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 (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.

Clostridium perfringens is a gram positive spore forming anaerobe and a causative agent of gas gangrene, necrotic enteritis (pig-bel) and food poisoning in humans and other animals. This organism secretes a battery of exotoxins during the course of infection as well as a variety of virulence factors which may help to potentiate the activities of the toxins. Among these virulence factors is the μ-toxin, a family 84 glycoside hydrolase which acts to degrade hyaluronan, a component of human connective tissue. C. perfringens has 53 open reading frames encoding glycoside hydrolases. About half of these glycoside hydrolases are predicted to be secreted. Among these are CpGH84C, a paralogue of the μ-toxin, and CpGH89. CpGH89 shares sequence similarity to the human α-N-acetylglucosaminidase, NAGLU, in which mutations can cause a devastating genetic disease called mucopolysaccharidosis IIIB. One striking feature of the secreted glycoside hydrolase enzymes of C. perfringens is their modularity, with modules predicted to be dedicated to catalysis, carbohydrate-binding, protein-protein interactions and cell wall attachment. The extent of the modularity is remarkable, with some enzymes containing up to eight ancillary modules. In order to help understand the role of carbohydrate-active enzymes produced by bacterial pathogens, this thesis will focus on the structure and function of the modular extracellular glycoside hydrolase enzymes secreted by the disease causing bacterium, C. perfringens. These structure function studies examine two family 32 CBMs (carbohydrate-binding modules), one from the μ-toxin and the other from CpGH84C. As well we examine the complete structure of CpGH84C in order to help further our understanding of the structure of carbohydrate-active enzymes as a whole. Finally, the catalytic module of CpGH89 is characterized and its relationship to the human NAGLU enzyme is discussed.

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

Human α-N-Acetylglucosaminidase (Naglu) is a lysosomal acid hydrolase implicated in tthe rare metabolic storage disorder known as mucopolysaccharidosis type IIIB (MPS IIIB; also Sanfilippo syndrome B). Absence of this enzyme results in cytotoxic accumulation of heparan sulphate in the central nervous system, causing mental retardation and a shortened lifespan. Enzyme replacement therapy is not currently effective to treat neurological symptoms due to the inability of exogenous Naglu to access the brain. This laboratory uses a Spodoptera frugiperda (Sf9) insect cell system to express Naglu fused to a synthetic protein transduction domain with the intent to facilitate delivery of Naglu across the blood-brain barrier. The project described herein may be broken down into three main sections. Firstly, the impact of two cryptic splice sites on Naglu expression levels was analyzed in both transiently expressing Sf9 cultures and stably selected cell lines. Secondly, the effectiveness of the native Naglu secretion-signaling peptide in the Sf9 system was examined. Finally, purification of a Naglu fusion protein from suspension culture medium was performed using hydrophobic interaction chromatographic techniques. The ultimate goal of this research is to develop an efficient system for economical, large-scale production of a human recombinant Naglu fusion protein that has the potential to be successfully used for enzyme replacement therapy to treat MPS IIIB. / Graduate