RECHERCHE ET ETUDE DE MOLECULES À ACTIVITE ANTITYROSINASE ET LEUR UTILISATION COMME AGENTS DEPIGMENTANTS EN DERMOCOSMETIQUE Mots clé : Tyrosinase, mélanogenèse, hyperpigmentation. La pigmentation cutanée relève en grande partie d'un phénomène biochimique bien décrit, ayant lieu dans la couche basale de l'épiderme: la mélanogenèse. Elle consiste à produire des pigments, les mélanines qui constituent pour la peau une protection naturelle contre les effets néfastes des UV. Divers dysfonctionnements de la mélanogenèse dus à des agressions extérieures (UV), aux perturbations hormonales ou au vieillissement se traduisent par l'apparition de taches d'hyperpigmentation qui peuvent être particulièrement inesthétiques. Dans ces cas, l'utilisation d'actifs capables de réduire la production des mélanines pourrait permettre de remédier à ces troubles de la pigmentation. La tyrosinase glycoprotéine membranaire et enzyme clé impliquée dans les deux premières étapes de la mélanogenèse, constitue une cible de choix pour atteindre cet objectif. Depuis plusieurs années, la population concernée a eu recours à des inhibiteurs de la tyrosinase mais leur utilisation s'avère peu efficace ou délicate du fait de l'existence de certains effets secondaires. Nous avons pour notre part mis au point et synthétisé des polyphénols de type aurone, chromone ou dérivés des acides caféique et férulique en vue d'une utilisation en tant qu'inhibiteur de la tyrosinase. Leur évaluation in vitro sur trois modèles et plus particulièrement sur la tyrosinase de mélanocytes humains en culture, a permis d'identifier quelques aurones et dérivés des acides caféique et férulique ayant un fort potentiel en tant qu'inhibiteur de la tyrosinase humaine. Après une étude de relation structure-activité, il s'avère que l'activité de ces molécules est globalement liée à la présence de groupements phénol, qui leur permettent vraisemblablement de mimer la structure des substrats naturels de l'enzyme (L-tyrosine ou L-DOPA) ou de chélater le cuivre indispensable à son activité. De plus, les molécules sélectionnées sont pour la plupart naturelles et ont montré une faible toxicité in vitro aux doses efficaces. Ceci laisse donc présager un possible développement pour une utilisation en dermocosmétique.

Dans l’épiderme, les mélanocytes participent à la protection de la peau contre les rayons ionisants du soleil en synthétisant un pigment, la mélanine, dans des compartiments apparentés aux lysosomes appelés melanosomes. La mélanogenèse est un processus séquentiel initié par la production de fibres amyloïdes dont la composante principale est la protéine PMEL. Ces fibres séquestrent la mélanine et permettent l’élimination d’intermédiaires toxiques produits lors de sa synthèse. La mélanogenèse et le phénotype pigmenté sont affectés lorsque le processus de formation des fibres est altéré. Les fibres résultent du clivage de PMEL dans les endosomes précurseurs des mélanosomes mais les protéases impliquées dans ce processus restent peu ou pas caractérisées. Afin de mieux comprendre les mécanismes de formation des fibres amyloïdes dérivées de PMEL, j’ai étudié le rôle de deux protéases : les Bêta-sécrétases BACE1 et BACE2. En combinant des techniques de biochimie, d’immunocytochimie et d’imagerie photonique et électronique, j’ai montré que la perte de l’expression de Bace2 in vivo (souris KO BACE2) ou sa déplétion (siRNA) dans une lignée de mélanocytes inhibent le clivage amyloïdogénique de PMEL et affectent à la fois la formation de fibres de PMEL dans les mélanosomes et la pigmentation. J’ai pu notamment reproduire in vitro le clivage spécifique de PMEL en utilisant une forme recombinante de BACE2. En parallèle, j’ai également étudié le rôle de BACE1 dans la mélanogenèse. Mes résultats indiquent que BACE1, bien que n’étant pas impliquée dans le clivage de PMEL, régulerait la maturation des mélanosomes précoces in vivo et in cellulo, en modulant les contacts entre mélanosomes et réticulum endoplasmique (RE). Dans les mélanocytes, BACE1 est présente dans le RE et interagit avec des protéines impliquées dans les contacts RE-endosomes. Ces contacts seraient cruciaux pour le transfert de molécules nécessaires à la maturation des mélanosomes. L’ensemble de ces résultats démontre un rôle pour chacune des Bêta-sécrétases dans le processus de mélanogenèse, levant le voile sur des processus clés liés à la biogenèse des mélanosomes. Par ailleurs, les fibres de PMEL constituant le modèle le plus abouti de l’amyloïdogenèse physiologique chez les mammifères, ces études pourraient à plus long terme aider à la compréhension de la formation des fibres amyloïdes pathologiques ; notamment dans la maladie d’Alzheimer où l’amyloïdogenèse d’APP est très similaire à celle de PMEL. / In the epidermis, melanocytes synthetize a pigment called melanin, in lysosome-related-organelles called melanosomes, in order to protect the skin against the ionizing radiations of the sun. Melanogenesis is a sequential process initiated by the formation of amyloid fibrils whose principal component is the protein PMEL. Those fibrils sequester the melanin pigment and allow the removal of toxic intermediates formed during its synthesis. Melanogenesis and the pigmented phenotype are affected when the process of fibrils formation is altered. Fibrils come from the processing of PMEL in endosome precursors of melanosomes but the proteases implicated in this process are not well characterized. In order to better understand the mechanisms implicated in the formation of the PMEL amyloid fibrils, I studied the role of two proteases: the Beta-secretases BACE1 and BACE2. Using a combination of biochemical, immunocytochemical methods and photonic and electronic imaging, I have shown that the loss of Bace2 expression in vivo (BACE2 KO mice) or its depletion (siRNA), in a melanocyte cell line, inhibit the amyloidogenic processing of PMEL and affect both the formation of the PMEL fibrils in melanosomes and pigmentation. I could reproduce in vitro the specific cleavage of PMEL by using a recombinant form of BACE2. In parallel, I have also studied the role of BACE1 in melanogenesis. My results indicate that BACE1, even though it is not implicated in PMEL processing, could regulate the maturation of early melanosomes in vivo and in cellulo, by modulating the contacts between melanosomes and endoplasmic reticulum (ER). In melanocytes, BACE1 is present in the ER and interacts with proteins implicated in ER-endosomes contacts. Those contacts would be crucial for the transfer of molecules that are necessary for melanosome maturation. All together those results demonstrate the role of both Beta-secretases in melanogenesis, and reveal key processes involved in melanosome biogenesis. Moreover, because PMEL fibrils are the most completed model of physiological amyloidogenesis in mammals, theses studies could help in the future the understanding of the formation of pathological amyloid fibrils; in particular in the Alzheimer’s disease where the amyloidogenesis of APP is very similar to the one of PMEL.

Notre travail s’est intéressé à l’albinisme oculocutané en étudiant ses aspects clinico- moléculaires. Malgré l’analyse approfondie des gènes connus d’albinisme oculocutané, 15 % des patients restent sans mutation identifiée indiquant que les mutations sont situées dans des régions géniques non analysées par les techniques classiques de diagnostic moléculaire, ou qu’il existe d’autres gènes d’albinisme oculocutané. Nous avons établi une base de données clinico- biologiques décrivant les caractéristiques de plus de 400 patients analysés. Des outils de diagnostic moléculaire ont été développés à la recherche de mutations situées dans les introns et les régions régulatrices et de réarrangements géniques. Différentes stratégies ont également été utilisées pour rechercher des gènes candidats. La puce à façon a permis l’identification de grands réarrangements dans les gènes TYR, OCA2 et SLC45A2 et un réarrangement complexe du gène OCA2 chez 2 patients non apparentés. L'analyse de gènes candidats nous a permis d'identifier, chez 5 patients non apparentés présentant un albinisme oculocutané non syndromique, des mutations dans le gène SLC24A5, très récemment associé à l’AOC6. Le séquençage d’exome de 6 patients a mis en évidence des gènes candidats pour lesquels des analyses complémentaires sont poursuivies afin de confirmer leur implication dans la pathogenèse de l’AOC.Les résultats de ce travail permettent de redéfinir les aspects cliniques et moléculaires de l’AOC, d’identifier de nouveaux mécanismes moléculaires à l’origine de l’AOC ainsi que des gènes candidats dont la fonction dans le développement pigmentaire reste à élucider. L’identification de nouveaux gènes impliqués dans l’AOC pourrait permettre de mieux comprendre et de mieux prendre en charge les patients avec un AOC. / Our work focused on oculocutaneous albinism (OCA) by studying its clinical and molecular aspects. Despite a thorough analysis of the known genes involved in oculocutaneous albinism, 15% of patients remain without diagnostic at the molecular level indicating that mutations are located in unexplored regions and are undetected by standard techniques or that other genes are involved in albinism. We established a clinicomolecular database describing more than 400 patients and developped molecular tools in order to improve molecular diagnostic including a custom high resolution array-CGH dedicated to the four OCA genes (TYR, OCA2, TYRP1 and SLC45A2). We also used different strategies to identify new genes. Array-CGH allows us to detect large deletion in TYR, OCA2 and SLC45A2 and a complexe rearrangement in OCA2 in 2 unrelated patients. We identified, in 5 patients presenting with a non syndromic OCA, mutations in SLC24A5, recently associated with OCA6. Exome sequencing of 6 different patients allows us to identify candidate genes, for which further studies are required to confirm their involvement in OCA pathogenesis. The results of this work allowed us to delineate clinical and genetics aspects of more than 400 OCA patients and to identify new molecular mechanisms leading to OCA and candidates genes for which exact nature of their functions has to be understood. Giving the complexity of pigmentary system development and its regulation, identification of new genes leading to OCA could help to better understand OCA and take care of patients

Bien qu’au 11ème rang des cancers les plus fréquents et au 12ème rang des cancers les plus mortels, le mélanome reste un problème médical majeur préoccupant. En effet, cette pathologie, au stade métastatique, reste réfractaire à la chimiothérapie et aux thérapies ciblées. Un certain nombre d’arguments définissent la résistance à l’apoptose comme un point crucial dans l’échec aux traitements anti-cancéreux. Ces mécanismes de résistance et chimiorésistance spécifiques aux mélanomes, déclenchés en réponse aux traitements traditionnels, sont la conséquence d’une dérégulation des voies apoptotiques suite à l’activation des protéines anti-apoptotiques, l’inactivation des protéines pro-apoptotiques avec renforcement des signaux de survie (voies de survie PI3K/Akt, NF-κB et MAPK/ERK). Une étude effectuée sur la lignée murine de mélanome B16-F0 a introduit la mélanogenèse comme une forme de résistance à l’apoptose induite par l’acide ursolique (AU), un triterpène pentacyclique d’origine naturelle ; ainsi les cellules entrant en apoptose sont capables de déclencher une résistance qui se manifeste par une surproduction de la mélanine tout en retardant la mort cellulaire. D’autres études ont montré l’implication de la COX-2 dans un mécanisme de résitance à l’apoptose dans plusieurs types de cancers dans le but de retarder leur mort cellulaire. Dans cette optique, nous nous sommes intéressés à étudier l’implication de la mélanogenèse et de la voie COX-2/PGE2 dans la résistance à l’apoptose dans le mélanome et plus précisément dans un modèle d’apoptose induite par l’AU sur la lignée humaine de mélanome M4Beu. Par la suite, nous avons décrit une interaction probable entre ces deux voies distinctes, la mélanogenèse et la voie COX-2/PGE2. Dans un autre contexte, nous avons montré que l’AU inhibe les voies de survie PI3K/Akt et ERK1/2, ce qui favorise ses effets pro-apoptotique et anti-prolifératif. Notre étude permet de mieux explorer les mécanismes de résistance spécifiques aux mélanomes tout en suggérant l’effet bénéfique de l’AU comme adjuvant naturel aux traitements chimio-thérapeutiques traditionnels. / Despite the deployment of targeted therapies, the incidence and mortality rates of cutaneous melanoma is increasing very fast making it a pre-eminent public health threat. Previously, we had showed that B16-F0 murine melanoma cells undergoing apoptosis are able to delay their own death induced by ursolic acid (UA), a natural pentacyclic triterpenoid compound. We had demonstrated that tyrosinase and TRP-1 up-regulation in apoptotic cells and the subsequent production of melanin were implicated in an apoptosis resistance mechanism. Several resistance mechanisms to apoptosis have been characterized in melanoma such as hyperactivation of DNA repair mechanisms, drug efflux systems, and reinforcement of survival signals (PI3K/Akt, NF-κB and MAPK/ERK pathways). Otherwise, other mechanisms of apoptosis resistance involving different proteins, such as cyclooxygenase-2 (COX-2), have been described in many cancer types. In this study, we demonstrated the involvement of melanogenesis and COX-2/PGE2 pathway in resistance to UA-induced apoptosis in human M4Beu melanoma cells. Then, we established the evidence that an interaction exists between these two pathways by investigating on the one hand the effect of inhibiting melanogenesis by N-phenylthiourea (PTU) on COX-2 expression and its product PGE2, and on the other hand the effect of inhibiting COX-2 activity using NS-398 on tyrosinase expression and melanin production. Furthermore, we showed that anti-proliferative and proapoptotic effects of UA were mediated through modulation of multiple signaling pathways including Akt and ERK-1/2 proteins. Our study not only uncovers underlying molecular mechanisms of UA action in human melanoma cancer cells but also suggest its great potential as an adjuvant in treatment and cancer prevention.

La mélanogenèse engage 3 enzymes. La tyrosinase catalyse l’oxydation des 2 premiers substrats pour former la DOPAquinone. Celle-ci, en présence de cystéine peut s’y conjuguer pour produire des pheomélanines (pigments clairs). En son absence, la DOPAquinone est convertie en DOPAchrome, précurseur de la voie de synthèse des eumélanines (pigments foncés). Leur formation implique deux autres enzymes : TRP-1 et TRP-2. Un dérèglement de ce processus entraîne des dermatoses de type hyperpigmentations chez les phototypes IV à VI. Traiter ces problématiques efficacement sans effets secondaires nécessite d'identifier de nouvelles molécules actives capables de réguler la synthèse des eumélanines.Pour atteindre l'objectif, nous avons évalué l’effet inhibiteur de 100 venins d’animaux sur l’activité DOPA oxydase de la tyrosinase de champignon. Des analyses HPLC et spectrophotométriques alternées, ont permis de localiser la sous-fraction active conte-nant la molécule d'intérêt. La détermination du poids moléculaire par spectrométrie de masse conjuguée à l’analyse d'AA après hydrolyse acide a permis d'identifier l’Argiotoxine-636 (ARGTX-636). Elle est un inhibiteur mixte de la diphénolase. Des études préliminaires de SAR ont également été réalisées. En parallèle, une méthode analytique par HPLC/MS a été mise au point pour confirmer l'activité inhibitrice de la DHICA oxydase de l'enzyme par l'ARGTX-636.Pour la première fois est reportée l’isolation et la caractérisation d’un nouveau composé extrait d’un venin d’araignée capable de réguler la mélanogenèse. Cette approche peut avoir un impact majeur dans la recherche de nouvelles molécules actives dans le domaine de la dermo-cosmétique. / Melanogenesis involves three enzymes. Tyrosinase catalyses the oxidation of the two first substrates and leads to the formation of DOPAquinone, which may be conjugated with cysteine to produce pheomelanins (red-yellow pigments). In absence of cys-teine, DOPAquinone is spontaneously converted in DOPAchrome, the precursor of eumelanin products (brown-black pig-ments). The formation of eumelanin molecules partially relies on the activity of two other enzymes called Tyrosinase related protein 2 and Tyrosinase related protein 1. A dysregulation of this process engenders hyperpigmentation tasks into skin IV to VI phototypes. To treat these issues effectively without side effects requires the identification of new active molecules able to regulate the eumelanin synthesis.To achieve the objective, we evaluated the inhibitory effect of 100 animals venoms, on the DOPA oxidase activity of mushroom tyrosinase. HPLC and spectrophotometric analysis alternating, we allowed us to localize the active sub-fraction containing the interest molecule. The molecular weight determination by mass spectrometry combined with the AA analysis after acid hy-drolysis identified argiotoxin-636 (ARGTX-636). It is a mixed-type inhibitor on diphenolase activity. SAR preliminary stu-dies have also been conducted. In parallel, an analytical method by HPLC / MS was developed to confirm the DHICA oxy-dase activity inhibitory effect by ARGTX-636.For the first time is reported the isolation and characterization of a novel compound extracted from a spider venom able to regulate melanogenesis process. This approach can have a major impact in the search for new active compounds in the dermo-cosmetics field.