin ligands promoting cell adhesion, RGD) were assembled into multifunctional surfaces that recapitulate selected aspects of the in vivo situation. Quartz crystal microbalance (QCM-D) and spectroscopic ellipsometry permitted us to characterize and control the supramolecular presentation of HS and RGD. These model surfaces were used to study the supramolecular interactions between HS and the selected chemokine stromal derived factor SDF-1α/CXCL12α and to analyze cellular responses to extracellular cues. Our data provide evidence that CXCL12α binding rigidifies HS assemblies, and that this effect is due to protein-mediated cross-linking of HS chains. The kinetics of chemokine binding to HS was quantified using surface plasmon resonance (SPR). We also demonstrate that the way in which the chemokine is presented, and in particular the presence of HS, is important for regulating myoblast behavior. Our data shows that the cell surface receptors CXCR4 (the CXCL12α receptor) and integrins (the RGD receptor) can act synergistically in controlling cellular adhesion and migration. These surfaces can generate novel insights in the field of glycobiology, e.g. in dissecting the function of GAGs in chemokine-mediated cellular migration.

La mucopolysaccharidose IIIB (MPSIIIB) est une maladie de surcharge lysosomale (MSL) causée par une accumulation d’oligosaccharides d’héparane sulphate (OHS), induisant chez les enfants atteints un retard mental progressif, une neurodégénérescence et une mort prématurée. Les mécanismes physiopathologiques impliqués sont mal compris. Il est nécessaire d’élucider ces mécanismes, afin d’évaluer l’efficacité d’un traitement par thérapie génique en regard de la perte de la plasticité neuronale, et pour définir les meilleures conditions de traitement. Pour cela, de nouveaux modèles cellulaires de la maladie ont été créés. Des cellules souches pluripotentes induites ont été générées à partir de fibroblastes de patients, lesquelles ont ensuite été différenciées en une lignée neuronale. Un modèle HeLa a également été créé dans lequel l’expression de shRNAs dirigés contre la a-N-acétylglucosaminidase (NAGLU), l’enzyme manquante dans la MPSIIIB, est induite par la tétracycline. Ces modèles ont été isolés avec succès, et présentent les caractéristiques pathologiques fondamentales de la MPSIIIB. L’étude de ces modèles a montré que : I) Les OHS excrétés dans la matrice extracellulaire modifient la perception cellulaire des signaux environnementaux, affectant les voies de signalisation en aval avec des conséquences sur la morphologie du Golgi. II) L’accumulation de vésicules de stockage intracellulaires qui caractérisent les MSLs est due à la surexpression de la protéine cis-golgienne GM130 et aux altérations du Golgi qui en résultent. Ces vésicules sont possiblement des lysosomes anormaux formés dans le Golgi cis et médian qui sont déroutés à une étape précoce de la biogenèse du lysosome, donnant naissance à un compartiment « cul-de-sac ». III) D’autres fonctions cellulaires contrôlées par GM130 sont affectées dont la morphologie du centrosome ou la nucléation des microtubules. Ces données suggèrent de possibles conséquences sur la polarisation et la migration cellulaire, et la neuritogenèse. / Mucopolysaccharidosis type IIIB (MPSIIIB) is a lysosomal storage disease (LSD) characterized by accumulation of heparan sulfate oligosaccharides (HSO), which results in progressive mental retardation, neurodegeneration and premature death in children. The underlying mechanisms are poorly understood. Coming to a better understanding of the pathophysiology of MPSIIIB has become a necessity to assess the efficacy of gene therapy treatment regarding loss of neuronal plasticity, and to define the best conditions for treatment. To address the link between HSO accumulation and downstream pathological events, new cell models of MPSIIIB were created. First, induced pluripotent stem cells (iPSc) were generated from fibroblasts of affected children, followed by differentiation of patient-derived iPSc into a neuronal progeny. Second, a HeLa cell model was created in which expression of shRNAs directed against a-N-acetylglucosaminidase (NAGLU), the deficient enzyme in MPSIIIB, is induced by tetracycline. Success in the isolation of these different models was pointed by the presence of cardinal features of MPSIIIB cell pathology. Studies in these models showed that: I) HSO excreted in the extracellular matrix modifies cell perception of environmental cues, affecting downstream signalling pathways with consequences on the Golgi morphology. II) Accumulation of intracellular storage vesicles, a hallmark of LSDs is due to overexpression of the cis-Golgi protein GM130 and subsequent Golgi alterations. It is likely that these vesicles are abnormal lysosomes formed in the cis- and medial-Golgi which are misrouted at an early step of lysosome biogenesis, giving rise to a dead-end compartment. III) Other cell functions controlled by GM130 are affected, including centrosome morphology and microtubule nucleation. These data point to possible consequences on cell polarization, cell migration and neuritogenesis.

Le virus Nipah (NiV) est un Paramyxovirus zoonotique hautement pathogène, porté par les chauves-souris frugivores, qui a émergé en 1998 en Malaisie. Les épidémies liées à ce virus encéphalitogène continuent de se succéder en Inde et au Bangladesh avec une mortalité pouvant dépasser les 90%. Devant l’absence de traitement et de vaccin, le NiV a été placé parmi les pathogènes de classe 4 requérant le plus haut niveau de biosécurité pour sa manipulation. L’étude des interactions entre le virus et les cellules du sang nous a permis de montrer que le NiV utilise les héparanes sulfates présents sur les leucocytes pour s’accrocher et se disséminer dans l’organisme et atteindre les cellules endothéliales. L’héparine inhibe ce processus ainsi que l’infection in vitro et in vivo mettant en avant une perspective de traitement applicable dans les pays émergents. Par ailleurs, l’analyse transcriptomique des cellules endothéliales infectées par le NiV a révélé l’implication de chimiokines dans la pathogenèse. CXCL10 apparaît en effet comme un marqueur voir une cible dans le cadre du développement de l’encéphalite virale, et l’interféron type 1 comme l’un des facteurs essentiels de la résistance des souris au NiV. Enfin, j’ai montré que la protéine non structurale C du NiV joue un rôle essentiel dans sa virulence, en atténuant la réponse interféron, en perturbant la réponse chimiokine lors de l’infection et en intervenant dans le maintien de la balance génome / antigénome lors du cycle réplicatif viral. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de la pathogenèse du NiV et ouvrent de nouvelles perspectives de traitement contre ce virus zoonotique très dangereux pour l’homme / Nipah virus (NiV) is a highly pathogenic zoonotic Paramyxovirus that emerged in 1998 in Malaysia from frugivorous bats. The outbreaks of this encephalitic virus still occur annually in India and Bangladesh with the mortality rate reaching up to 90%. The lack of an effective vaccine or treatment limits experimentation with live virus to specially equipped BioSafety Level 4 laboratories. Studies of the interaction between the virus and blood cells revealed that NiV uses Heparan sulfates to stick on the surface of leukocytes for its dissemination within the host and reach endothelial cells. Heparin provided de possibility to inhibit this mechanism of transinfection, such as the infection in vitro and in vivo, opening new perspectives of low cost treatment for emerging countries. Then, transcriptomic analysis of NiV infected endothelial cells revealed the importance of cytokine in the pathogenesis. While CXCL10 appears as a good marker of encephalitis, interferon type 1 explains why mice are resistant to the infection with NiV. Finally, we show the essential role of the non structural C protein of NiV in its virulence, by limiting the interferon response, unbalancing the chemokine response during the infection and through the regulation of the genomic/antigenomic balance during the viral replication cycle. These results shed new light on NiV related pathogenesis and open new perspectives of treatment against this highly lethal zoonotic virus

Ce travail de thèse a pour objectif la simplification de la préparation d’un nouveau type d’inhibiteur d’entrée du VIH conçu, synthétisé et validé dans le cadre d’une collaboration entre le laboratoire, l’Institut de Biologie Structurale de Grenoble et l’Institut Pasteur de Paris. Ce prototype est constitué d’un mime fonctionnel de CD4 lié de façon covalente à un fragment dodécasaccharidique d’Héparane Sulfate dont la synthèse est complexe. Nous avons donc proposé de préparer des oligomaltosides sulfatés afin de déterminer si ils pouvaient se comporter comme des mimes d’Héparane Sulfate. Dans un premier temps, nous avons mis au point la synthèse d’un précurseur trisaccharidique oligomérisable à partir de maltotriose, un trisaccharide biosourcé commercial. Au cours de ce travail, nous avons résolu trois points particulièrement délicats : l’allylation de l’extrémité réductrice du maltotriose, l’installation d’un groupement paraméthoxybenzylidène en position O-4ᴵᴵᴵ et O-6ᴵᴵᴵ et la protection sélective des positions O-6ᴵ et O-6ᴵᴵ par un groupement silylé. Les optimisations menées nous ont permis de limiter la formation de produits secondaires, d’augmenter le rendement de chaque étape. La synthèse définitive du trisaccharide oligomérisable comprend 8 étapes, a un bon rendement global de 44 % et peut être menée sans problème à des échelles allant jusqu’à 10 g. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les réactions de glycosylation α(1→4) visant à oligomériser la brique maltotrioside : nous avons constaté qu'une activation des donneurs sous forme de N-phényltrifluoroacétimidate (PTFA) est un meilleur choix que sous forme de trichloroacétimidate (TCA). En effet, ces derniers subissent une réaction parasite du réarrangement de l’imidate en trichloroacétamide. Nous avons aussi observé que le groupement benzoyle (Bz) en position O-6ᴵᴵᴵ du donneur est préférable à l’acétyle (Ac) qui est moins stable dans les conditions acides et basiques. Ensuite, nous avons synthétisé différents donneurs PTFA possédant différents groupements protecteurs en position O-6ᴵ (TBDPS, Bn, pNO2Bz, Piv, Ac et Bz). Nos études de glycosylation avec ces différents donneurs nous ont permis de conclure qu'un groupement TBDPS en position O-6ᴵ permet d'obtenir de hauts rendements et une totale stéréosélectivité 1,2-cis dans les réactions de glycosylation et, de plus, est parfaitement indiqué comme groupement protecteur dans les étapes de diversifications ultérieures. Pour finir, nous avons optimisé différents paramètres comme : le promoteur, la température, l’ordre d’addition des réactifs, le type de tamis moléculaire, l’effet de solvant, le rapport donneur/accepteur, la concentration de l’accepteur et l’échelle de la réaction. Les conditions optimisées nous ont permis d’accéder efficacement, avec de bons rendements et une stéréosélectivité α totale, aux hexa, nona et dodecasaccharide protégés ciblés. Dans un troisième temps, nous avons réussi à réaliser les étapes de déprotection et fonctionnalisation des oligomaltosides synthétisés : débenzoylation et désilylation chimiosélective (hexa et nonasaccharide), sulfatations (hexa et nonasaccharides), puis déprotection des groupements protecteurs résiduels (hexasaccharides). La finalisation de ce projet impliquera de sulfater les nonasaccharides et de déprotéger les groupements protecteurs résiduels, puis d'introduire un espaceur fonctionnalisé sur tous les membres de la chimiothèque ainsi obtenue (hexa et nonasaccharides) et enfin de réaliser l'hydrogénolyse finale des groupements benzyles pour conduire aux oligomaltosides sulfatés libres dont les activités biologiques seront déterminées en collaboration avec nos partenaires. / This work aims at simplifying the preparation of a new type of HIV entry inhibitor, conceived, synthesized and validated within a collaboration between our group, the "Institut de Biologie Structurale" (Grenoble) and the Institut Pasteur (Paris). This prototype is composed of a CD4 functional mimetic linked to a dodecasaccharide fragment of Heparan Sulfate, whose synthesis is complex. In order to determine if Heparan Sulfate may be replaced by simpler sulfated oligosaccharides, we decided to prepare a set of sulfated oligomaltosides. To this goal, we first optimized the synthesis of an oligomerizable maltotrioside building block in eight steps and 44% global yield from maltotriose, a commercial and biosourced trisaccharide. In this work, we had to address three major points: the allylation of the reducing end of maltotiose, the introduction of a paramethoxybenzylidene group between positions O-4ᴵᴵᴵ and O-6ᴵᴵᴵ and the selective protection of the remaining primary positions O-6ᴵ and O-6ᴵᴵ by a silylated protecting group. Each step has been optimized to minimize the amount of secondary products and thus to enhance its yield. The resulting synthesis was thus shown to be highly reproducible up to ten grams scale. Then, glycoside acceptors and donors were prepared from the oligomerizable maltotrioside building block and we studied their behaviors in glycosylation reactions. We found that trichloroacetimidate activation led to poor glycosylation yields, due to the competitive formation of trichloroacetamidyl glycoside rearrangement product. Gratifyingly, N-phenyltrifluroacetimidate activation solved the rearrangement problem. We demonstrate that benzoyl group (Bz) at position O-6ᴵᴵᴵ in the donor should be preferred to acetyl (Ac) which is less stable both in acidic or basic conditions. Then, we synthesized various PTFA donors bearing different protecting groups at O-6ᴵ position (TBDPS, Bn, pNO2Bz, Piv, Ac et Bz) in order to study their influence on the yields and stereochemical outcome of the glycosylation reactions. We concluded that TBDPS represent the best compromise for efficient glycosylation and later protecting group manipulation strategies. Then we optimized various reaction parameters: promotor nature, temperature, reagents addition order, molecular sieve type, solvent nature, donor/acceptor ratio, concentrations and scale of the reaction. The optimized conditions allowed efficient access, in high yields and full α stereoselectivity, to the targeted protected hexa, nona and dodecasaccharides. Then we validated the deprotection and functionnalization steps: chimioselective debenzoylation and desilylation (hexa and nonasaccharide), sulfations (hexa and nonasaccharides), the final deprotection of the residual protecting groups (hexasaccharides).

La mucopolysaccharidose de type IIIB (MPSIIIB), ou maladie de Sanfilippo B, est une maladie de surcharge lysosomale caractérisée par des atteintes neurologiques. Cette maladie génétique rare est causée par la déficience en a-N-acétylglucosaminidase (NAGLU), une enzyme nécessaire pour la dégradation des héparanes sulfates (HS). La dégradation incomplète des HS cause l’accumulation de saccharides d’HS dans les lysosomes et à la surface des cellules. Mais la cascade physiopathologique induite par ces saccharides n’est pour l’instant pas connue. D’une part, ces recherches fournissent des preuves que la communication avec l’environnement des cellules neurales déficientes en NAGLU est altérée. En effet, l’intégrine ß1 et ses effecteurs sont suractivés et recrutés au niveau des plaques d’adhérence dans des astrocytes déficients. Les comportements cellulaires dépendants des intégrines, tels que la polarisation et la migration, sont également altérés. Ces phénotypes sont restaurés par l’apport de l’enzyme déficiente. Cette restauration indique que l’accumulation de saccharides d’HS provoque l’activation de la signalisation des intégrines, et perturbe la polarisation et la migration des cellules neurales. L’ajout de saccharides d’HS purifiés sur des cellules neurales normales confirme que les saccharides d’HS extracellulaires activent des composants des plaques d’adhérence. D’autre part, l’étude d’un modèle cellulaire humain, dont l’expression de NAGLU a été inhibée par shRNA, a montré que l’accumulation de vésicules de stockage caractéristiques de la maladie est causée, entre autre, par une déformation de l’appareil de Golgi et la surexpression de GM130. Ces phénotypes sont également observés dans les neurones atteints. Ils s’accompagnent d’une augmentation de la stabilité et de la nucléation des microtubules, au niveau de l’appareil de Golgi. Les défauts de communication entre la cellule malade et son environnement semblent donc modifier la dynamique et la structure cellulaire. Nous présumons que les mécanismes physiopathologiques déchiffrés en culture sont reliés à la neuropathologie de la MPSIIIB. En perturbant la perception de l’environnement cellulaire, la polarité, la migration, et la pousse neuritique, les saccharides d’HS accumulés dans les tissus cérébraux malades, affectent probablement divers mécanismes clefs de la maturation corticale. / Mucopolysaccharidosis type IIIB (Sanfilippo B disease) is a lysosomal storage disease characterized by severe neurological manifestations in children. This rare monogenic disease is caused by a-N­acetylglucosaminidase (NAGLU) deficiency, a lysosomal hydrolase necessary for heparan sulfate (HS) degradation. This deficiency leads to the accumulation of HS saccharides. Mechanisms mediating HS saccharides deleterious effects on brain cells are not well understood. This research provides evidences that neural cell sensing of environment is altered in MPSIIIB cells. Integrins and focal adhesion components are over-recruited and over-activated in deficient mouse astrocytes. Consistently, integrin-dependant cell behavior such as cell polarization and directed migration were defective in affected astrocytes and neural stem cells. HS saccharide clearance, by NAGLU gene transfer, rescues a normal phenotype suggesting that HS saccharides induce focal adhesion formation. Addition of purified HS saccharides on normal astrocytes confirms that extracellular HS saccharides can activate the recruitment of focal adhesion components and provides an in vitro assay to decipher the saccharide code of HS. Otherwise, investigations performed on HeLa cell model, in which NAGLU expression was inhibited by shRNA, showed that accumulation of intracellular storage vesicles, a hallmark of the disease, is due over expression of a cis-Golgi protein. This affects the Golgi morphology and microtubule nucleation and stability. It seems that alterations of environment cell sensing and downstream signaling also modify the dynamic and the structure of cells. We assume that mechanisms deciphered in cell cultures are related to MPSIIIB neuropathology. By affecting cell perception of environmental cues, cell polarity, cell migration and neurite outgrowth, HS saccharides, which accumulate in brain tissues defective for a HS degradation enzyme, likely affect various processes important for accurate cortical maturation.

L’Héparane Sulfate (HS) est un polysaccharide linéaire hautement sulfaté largement présent à la surface des cellules ou dans la matrice extracellulaire des tissus animaux. L’HS est l'un des polymères les plus hétérogènes et présente une alternance de domaines fortement sulfatés (S) et faiblement sulfatés (A). L'exposition à la surface cellulaire de ces domaines SAS permet d'établir des interactions spécifiques avec des protéines basiques présentant des topologies de charges complémentaires, permettant la régulation de leurs activités biologiques. CXCL12, une protéine de la famille des chimiokines se liant aux chaînes d’HS, est l'unique ligand naturel du récepteur CXCR4. La signalisation CXCL12/CXCR4 est impliquée dans divers processus biologiques dont l'hématopoïèse, la réponse immunitaire et la migration des cellules cancéreuses et leur prolifération. La conception de glycoligands pouvant se lier spécifiquement à CXCL12 pourrait permettre de moduler son interaction avec son récepteur et donner accès à une substance thérapeutique innovante pour le traitement de plusieurs types de cancer. Nous avons ainsi imaginé la construction d’un ligand tridentate symétrique comportant une partie centrale de type fragment d’HS synthétique (dp4) dont les extrémités réductrice (ER) et non réductrice (ENR) seraient reliées à des ligands capables d'occuper une partie du site de liaison à CXCR4.Grâce à de précédents travaux sur l'IFN-γ, une cytokine se liant aux chaînes HS, notre laboratoire a déjà démontré que la préparation de mimes de SAS pouvait être obtenue en reliant deux fragments d’HS synthétiques (domaines S) par leur ER via des bras espaceurs de type PEG et de longueur différente pour mimer les domaines A. Afin d’adapter cette stratégie à la préparation de neutraligands de CXCL12 et d’une nouvelle génération de mimes de SAS, ce programme doctoral visait (i) à établir une stratégie générale de modification de l’ER et l’ENR de fragments d’HS, (ii) à établir des conditions efficaces de réactions de couplage pour (iii) synthétiser des ligands de CXCL12 ainsi que de nouveaux mimes de SAS. Nous avons sélectionné deux réactions orthogonales de couplage dans le panel de Chimie Click, à savoir la formation de triazole «CuAAC» et la «ligation oxime». Afin de déterminer la faisabilité de transformation des deux extrémités de fragments d’HS pour réaliser ces réactions de couplage, nous avons optimisé les conditions de ces modifications sur un disaccharide modèle dérivé du cellobiose. Tout d’abord, en utilisant la procédure de couplage thiol-ène décrite par notre équipe, nous avons introduit une amine sur l'ER de ce disaccharide et optimisé les conditions d’une séquence monotope transfert de diazo/CuAAC permettant la conversion sélective de cette amine en azoture puis son couplage avec des alcynes vrais. Cette séquence a également pu être appliquée à des acides aminés libres pour la préparation de dérivés organofluorés. Ensuite, l'installation d'un motif aldéhyde sur l’ENR du composé modèle a été obtenue par une séquence en trois étapes comportant une allylation décarboxylante de type Tsuji-Trost de la position O-4 de l'unité NR, une dihydroxylation de l’éther d’allyle obtenu et enfin une coupure oxydante du diol formé. En plus d'explorer la sélectivité de la coupure oxydante en faveur de diols vicinaux acycliques en présence de diols cycliques portés par le squelette saccharidique, nous avons également optimisé les conditions de la réaction de formation d’oximes pour obtenir une seconde procédure monotpe de coupure oxydante/formation d’oxime pour la modification rapide de l’ENR de fragments d’HS. Cette stratégie de fonctionnalisation sélective de l’ER et l’ENR d’oligosaccharides a été implémentée dans notre voie actuelle de synthèse de fragments d’HS : elle a été appliquée de manière représentative à un fragment tétrasaccharidique d’HS qui permettra la préparation de neutraligands de CXCL12 et de mimes de SAS. / Heparan sulfate (HS) is a class of linear and highly sulfated polysaccharides widely present in animal tissues, onto the cell surface or into the extracellular matrix. HS is one of the most heterogeneous polymers and presents an alternation of highly sulfated domains (S domains) and weakly sulfated one (A domains). Exposition of those SAS domains at the cell surface permits the establishment of specific interactions with proteins displaying complementary charge topologies, leading to the regulation of their biological activities.CXCL12, a HS-binding protein, member of the chemokine family of pro-inflammatory mediators, is the unique natural ligand of CXCR4 receptor. CXCL12/CXCR4 signaling is involved in several biological processes, including hematopoiesis, immune response and cancer metastasis. The design of HS type ligands that could bind specifically to CXCL12 to block or modulate its interaction with its receptor should give access to therapeutic substance being able to modulate its activity and allow treatment of several cancer types. To this aim, we planed to construct a symmetric tridentate ligand of CXCL12 in which the reducing end (RE) and non-reducing end (NRE) of a short synthetic HS fragment (dp4) would be connected to ligands able to occupy part of the CXCR4 binding site. Thanks to previous investigation onto IFN-γ, a cytokine that binds tightly to HS chains, our lab already demonstrated that the preparation of SAS mimics should be reached by connecting two synthetic HS fragments (S domains) by their RE through a PEG-type spacer differing in length to mimic internal A domain. To adapt this strategy to the preparation of CXCL12 neutraligands and new type of SAS mimics, this PhD program aimed (i) to establish a general strategy of modification of the HS fragments RE and NRE, (ii) to setup efficient conditions of ligation reactions for (iii) the preparation of CXCL12 neutraligands as well as a second generation of SAS mimics. We selected our two orthogonal ligation reactions into the Click Chemistry panel: “the CuAAC” triazole formation and the “oxime ligation”. In order to setup the practicability of this strategy of transformation of the two HS fragments ends, we optimized reaction conditions onto model disaccharide derived from cellobiose. On one hand, by using thiol-ene coupling procedure reported by our lab, we introduced an amino group to the RE of this disaccharide and optimized reactions conditions of a one-pot diazotransfer reaction/CuAAC sequence, allowing the selective conversion of this amino group into azide and its coupling with alkyne derivatives. To demonstrate the robustness of this sequence, we applied it to the direct modification of free amino acids for the preparation of organofluorine derivatives. On the other hand, the installation of an aldehyde motif onto the NRE of the model compound was obtained via a three steps sequence involving a Tsuji-Trost decarboxylative allylation of the position O-4 of the NRE unit, dihydroxylation of the resulting allyl ether and finally oxidative cleavage of the formed diol. Besides exploring the possibility of the selectivity of the oxidative cleavage in favor of vicinal acyclic diols without affecting cyclic diols of the disaccharide backbone, we also optimized the reaction conditions of oxime ligation to obtain a second one-pot procedure of oxidative cleavage/oxime ligation for the rapid modification of the NRE of HS fragments. This strategy of functionalization of the RE and NRE of oligosaccharides was implemented into our current synthetic pathway of preparation of HS fragments: a tetrasaccharidic HS fragment was representatively modified using this strategy for the synthesis of CXCL12 neutraligands and SAS mimics.