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.

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.

Human α-N-acetylglucosaminidase (Naglu) is a lysosomal enzyme implicated in the rare metabolic storage disorder Mucopolysaccharidosis III type B (MPS IIIB). A deficiency in Naglu results in a buildup of heparan sulfate in lysosomes, which is most detrimental in the central nervous system, causing mental retardation and a shortened lifespan. Enzyme replacement therapy is currently ineffective in treating the neurological symptoms of MPS IIIB due to the inability of Naglu to cross the blood-brain barrier. This laboratory uses a Spodoptera frugiperda insect cell system to express recombinant Naglu conjugated to a synthetic protein transduction domain with the intent to allow Naglu to cross the blood-brain barrier and treat the neurological symptoms. In the present study, we aimed to purify a recombinant Naglu-PTD4 fusion protein in order to assess its capacity to cross cellular membranes. A three-step method involving multi-modal, hydrophobic interaction, and gel filtration chromatography was optimized to achieve pure Naglu-PTD4, in good yield. Cellular uptake by human MPSIIIB fibroblasts of Naglu-PTD4 was not detectable. It is hypothesized that additional amino acids, including a hexahistidine domain, following the PTD4 domain limited the fusion protein’s membrane transduction capacity. Future studies will focus on removing the additional amino acids and adjusting the purification method as necessary. The ultimate goal of this research is to develop a large-scale recombinant Naglu production protocol for enzyme replacement therapy of MPS IIIB. / Graduate

There is an unmet need to develop and test treatments for rare lysosomal disease (LD). Most LDs are present in childhood and do not currently have approved therapies. Rare diseases individually are uncommon but taken together account for a population prevalence of 3.5-5.9% worldwide. Due to their rarity, it often takes significant time and effort to diagnose rare diseases. New diagnostic tools, especially for early detection, will offer an advantage in avoiding this diagnostic odyssey. This dissertation is focused on investigating novel diagnostic and treatment methods in vitro for two neurodegenerative LDs: Gaucher disease (GD) and mucopolysaccharidosis IIIB (MPS IIIB). Mutations in NAGLU and GBA1, the genes that encode for lysosomal hydrolases required for degradation of heparan sulfate and glucocerebrosides, lead to the observed pathogenesis in MPS IIIB and GD, respectively. Since many LDs, including MPS IIIB and some forms of GD, are neurodegenerative, cell and gene-based therapeutic strategies are of significant interest. Therapeutics that offer some symptom mitigation in other LDs, such as enzyme replacement or substrate reduction therapies, do not offer appreciable disease mitigation in MPS IIIB or neurodegenerative GD. Here, a novel compound heterozygous mutation, NAGLUY140C/R297X, that results in approximately 50% residual NAGLU protein and 0.6% NAGLU enzyme activity is reported in NAGLU. Furthermore, a RFLP and site-directed mutagenesis strategy was developed to identify the presence of the relatively common p.R297X mutation in patient cell samples, in addition to two other novel molecular assays for the detection of the p.E153K mutation in NAGLU and p.N370S mutation in GBA1. MPS IIIB and GD human skin fibroblasts were reprogrammed to iPSCs using non-integrating Sendai viral vectors with a reprogramming efficiency of 0.2% and 0.3%, respectively. Resulting iPS cell lines were confirmed as being pluripotent through a barrage of analyses for markers of pluripotency and differentiation. Intriguingly, early passage MPS IIIB iPSCs were found to exhibit increased cell death and spontaneous differentiation to embryoid body-like structures, which was hypothesized to be caused by fibroblast growth factor 2 (FGF2) sequestration or degradation due to inherent heparan sulfate dysregulation. Supplemental FGF2 (100 ng/mL) was found to significantly increase confluency of MPS IIIB iPSCs after 48 hours (n = 5, p ≤ 0.05) and persisting to 96 hrs (n = 5, p ≤ 0.05), thus providing evidence for an important role of FGF2-heparan sulfate interactions in the maintenance of stem cell pluripotency. These findings highlight the importance of considering inherent disease pathology when developing disease models. Three genome editing strategies, CRISPR-Cas9, base and prime editing, are addressed throughout this dissertation. Genome editing outcomes in NAGLU and GBA1, as well as a control gene, HPRT1, are reported in HEK293 cells, human skin fibroblasts, and induced pluripotent stem cells (iPSCs). Although CRISPR-HDR failed to yield mutation correction, base editing of the common p.N370S (c.1226 A>G) in GD skin fibroblasts using with 42% efficiency is reported. Base editing of HPRT1 in HEK293 cells with an overall editing efficiency of 6 ± 0.5% (n = 3), but interestingly, when base editing at the centered nucleotide was analyzed, the editing efficiency increases to 27 ± 4.3% (n = 3). These findings align with other reports of a centered nucleotide preference for base editors and will help direct genome editing strategies in the future. This dissertation describes the first genome editing in NAGLU, and the first base editing in GBA1, and underscores the importance of optimizing genome editing strategies when targeting disease-causing mutations in patient-derived cells. The findings reported here will direct future genome editing strategies for developing cell and gene-based therapies for MPS IIIB and GD. / Graduate / 2021-12-15

Mucopolysaccharidosis IIIB (MPS IIIB) is a rare, metabolic disorder that results from a deficiency in the lysosomal hydrolase, α-N-acetylglucosaminidase (Naglu). Naglu is a housekeeping enzyme involved in the degradation pathway of heparan sulfate. A deficiency in active Naglu leads to an accumulation of heparan sulfate within the lysosome, initiating a pathological cascade within the cell. Patients with MPS IIIB experience progressive central nervous system degeneration and die within the first few decades of life. Presently, enzyme replacement therapy, which is a standard of care for other lysosomal storage disorders, is an ineffective treatment for MPS IIIB. This is due to impermeability of the blood-brain barrier (BBB) to exogenous recombinant enzymes. A promising approach to this therapeutic obstacle is protein transduction domains. Protein transduction domains have been shown to facilitate the delivery of active enzyme across the BBB in mice. Previously, our laboratory used Spodoptera frugiperda (Sf9) insect cell system to express human recombinant Naglu fused to a synthetic protein transduction domain (PTD4). The purpose was to use PTD4 to the facilitate the delivery of Naglu across biological membranes, including the blood-brain barrier. However, a missing stop codon following PTD4 limited its transducibility. The stop codon was re-introduced and the improved fusion enzyme, Naglu-PTD4X, was stably expressed in Sf9 cells. The overarching goal of this project is to create a large-scale production of human recombinant Naglu that has the potential to be used to treat the neuropathology of patients with MPS IIIB. This project used a three-step purification system to purify Naglu-PTD4X. Uptake of Naglu-PTD4X was assessed in MPS IIIB fibroblasts using a fluorogenic activity assay, immunoblotting, and immunocytochemistry. Our purification system was successful at purifying Naglu-PTD4X to homogeneity with a 26% yield and specific activity of 84,000 units/mg. An increase in Naglu activity was detected in MPS IIIB fibroblasts following incubation with Naglu-PTD4X. Future directions will focus on optimizing immunodetection and conducting BBB penetration studies in murine models. / Graduate / 2020-06-21

La technologie de reprogrammation de cellules somatiques en cellules souches pluripotentes induites (iPS) offre aujourd’hui l’opportunité de modéliser des maladies neurodégénératives et d’étudier des neurones de patients. Nous avons utilisé cette technologie pour générer deux modèles de maladies neurodégénératives : la mucopolysaccharidose de type IIIB (MPSIIIB) et la forme ALS2 de la sclérose latérale amyotrophique (SLA). Dans le modèle MPSIIIB, nous avons montré que les iPS et les neurones de patients présentaient des défauts caractéristiques de la pathologie telle que l’accumulation de vésicules de surcharge. Des altérations de l’appareil de Golgi dans ces cellules ont également été mises en évidence. Une analyse du transcriptome de précurseurs neuraux MPSIIIB a montré des modifications transcriptionnelles touchant notamment des gènes impliqués dans les interactions de la cellule avec la matrice extracellulaire. Ainsi, dans une seconde étude, des altérations de la migration et de l’orientation de cellules de souris mutantes MPSIIIB ou de patients ont été démontrées. Ces altérations pourraient être responsables des perturbations de la neurogénèse et de la neuritogénèse chez les enfants malades. Dans le modèle SLA/ALS2, nous avons montré que les neurones de patients présentaient des défauts incluant une diminution de la surface des endosomes et des anomalies de la croissance neuritique. Alors qu’il n’existait jusqu’alors aucun modèle cellulaire pertinent reproduisant cette maladie, ce modèle permettra à présent d’étudier les processus physiopathologiques impliqués dans la maladie. En conclusion, la génération de cellules iPS permet de modéliser des maladies neurodégénératives et d’étudier les processus physiopathologiques qui sont associés sur des neurones humains en culture. Ces modèles cellulaires pourraient permettre dans un avenir proche de réaliser des criblages de molécules à visée thérapeutique / Reprogramming technology of somatic cells in induced pluripotent stem cells (iPS) now offers the opportunity to model neurodegenerative diseases and to study patient’s neurons. We used this technology for generating two models of neurodegenerative diseases: the muccopolysaccharidosis type IIIB (MPSIIIB) and the ALS2 form of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). In the MPSIIIB model, we have shown that iPS and neurons of patients had characteristic defects of the disease such as the accumulation of storage vesicles. Alterations of the Golgi apparatus in these cells were also highlighted. Transcriptome analysis of MPSIIIB neural precursors showed transcriptional changes involving particularly genes implicated in cell-extracellular matrix interactions. Thus, in a subsequent study, alterations of migration and orientation of MPSIIIB mutant mouse cells and MPSIIIB patients’ cells have been demonstrated. These alterations may be responsible for the disruption of neurogenesis and neuritogenesis in sick children. In the ALS2 model, we have shown that patients’ neurons had defects including decreased endosomes’ surface and abnormal neurite outgrowth. As there was previously no relevant cellular model reproducing the disease, this model will now allow the study of physiopathological processes involved in the disease. In conclusion, the generation of iPS cells allows to model neurodegenerative diseases and to study associated physiopathological processes on cultured human neurons. These cell models could allow in the near future the screening of molecules of potential therapeutical interest

Les communautés du Bronze final et du Premier âge du Fer (Xe s.-Ve s. av. J.-C.), situées entre Garonne et Èbre, sont essentiellement connues par leurs nécropoles à crémation. Cette recherche, qui repose sur une abondante documentation de plus de 400 nécropoles, entend aborder la question des pratiques funéraires sous un nouvel angle, en réalisant une synthèse des données archéologiques sur une vaste échelle géographique afin d’avoir une vision d’ensemble des pratiques funéraires et de leurs dynamiques dans le temps. Après avoir introduit des notions historiographiques importantes et discuté les éléments relatifs au cadre chronologique de l’étude (proposition d’un système chronologique inter-régional), nous proposons d’étudier une sélection de nécropoles bien documentées. Ces nécropoles seront analysées suivant une grille d’analyse précise qui permettra de réaliser des analyses statistiques afin d’étudier d’éventuels groupes funéraires. Les résultats de ces analyses sont exposés de manière chronologique ce qui nous donnera l’occasion, dans un second temps, de discuter la répartition géographique de ces groupes funéraires et leur évolution dans le temps et l’espace. / Final Bronze Age and First Iron Age communities (10th - 5th century B. C.), situated between the Garonne and the Ebro Rivers are essentially known though their cremation burial cemeteries. This work, based on an abundant documentation of more than 400 cemeteries, intends to approach the question of the funeral practices under a new point of view, by realizing a synthesis of the archaeological data on a large geographical scale to get an overall view of the funerary practices and their dynamics throughout time. After introducing the important background notions and discussing the chronological elements (proposal of an inter-regional chronological system), we suggest studying a selection of cremation burial cemeteries well documented. These cemeteries will be studied according to a grid of analysis which will allows us to realize statistical analyses to study possible funeral groups. The results of these analyses are explained in a chronological way which give us the opportunity, in a second time, to discuss the geographical distribution of these funeral groups and their evolution in time and space.

L’ambition de cet ouvrage est non seulement de mettre à disposition un inventaire raisonné, et relativement exhaustif, des objets métalliques issus des contextes funéraires et d’habitat de la fin de l’âge du Bronze et du premier âge du Fer (900-450 av. n è.), mais aussi et surtout de proposer une étude synthétique des nombreux types d’objets rencontrés au sein d’une région cohérente, d’un point de vue géographique, historique et historiographique ; à savoir la France méditerranéenne : Pyrénées-Orientales, Aude, Hérault, Gard, Bouches-du-Rhône, Var et Alpes-Maritimes. Cette démarche devrait par ailleurs permettre d’harmoniser, de regrouper et d’actualiser l’ensemble des études précédentes ayant trait à ce type de mobilier, tout en facilitant l’identification du matériel issu des fouilles à venir, et plus généralement les études portant sur cette frange spécifique de la culture matérielle. Au-delà de sa fonction encyclopédique, ce mémoire aborde également une série de thèmes annexes, comme l’analyse des divers réseaux d’échanges à partir du mobilier d’importation et leur évolution au cours du temps, ou encore la présence d’une approche « évolutionniste » des quelques grandes panoplies protohistoriques (outillage, armement, et parure). Ces quelques problématiques nous ont ainsi permis d’observer dans quelle mesure le Midi avait joué un important rôle d’intermédiaire entre les sphères méditerranéennes et le domaine celtique, mais aussi à quel point cette fonction d’interface eut un impact majeur sur l’évolution des panoplies indigènes et dans une moindre mesure de nombreux effets sur le développement technique et social des communautés indigènes. / The ambition of this book is not only to provide a reasoned and relatively complete inventory of the metal objects found in funerary contexts and habitats, dating from the end of the Bronze Age to the Early Iron Age (900 - 450 B.C.), but also to provide an overview of the many types of objects encountered in a coherent region from a geographical and historical point of view ; namely Mediterranean France : Pyrenees-Orientales, Aude, Herault, Gard, Bouches-du-Rhone, Var and Alpes-Maritimes. This should also help to harmonize, consolidate and update all previous studies dealing with these types of objects, while facilitating both the identification of the material found in future excavations, and the studies concerned by this particular area of the material culture. Beyond its encyclopaedic function, this work also investigates a whole series of sub-themes, such as the analysis of the various bartering networks, based on the imported objects and their evolution over time, or the presence of an "evolutionary" approach of some of the main protohistoric outfits (tools, weapons, and ornaments). These few issues have enabled us to observe to what extent the South of France had played an important intermediary role between the Mediterranean spheres and the Celtic area, but also how this interface function had a major impact on the evolution of the indigenous outfits and to a lesser extent, numerous effects on the technical and social development of the local communities.

L'utilisation croissante de l'aluminium dans les applications les plus diverses a suscité un développement important des recherches consacrées à ses composés fluorés qui jouent un rôle essentiel dans l'élaboration du métal. Il n'en est pas de même pour ses homologues de la colonne III B : lorsque nous avons commencé ce travail la chimie des composés fluorés du gallium, de l'indium et du thallium n'avait pratiquement pas été explorée. Cette lacune s'expliquait par la relative rareté des ces éléments, mais également par les difficultés inhérentes à la chimie du fluor...

Les populations du Bronze final IIIb au premier âge du Fer (vers 900-475 avant J.-C.) en Languedoc occidental et Midi-Pyrénées, sont essentiellement connues par l'intermédiaire de leurs nécropoles. La crémation des défunts constitue une pratique quasi-exclusive pour toute la zone chrono-culturelle, ce qui limite grandement la caractérisation biologique de ces populations. Nous nous sommes fondée sur un corpus de plus de 2000 tombes secondaires à incinération essentiellement issues de onze nécropoles majeures de la période, qui ont été analysées à travers différents paramètres : modes de dépôt des restes osseux, modalités de recrutement à l'échelle de la nécropole, poids total d'ossements déposés dans la sépulture, indices pondéraux des différentes régions anatomiques et données sur l'aspect des ossements. Les résultats de ce premier niveau d'analyse ont ensuite été replacés dans les contextes chrono-culturels de chaque nécropole. Une évolution chronologique des gestes funéraires notamment en ce qui concerne le mode de dépôt des restes osseux et la quantité d'ossements placés dans la tombe a pu être mise en évidence. Cependant des particularités très locales, parfois à l'échelle d'une seule nécropole et donc vraisemblablement d'une communauté, semblent également se détacher. Un essai d'interprétation de l'évolution de la structuration sociale des populations vivantes et des modalités de recrutement des défunts est aussi proposée. Parallèlement, l'étude anthropologique personnelle de près de 400 amas osseux nous a permis de fonder une réflexion méthodologique sur le traitement des ossements incinérés en dépôt secondaire. Cette démarche a pour objectif d'optimiser la quantité et la qualité des observations, en minimisant le temps imparti à l'analyse.