Les glycosidases sont des enzymes impliquées dans de nombreux processus biologiques. Entre autres, elles sont responsables de la dégradation des déchets polysaccharidiques de nos cellules. Lorsqu’une modification génétique touche un gène qui code pour une de ces enzymes, des pathologies graves regroupées sous l’appellation de « maladies lysosomales » peuvent être déclenchées. L'objectif de ce projet a été de proposer une méthode de synthèse efficace de molécules potentiellement actives spécifiquement sur l'une ou l'autre de ces maladies. Les molécules ciblées sont des inhibiteurs de glycosidases de la famille des aminocyclitols, utilisés dans une stratégie thérapeutique émergente « par molécules chaperonnes ». La méthode de synthèse développée s’appuie sur une étape enzymatique clé utilisant les aldolases comme catalyseurs et répondant aux contraintes environnementales actuelles de la chimie verte. Nous avons atteint nos objectifs grâce à l’utilisation de trois aldolases différentes, produites et purifiées pour la première fois au sein de notre laboratoire. Il s’agit de la fuculose-1-phosphate aldolase F1PA, de la rhamnulose-1-phosphate aldolase R1PA et de la nouvellement découverte fructose-6-phosphate aldolase FSA. La formation d’une quarantaine de nitrocyclitols, de stéréochimies définies, précurseurs des aminocyclitols correspondant, a ainsi été réalisée avec de très bons rendements de synthèse. / Glycosidases are enzymes involved in many biological processes. For example, they are responsible for breaking up polysaccharide waste materials of our cells. When a genetic mutation concerns a gene encoding for one of theses enzymes, acute pathologies named lysosomal storage disorders can appear. Aim of this work was to find an effective synthesis method of molecules potentially active specifically on one or others diseases. Target molecules are glycosidases inhibitors from the aminocyclitols family, used in an emergent strategy “by molecular chaperones”. The method of synthesis developed in the course of this work is based on an enzymatic key step using aldolases as catalyst, and follows current environment constraints of the green chemistry concept. Goals were reached thanks to the use of three different aldolases, produced and purified for the first time in our lab. It consists in fuculose-1-phosphate aldolase F1PA, rhamnulose-1-phosphate aldolase R1PA and the newly discovered fructose-6-phosphate aldolase FSA. Formation of around forty nitrocyclitols (aminocyclitols precursors) with a defined stereochemistry was realised with very good yields of synthesis.

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.

Background: Lysosomal storage diseases (LSD) often manifest with cherry red macular spots. Diagnosis is based on clinical features and specific biochemical and enzymatic patterns. In uncertain cases, genetic testing with next generation sequencing can establish a diagnosis, especially in milder or atypical phenotypes. We report on the diagnostic work-up in a boy with sialidosis type I, presenting initially with marked cherry red macular spots but non-specific urinary oligosaccharide patterns and unusually mild excretion of bound sialic acid. Methods: Biochemical, enzymatic and genetic tests were performed in the patient. The clinical and electrophysiological data was reviewed and a genotype-phenotype analysis was performed. In addition a systematic literature review was carried out. Case report and results: Cherry red macular spotswere first noted at 6 years of age after routine screening myopia. Physical examination, psychometric testing, laboratory investigations aswell as cerebralMRIwere unremarkable at 9 years of age. So far no clinical myoclonic seizures occurred, but EEG displays generalized epileptic discharges and visual evoked potentials are prolonged bilaterally. Urine thin layer chromatography showed an oligosaccharide pattern compatible with different LSD including sialidosis, galactosialidosis, GM1 gangliosidosis or mucopolysaccharidosis type IV B. Urinary bound sialic acid excretion was mildly elevated in spontaneous and 24 h urine samples. In cultured fibroblasts, α-sialidase activity was markedly decreased to b1%; however, bound and free sialic acid were within normal range. Diagnosis was eventually established by multigene panel next generation sequencing of genes associated to LSD, identifying two novel, compound heterozygous variants in NEU1 gene (c.699CNA, p.S233R in exon 4 and c.803ANG; p.Y268C in Exon 5 in NEU1 transcriptNM_000434.3), leading to amino acid changes predicted to impair protein function. Discussion: Sialidosis should be suspected in patients with cherry red macular spots, even with non-significant urinary sialic acid excretion. Multigene panel next generation sequencing can establish a definite diagnosis, allowing for counseling of the patient and family.

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Das Schicksal aktivierter T-Zellen wird durch eine Vielzahl NF-kappaB regulierter Ziel-Gene bestimmt, wobei aktivierende und deaktivierende Signale für die Ausbalancierung einer adäquaten T-Zell Antwort benötigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die negativ-regulatorische Modulierung des Carma1-Bcl10-Malt1 (CBM)-Proteinkomplexes für die Steuerung der NF-kappaB Aktivität in T-Zellen von großer Bedeutung ist. Überraschenderweise ist die Bildung des CBM-Komplexes abhängig von IKKbeta, einer Kinase, die zuvor ausschließlich mit CBM-nachgelagerten Effektorfunktionen in Verbindung gebracht wurde. IKKbeta übernimmt eine duale Funktion bei der Regulation des CBM-Komplexes: Obwohl IKKbeta zunächst für die Bildung des CBM-Komplexes benötigt wird, führt die Phosphorylierung der CBM-Komplexkomponente Bcl10 durch IKKbeta bereits kurze Zeit nach Beginn der T-Zell Aktivierung zu einer Dämpfung der Signalübertragung. Biochemische Analysen zeigen, dass die Phosphorylierung von Bcl10 die Proteinaffinitäten innerhalb des CBM-Komplexes beeinflusst, wodurch es zu einer Umlagerung des Komplexes mit negativ-regulatorischem Effekt kommt. Weiterführende Experimente haben aufgedeckt, dass Bcl10 im Zuge anhaltender T-Zell Stimulation lysosomal degradiert wird. Die Degradation von Bcl10 führt zum Zerfall des CBM-Komplexes und unterbindet die weitere Signalübertragung trotz persistenter Stimulation. Die Tatsache, dass beide in dieser Arbeit identifizierten negativ-regulatorischen Mechanismen am CBM-Komplex angreifen, unterstreicht die Bedeutung dieses Komplexes für die Signalübertragung in T-Zellen. Weiterhin besteht aufgrund der präsentierten Daten Anlass zur Annahme, dass in aktivierten T-Zellen ein vielfältig positiv und negativ regulierter Multikomponentenkomplex gebildet wird, der eine nicht-hierarchische Signalübertragung unterstützt. / A multitude of NF-kappaB regulated target genes determines the fate of activated T cells, whereas activating and de-activating signals are crucial for balancing adequate T cell responses. The presented data illustrate that negative-regulatory modulation of the Carma1-Bcl10-Malt1 (CBM)-complex is of great importance for the control of NF-kappaB activity in T cells. Surprisingly IKKbeta, a kinase that so far was thought to be involved in CBM-downstream effector functions, is needed for CBM-complex formation. IKKbeta exhibits a dual function regulating the CBM-complex: while initially being essential for the formation of the CBM-complex, phosphorylation of the CBM-complex component Bcl10 by IKKbeta shortly after the onset of T cell activation leads to a damping of signal transduction. Biochemical analysis reveal that Bcl10 phosphorylation influences the intermolecular protein affinities of the CBM-complex components causing a remodeling of the complex with a negative-regulatory effect. Further experiments uncover that upon persistent T cell activation Bcl10 is degraded by the lysosome. Bcl10 degradation promotes the collapse of the CBM-complex and thereby interferes with ongoing signal transduction despite persistent stimulation. Considering the fact that both negative-regulatory processes affect CBM-complex activity underscores the important role of this complex in T cell signal transduction. Moreover, the presented data demonstrate that formation of a multi-component signaling complex in activated T cells facilitates versatile positive, negative and non-hierarchical regulation.

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Ceramid, ein zentrales Signalmolekül des Sphingolipidstoffwechsels, ist neben der de novo Synthese über die enzymatische Spaltung von Sphingomyelin und Glucosylceramid zugänglich. Genetische Mutationen, die eine Fehlfaltung der verantwortlichen Enzyme saure Sphingomyelinase (aSMase) und Glucocerebrosidase (GCase) begünstigen, könnten somit zu einer Dysregulation des gesamten Sphingolipidstoffwechsels und den damit verbundenen Signaltransduktionsprozessen führen. Niedermolekulare Inhibitoren können in Zellstudien einen Einblick in diese Prozesse geben und den Defekt eines Enzyms simulieren oder eine etwaige Überaktivität derselben Enzyme verhindern. Für derartige Studien ist die Möglichkeit einer zeitaufgelösten Inhibition von Vorteil. Für diese Methode müssten photolabile Schutzgruppen in eine bereits bekannte Inhibitorstruktur integriert werden. Im Fall der aSMase würden sich hierfür myo-Inosit-bisphosphat-Derivate anbieten, die starke, kompetitive Inhibitoren des Enzyms darstellen. Auf dieser Grundlage werden in der vorliegenden Arbeit die Synthese sowie die in vitro und in cellulo Wirkung des ersten zellpermeablen, photoaktivierbaren Inhibitors für die aSMase präsentiert. Kompetitive Inhibitoren können ebenso als sogenannte pharmakologische Chaperone fungieren, welche Proteine durch Herabsetzung der freien Energie des jeweiligen Faltungszustandes stabilisieren. Dies ist besonders bei von Mutationen betroffenen lysosomalen Enzymen von Interesse, um diese vor einem proteasomalen Abbau zu bewahren und einen geregelten Transport in die Lysosomen zu gewährleisten. So wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene myo-Inositderivate als potenzielle pharmakologische Chaperone für die aSMase und GCase synthetisiert. Um eine Verdrängung der Verbindungen vom aktiven Zentrum des Enzyms durch das natürliche Substrat zu beschleunigen, wurde eine Orthoesterfunktion in die Seitenkette der Inhibitorstruktur integriert, die im sauren Milieu der Lysosomen gespalten werden kann. / Ceramide, a central signaling molecule in sphingolipid metabolism, is in addition to the novo synthesis accessible via the enzymatic cleavage of sphingomyelin and glucosylceramide. Genetic mutations that promote misfolding of the responsible enzymes acid sphingomyelinase (aSMase) and glucocerebrosidase (GCase) could thus lead to a dysregulation of the entire sphingolipid metabolism and the associated signal transduction processes. Small molecule inhibitors can provide insight into these processes in cell studies and simulate the defect of an enzyme or prevent eventual overactivity of the same enzyme. For such studies, the possibility of a time-resolved inhibition would be advantageous. For this method, photolabile protecting groups would have to be integrated into the structure of a known inhibitor. In the case of aSMase, myo-inositol-diphosphate derivatives, which represent strong, competitive inhibitors of the enzyme, would be suitable for this purpose. On this basis, the synthesis as well as the in vitro and in cellulo effects of the first cell-permeable photocaged inhibitor for acid sphingomyelinase are presented in this work. Competitive inhibitors can also act as so-called pharmacological chaperones, which stabilize proteins by reducing the free energy of the respective folding state. This is of particular interest in the case of lysosomal enzymes affected by mutations, in order to protect them from proteasomal degradation and to ensure regulated transport into the lysosomes. In the present work, various myo-inositol derivatives were synthesized as potential pharmacological chaperones for aSMase and GCase. To accelerate displacement of the compounds from the enzyme's active site by the natural substrate, an orthoester function was integrated into the side chain of the inhibitor structure, which can be cleaved in the acidic environment of the lysosome.