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La dystrophie Facio-Scapulo-Humérale (FSHD) fait partie des maladies musculaires génétiques les plus fréquentes. Elle se caractérise par une dégénérescence progressive et asymétrique d’un groupe spécifique de muscles striés squelettiques, dont principalement les muscles faciaux, scapulaires et huméraux. D’un point de vue génétique, la FSHD est une maladie multifactorielle qui résulte d’évènements génétiques situés sur la région sub-télomérique du chromosome 4, ainsi que d’évènements épigénétiques altérant l’organisation chromatinienne du locus 4q35. Ces anomalies provoquent une relaxation chromatinienne et une surexpression de la majorité des gènes du locus 4q35, dont DUX4, gène majeur impliqué dans la FSHD. Les répercussions de l’ensemble de ces altérations se traduisent notamment par une dérégulation de la signature transcriptionnelle des myoblastes primaires issus des patients FSHD, et par des anomalies de leur différenciation myogénique in vitro et leur hypersensibilité au stress oxydant. Plusieurs aspects de la maladie demeurent incompris, et la complexité de cette myopathie rend difficile le choix d’une stratégie thérapeutique optimale. Cependant, la découverte des outils de l’édition du génome et la multiplication de leurs applications à visée thérapeutique dans le cadre de maladies humaines, notamment les myopathies, ouvre de nouvelles perspectives pour la FSHD qui reste, jusque-là, incurable.Le travail de thèse a concerné, dans un premier temps, l’implication des dommages de l’ADN et du stress oxydant dans la pathophysiologie de la FSHD. Nous avons mis en évidence l’omniprésence de ces caractéristiques cellulaires dans les myoblastes FSHD, leur lien à l’expression aberrante de DUX4 et leur participation à la morphologie défectueuse des myotubes FSHD in vitro. Dans un second temps, le travail de thèse a consisté à concevoir et à développer des outils de l’édition génomique et épigénomique, capables de cibler spécifiquement un des évènements génétiques causal de la FSHD, le variant pathogénique 4qA161 touchant un site d’attachement à la matrice nucléaire, FR-MAR. A partir de ces outils développés, deux stratégies de corrections génomique et épigénomique à visée thérapeutique peuvent être alors envisagées in vitro, ayant pour but ultime de rétablir la fonction d’insulation de FR-MAR et la conformation chromatinienne de la région 4q35. / Facioscapulohumeral dystrophy (FSHD) is one of the most common genetic myopathies characterized by a progressive and asymmetric weakening of a specific group of skeletal muscles, typically facial, shoulder girdle and upper arms muscles. FSHD is a multifactorial disease that results from the combination of genetic and epigenetic events mapped at the 4q35 locus. These genetic and epigenetic alterations lead to chromatin relaxation and the subsequent overexpression of the majority of 4q35 genes, notably DUX4, the major actor in FSHD pathology. These genomic alterations lead to molecular and cellular defects observed in vitro. Cultured-FSHD myoblasts show a distinct transcription profile, they exhibit morphological differentiation defects and are sensitive to oxidative stress. Several aspects of the disease remain poorly understood, and the elaboration of an appropriate therapeutic strategy is limited by the complexity of this myopathy. However, the discovery of genome editing tools and their successful therapeutic applications in vitro and in animal models of several human diseases, including myopathies, open doors to potential therapeutic strategies for FSHD.This work highlighted the involvement of DNA damage and oxidative stress in the pathophysiology of FSHD, by revealing their constitutive presence in FSHD myoblasts, their link to DUX4 expression and their participation in morphological defects of FSHD myotubes observed in vitro. The second part of this work was aimed at developing genome- and epigenome-editing tools capable of specifically targeting one of the genetic events causing FSHD, a pathogenic variant 4qA161 that contains an insulator and a nuclear matrix attachment site (FR-MAR). These engineered tools will be then used to develop in vitro therapeutic strategies, with the intention of restoring the insulator activity of FR-MAR and the chromatin organization of 4q35 locus.

La Dystrophie Facio-Scapulo-Humérale (FSHD) est la plus fréquente maladie neuromusculaire chez l'adulte (7 cas pour 100 000 naissances). D'origine autosomique dominante, elle apparait en général durant la seconde décade et se caractérise principalement par une perte de force et une fonte asymétrique des muscles du visage, des épaules et des bras puis progresse au reste du corps. L'analyse du motif répété D4Z4, dont le nombre de répétitions est diminué chez les patients, a mis en évidence la présence d'une phase ouverte de lecture codant pour un facteur de transcription appelé DUX4. Son expression a été retrouvée spécifiquement chez les patients FSHD. Mes travaux de thèse se sont concentrés sur l'étude de DUX4 et son implication dans la physiopathologie de la FSHD. Parce que la FSHD est une maladie progressive, nos analyses ont été faites sur des cultures de cellules et des biopsies f¿tales FSHD1 et Contrôles. Nous avons ainsi mis en évidence pour la première fois que DUX4 est exprimé dès le stade f¿tal et que les dérégulations géniques identifiées chez l'adulte sont également présentent à ce stade. De plus nos expériences semblent montrer que le niveau d'expression de DUX4 entre le f¿tus et l'adulte FSHD est similaire. Enfin, le niveau d'expression de DUX4 est extrêmement restreint (environs 0,5 à 10% des noyaux), mais son effet sur un grand nombre de gènes cibles est lui très fortement prononcé et quantifiable. Des essais de co-cultures ont ainsi mis en évidence que in vivo, DUX4 est à même de diffuser d'un noyau à l'autre au sein d'une fibre musculaire et de diffuser le phénomène pathologique. Nos travaux ouvrent ainsi un nouveau champ d'étude pour la compréhension des mécanismes physiopathologiques conduisant à la FSHD. / Facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD) is inherited in an autosomal dominant pattern and is one of the most common muscular dystrophies (7/100 000). FSHD usually manifests in the second decade of life and includes an asymmetric wasting and weakness of facial, shoulder and arm muscles and is affecting the distal muscles in later stages of the disease. D4Z4 repetitions, which are known to be decreased in FSHD patients, comprise an open reading frame encoding a transcription factor called DUX4 that is only expressed in patients affected by FSHD. My PhD thesis project is aiming to better understanding of the role played by DUX4 in human skeletal muscle in order to elucidate its involvement in the pathophysiology of FSHD. As FSHD is a progressive disease, I studied DUX4 mRNA expression in both primary human fetal muscle cells and in fetal muscle tissue of control subjects and FSHD1 patients. For the first time, we were able to demonstrate DUX4 expression at the fetal stage, and in addition, we showed abnormal expression of various genes that has been reported to be altered in adult FSHD patients. Also, our experiments on fetus and adult FSHD patient cells suggested an equal expression of DUX4 protein. Although DUX4 protein is expressed at a very low level in patients (about 0.5 to 10% of the nuclei), it leads to a strong misexpression of a large number of DUX4 target genes. By performing co-cultures between C2C12 mouse myoblasts and control or FSHD human myoblasts, we demonstrated that expression of toxic DUX4 protein occurs only in a limited number of nuclei in FSHD patient cells. Interestingly, we revealed that the expressed DUX4 protein is able to spread from one nucleus into nearby nuclei within the myotubes and hence transmitting the molecular pathological abnormalities. Our research project will give us new insights into the pathophysiological mechanisms underlying FSHD.

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