Les dystrophies musculaires de Duchenne (DMD) et de Becker (BMD) sont dues à des mutations dans le gène DMD codant la Dystrophine. De nombreux aspects des mécanismes pathophysiologiques de ces maladies ne sont pas encore expliqués. Nous nous sommes intéressés à l'étude d'ARN non-codants pouvant participer à ces processus. Une première étude a été centrée sur l’identification de micro-ARNs (miARNs) impliqués dans la régulation de l’oxyde nitrique synthase neuronale (nNOS) une protéine partenaire de la Dystrophine et associée à des caractéristiques de ces pathologies telles que la fatigabilité musculaire. 617 miARNs ont été criblés par Taqman Low Density Array dans des muscles de sujets sains et de patients BMDdel45-55. 4 miARNs candidats ont été sélectionnés de cette étude pour leur surexpression chez les patients BMDdel45-55 et leur capacité théorique à cibler nNOS. Des expériences de modulation de l’expression de ces miARNs dans des myoblastes humains sains ou dystrophiques nous ont permis d’identifier que le miR-708-5p et le miR-34-5p pouvaient cibler nNOS et moduler son expression.Un deuxième axe a été mené sur l’étude des longs ARNs non-codants (lncARNs). Les introns 44 et 55, qui bornent les exons 45 à 55 délétés chez les patients BMDdel45-55, sont de grandes régions contenant des lncARNs décrits comme régulant la Dystrophine. Les points de cassure introniques des mutations de ces patients n’étant pas décrites, nous avons supposé l’existence de profils de lncARNs différents. L’analyse de l’ADN de ces patients montre en effet des profils de lncARNs différents, révélant ainsi l’importance d’une étude plus précise des zones de délétion des patients BMDdel45-55. / Duchenne (DMD) and Becker (BMD) muscular dystrophies are due to mutations in DMD gene, encoding Dystrophin. Many aspects of pathophysiological mechanisms of these diseases are not yet well understood. We were interested in the study of non-coding RNAs that could be involved in these pathological processes. A first study focused on micro-RNAs (miRNAs) that could modulate expression of the neuronal nitric oxide synthase (nNOS), a partner of Dystrophin which is linked to pathological features as muscular fatigability. 617 miRNAs were screened by Taqman Low Density Array in muscle biopsies of healthy subjects or BMDdel45-55 patients. 4 candidate miRNAs were selected from this study since they were overexpressed in BMDdel45-55 patients and for their theoretical ability to target nNOS. Experiments modulating the expression of these miRNAs in healthy or dystrophic human myoblasts enabled us to identify that miR-708-5p and miR-34-5p could target nNOS and modulate its expression.A second axis was conducted on long non-coding RNA (lncRNA). Introns 44 and 55, which bound exons 45-55 deleted in BMDdel45-55 patients, are large regions containing lncRNAs described as regulating Dystrophin. Since intronic breakpoints of DMD mutations of these pateints were not described, we have assumed the existence of different profiles of lncRNAs. DNA analysis of these patients actually showed different lncRNAs profiles, thus revealing the significance of a more precise analysis of deletion areas in DMD gene of BMDdel45-55 patients.

La myopathie de Duchenne est une maladie génétique qui se caractérise principalement par une dégénérescence progressive des muscles squelettiques dont la cause est l'absence de dystrophine fonctionnelle dans les muscles. A ce jour, il n'existe toujours pas de traitement efficace contre ces maladies. Comme le plus grand gène connu chez l'Homme, la dystrophine code pour une protéine de 427kDa. La protéine connecte l'actine avec le DAPC (Dystrophin Associated Protein Complex) dans les muscles striés. Pour l'instant, il y a 3 hypothèses concernant le mécanisme du DMD. L'absence de la dystrophine peut supprimer le lien physique entre les protéines structurales de la membrane basale (laminines) et les protéines structurales du cytosquelette (filaments intermédiaires et actine), ou la distribution et la fonction des canaux ioniques, ou des voies de signalisation nécessaires à la survie du muscle. Caenorhabditis elegans ne possède qu'un homologue du gène de la dystrophine humaine, le gène dys-1. La protéine DYS-1 présente 37% d'homologie avec la dystrophine humaine. Le double mutant dys-1(cx18) ; hlh-1(cc561) présente une forte dégénérescence musculaire. Comme le sarcomère de C. elegans ressemble au sarcomère de mammifère, C. elegans est modèle pertinent d'étude la maladie. En vue de comprendre la raison du DMD chez les mammifères et chez les vers, le groupe L. SEGALAT a effectué des cribles pour identifier les molécules et les gènes qui peuvent supprimer la dégénérescence musculaire. On a trouvé un gène pkc-2 qui est capable de supprimer la dégénérescence musculaire chez C. elegans. La protéine PKC-2 est l'orthologue de la Protein Kinase C Alpha (PKC) humaine et appartient à la famille du serine/threonine protéine kinase. Afin d'étudier la fonction du gène pkc-2, on a analysé l'expression du gène avec les construits différents in vivo et a utilisé la technique de double-hybride dans la levure. De plus, le crible par EMS (éthane méthyle sulfonâtes) a identifié une molécule sérotonine (5-HT) qui est un neuromédiateur, et supprime partiellement la dégénérescence musculaire des doubles mutants dys-1; hlh-1. La sérotonine a aussi un effet fort sur le mutant pkc-2(ok328), puisqu'elle provoque un phénotype blister. Ça nous permet de rechercher le lien entre la signalisation sérotoninergique et pkc-2. Le crible génétique peut contribuer à la connaissance du rôle pkc-2. [...]. Elle sert aussi de plate-forme de voie de signalisation intracellulaire. L'identification de Y59A8A.3 propose la possibilité que pkc-2 modifie la filamin A par l'intermédiaire de la filamin A interacting protéine 1. Le crible génétique par EMS pour rechercher des suppresseurs de l'effet blister de la sérotonine sur les mutants pkc-2(ok328) a donné 8 candidats sur 5000 F1s : cx253, cx254, cx259, cx263, cx267, cx268, cx270, cx276. Les mutations ont été localisées sur les chromosomes par SNP mapping avec une souche de C. elegans très polymorphe, mais le temps a manqué pour leur identification exacte. L'expérience valide notre approche à étudier le lien entre la signalisation sérotoninergique et pkc-2. En résumé, le but de la thèse était de rechercher la fonction du gène pkc-2 dans les mécanismes moléculaires conduisant à la nécrose musculaire en absence de dystrophine. Les résultats présentés dans la thèse apportent des réponses aux questions fondamentales sur pkc-2 et aussi demandent des expériences supplémentaires afin de élucider plus avant les mécanismes de la dégénérescence musculaire dystrophine-dépendante.

La caractérisation de l'interaction de différentes biomolécules avec les lipides constitue une étape cruciale pour la compréhension du comportement et du mode d'action de ces molécules avec les membranes cellulaires. Nous présentons ici des études biomimétiques d'une protéine musculaire. Des modèles membranaires et des méthodes biophysiques ont été utilisées. La dystrophine est une protéine filamenteuse essentielle pour le fonctionnement musculaire. Son absence ou sa modification suite à des mutations ont responsables de myopathies. Dans cette étude, nous avons analysé les propriétés de certaines répétitions homologues à la spectrine du domaine central de la dystrophine. Nous caractérisons les interactions spécifiques de deux sous domaines constitués des répétitions 1 à 3 et 20 à 24 avec les lipides. Nous montrons d'autre part, que l'interaction et l'organisation des répétitions 11 à 15 avec des membranes anioniques et zwitterioniques sont modulées par la courbure membranaire et le packing lipidique. L'analyse de propriétés rhéologiques de surface montre que les répétitions 11 à 15 forment un lien fonctionnel entre la membrane et les filaments d'actine du cytosquelette. Cette liaison mécanique contribuerait in vivo au rôle d'amortisseur de chocs attribué à la dystrophine lors des cycles de contractions-relaxations musculaires. Dans une dernière partie de ce travail, nous avons étudié la relation structure-activité d'un "de novo" peptide antimicrobien, K4. Nous identifions un mécanisme d'action de type detergent-like, conférant l'activité antimicrobienne.

La rupture de la barrière hémato-rétinienne interne (iBRB) se produit dans de nombreux troubles de la rétine et peut provoquer un œdème rétinien souvent responsable de la perte de vision. Le but de cette étude était de caractériser l'impact d'une rupture de l’iBRB sur les changements homéostatiques rétiniens de la dystrophine Dp71, AQP4 et Kir4.1 provoqués par les altérations les cellules gliales de Müller CGM. L'effet protecteur de la Dex a été étudié dans ce modèle. Par ailleurs, les explants rétiniens ont été utilisé pour étudier la formation et la résolution de l'œdème de CGM sans l'influence de l'inflammation du cristallin ainsi que l’effet de différentes doses de glucocorticoïdes (Dex, triamcinolone et fluocinolone) et des inhibiteurs de la voie de l'acide arachidonique. Nous avons observé que la chirurgie partielle du cristallin induit une rupture de l'iBRB et des changements moléculaires dans le CGM, une diminution de l’expression de la Dp71 et d’AQP4 et la délocalisation de Kir4.1. La Dex semble protéger la rétine par l’augmentation de l’expression du HSF1. Nous avons également observé que même si les glucocorticoides étudié ont des effets différents sur l’expression de la Dp71, AQP4 et Kir4.1 les trois sont capables de prévenir la formation de l’œdème de CGM. Nos résultats suggèrent que la formations d'œdème semblent être régulée par la voie des leucotriènes. Nous avons étudié le rôle des isoformes de la dystrophine Dp71 dans les processus d'adhésion intercellulaire des cellules PC12. Nos résultats suggèrent l’existence d’au moins deux mécanismes différents seraient impliqués dans l'adhésion intercellulaire associée à la Dp71, l'une impliquant Dp71dΔ71 et Cx43. / The breakdown of the internal blood-retinal barrier (iBRB) occurs in many retinal disorders and may cause retinal edema, often responsible for vision loss. The aim of this study was to characterize the impact of iBRB disruption on retinal homeostatic changes in Dp71 dystrophin, AQP4 and Kir4.1 caused by Müller glial cells (MGC) alterations. The protective effect of Dex has been studied in this model. In addition, retinal explants were used to study the formation and resolution of CGM edema without the influence of lens inflammation and the effect of different doses of glucocorticoids (Dex, triamcinolone and fluocinolone) and inhibitors of the arachidonic acid pathway. We observed that partial lens surgery induced iBRB breakdown and molecular changes in MGC, decreased expression of Dp71 and AQP4, and miss localization of Kir4.1. Dex seems to protect the retina by increasing the expression of HSF1. We also observed that although the glucocorticoids studied have different effects on the expression of Dp71, AQP4 and Kir4.1 all three can prevent the formation of MGC edema. Our results suggest that edema formation appears to be regulated by leukotrienes. We have studied the role of isoforms of dystrophin Dp71 in intercellular adhesion processes of PC12 cells. Our results suggest the existence of at least two different mechanisms involved in intercellular adhesion associated with Dp71, one involving Dp71dΔ71 and Cx43.

La forme des mitochondries change continuellement grâce aux actions combinées d'événements de fission et de fusion rendant le réseau mitochondrial très dynamique. Les processus mitochondriaux de fission et de fusion sont finement régulés par des GTPases de la famille des dynamines qui sont bien conservées entre les espèces. Chez C. elegans, la fission est régulée par DRP-1, la fusion de la membrane interne par EAT-3, homologue d’OPA1, et la fusion de la membrane externe par FZO-1, homologue de MFN1. Dans les cellules musculaires du nématode sauvage, les mitochondries tubulaires et circulaires sont dans des proportions égales et organisées le long du sarcomère. Cependant, durant la dégénérescence musculaire dystrophine-dépendante, une fragmentation du réseau mitochondrial dans les cellules musculaires apparaît. Or le rôle des acteurs de la dynamique mitochondriale dans les mécanismes moléculaires menant à la dégénérescence musculaire dystrophine-dépendante reste encore incompris. Nous avons trouvé que: (i) la dégénérescence musculaire dystrophine-dépendante s'accompagnait d'une augmentation drastique de la fragmentation mitochondriale qui peut être sauvée par des manipulations génétiques de la dynamique mitochondriale (ii) la perte de fonction du gène de fission drp-1 ou la surexpression des gènes de fusion eat-3 et fzo-1 provoquent une réduction de la dégénérescence musculaire et une mobilité améliorée des mutants dystrophiques (iii) les fonctions de DRP-1 dans l'apoptose et d’autres acteurs de l’apoptose sont importants pour la mort des cellules musculaires déficientes en dystrophine (iv) L’implication de DRP-1 dans l’apoptose est également importante pour la dégénérescence musculaire liée au vieillissement. En conclusion, nos résultats pointent vers un mécanisme impliquant la dynamique mitochondriale pour impacter la dégénérescence musculaire via l’apoptose chez Caenorhabditis elegans / Mitochondrial shape is continually changing thanks to the combined actions of fission and fusion events making the mitochondrial network very dynamic. The mitochondrial fission and fusion processes are finely regulated by GTPases of the family of dynamins that are well conserved between species. In C. elegans, fission is regulated by DRP-1, fusion of the inner membrane by EAT-3, homologue of OPA1, and fusion of the outer membrane by FZO-1, homologue of MFN1. In the muscle cells of wild nematode, tubular and circular mitochondria are in equal proportions and organized along the sarcomere. However, during dystrophin-dependent muscle degeneration, fragmentation of the mitochondrial network in muscle cells occurs. But the role of the actors of mitochondrial dynamics in the molecular mechanisms leading to dystrophin-dependent muscle degeneration is still misunderstood. We found that: (i) dystrophin-dependent muscle degeneration was accompanied by a drastic increase in mitochondrial fragmentation that can be saved by genetic manipulation of mitochondrial dynamics (ii) loss of function of the fission gene drp-1 or overexpression of the eat-3 and fzo-1 fusion genes causes a reduction in muscle degeneration and improved mobility of dystrophic mutants (iii) DRP-1 functions in apoptosis and other are important for the death of dystrophin-deficient muscle cells (iv) The involvement of DRP-1 in apoptosis is also important for age-dépendant muscle degeneration. In conclusion, our results point toward a mechanism involving mitochondrial dynamics to impact muscle degeneration via apoptosis in Caenorhabditis elegans

Dans les synapses chimiques, des canaux calciques voltage-dépendants (VDCC) provoquent la fusion des vésicules synaptiques (SV) au niveau de la zone active. L’efficacité et la rapidité de la transmission synaptique dépendent de la distribution relative entre les VDCCs et les SVs prêtes à fusion. Cependant, les modalités d’interaction entre les VDCCs et les SVs ne sont pas connues. Afin de localiser les VDCCs à l’échelle nanométrique j’ai developpé une nouvelle approche chez Caenorhabditis elegans combinant le marquage in vivo des VDCCs, grâce à l’expression d’un épitope extracellulaire, et la microscopie électronique (EM). J’ai généré un transgene GFP::unc-36 qui code la seule sous-unité α2-δ qui s’associe à fois avec les sous-unités formant le pore α1 neuronal (UNC-2) et musculaire (EGL-19) chez C.elegans. J'ai ensuite utilisé des quantum dots conjugués avec l’anticorps anti-GFP, fluorescents et denses au électrons, pour localiser des VDCCs à haute résolution au niveau de la jonction neuromusculaire (NMJ) par EM. En parallèle, j'ai utilisé la technique de CALM (complementation activated light microscopy) pour étudier la dynamique des VDCC dans des vers vivants. Nos résultats montrent que les VDCCs diffusent à l’échelle de nanodomaines sur la membrane musculaire. De plus leur diffusion est modulée en réponse à la tension musculaire. La dystrophine participe au couplage électro-mécanique au niveau du sarcolemme en modulant la taille du domaine de confinement des VDCCs. Enfin, nous avons mis en evidence le rôle de RIM/UNC-10 dans la régulation de la mobilité latérale des VDCCs dans les neurones, probablement via son interaction avec les VDCCs et les SVs. / At chemical synapse voltage-dependent calcium channels (VDCC) trigger synaptic vesicles (SV) fusion at the active zone in response to depolarization stimuli. Intracellular Ca2+ influx forms a nanodomain around individual VDCC. Fast and efficient synaptic transmissions appear to be tightly coupled with the relative distribution between the VDCCs and SVs fusion sites. However, the connection between VDCCs and docked SVs at a few nanometer scales remain enigmatic. To localize VDCCs in nanometer resolution I developed a novel approach combining in vivo labeling of VDCCs via genetically-encoded extracellular epitope tags and electron microscopy (EM). I engineered a GFP/split-GFP tag fused at the extracellular N-terminal of UNC-36, the only C. elegans VDCC α2δ subunit associating with both neuronal (UNC-2) and muscular (EGL-19) VDCC pore-forming α1 subunit. I then used quantum dot (QD) conjugated antibodies as both fluorescent and electron dense probes to localize VDCCs at C. elegans neuromuscular junction (NMJ) by in vivo QD-antibodies labeling and EM. In parallel, I applied in vivo complementation activated light microscopy to study VDCC dynamics in live worms. I discovered that VDCCs diffuse within nanodomains at sarcomeric membrane and their nanoscale diffusion behavior is modulated in response to muscle tension. In addition, we found that dystrophin participates in electro-mechanical coupling at the sarcolemma by modulating the confinement size of VDCCs. Meanwhile, we discovered lateral mobility of N-type VDCC at NMJs, and that RIM/UNC-10 seems involved in regulation of VDCC dynamics via its interaction with VDCC and SVs.

La Dystrophie Musculaire de Duchenne (DMD) est la plus fréquente et la plus sévère des maladies dégénératives du muscle. Elle se caractérise par une dégénérescence progressive des fibres musculaires due à l’absence de dystrophine fonctionnelle dans les muscles. Actuellement, le rôle physiologique de la dystrophine n’est pas clairement établi et il n’existe pas encore de traitement curatif pour cette maladie. La difficulté de mettre en évidence la fonction de la dystrophine et la physiopathologie de la DMD est en partie expliquée par la complexité moléculaire et cellulaire du muscle des modèles vertébrés utilisés dans les études actuelles. Notre équipe de recherche a développé un modèle de DMD chez le nématode Caenorhabditis elegans. Dans ce modèle, la mutation du gène de la dystrophine, provoque une dégénérescence progressive des muscles conduisant à une paralysie des animaux adultes. Nous utilisons ce modèle afin d’étudier la fonction de la dystrophine et les mécanismes impliqués dans la dégénérescence musculaire chez le nématode. Ce travail de thèse porte sur deux nouveaux acteurs de la dégénérescence musculaire dépendante de la dystrophine : la protéine DYC‐1 et son principal partenaire ZYX‐1. Ce travail présente la caractérisation de ces deux protéines et étudie leurs fonctions dans le muscle. Par ailleurs, ce travail de thèse présente les premiers résultats d’un projet de microscopie électronique ayant pour but de caractériser en détail les évènements subcellulaires du processus dégénératif au cours du cycle de vie du nématode dystrophique. À plus long terme, les études chez le nématode permettront de proposer de nouvelles hypothèses quant aux mécanismes moléculaires et cellulaires de la dégénérescence musculaire / Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) is the most prevalent and one of the most severe muscular dystrophy. DMD is due to the absence of functional dystrophin in cardiac and skeletal muscle cells, this lack leads to a progressive muscle degeneration of contractile fibres. Currently, the physiological role of dystrophin is not yet clearly established and curative treatments for DMD are not yet available. The lack of knowledge about dystrophin function and DMD physiopathology can be partly attributed to the complexity of vertebrate muscle, and the absence of a simple model that emulates the human pathology. Our research team developed a model of muscle degeneration in the nematode Caenorhabditis elegans. In this model, the mutation of the dystrophin gene produces a progressive muscle degeneration leading to the paralysis of the adult worms. We use this model for investigating the role of dystrophin and the mechanisms of muscle degeneration in C. elegans. This PhD work concerns two new actors of dystrophin‐dependant muscle degeneration: The DYC‐1 protein and its main interactor ZYX‐1. This study aims to characterise these proteins and to study their muscle functions. Moreover, this PhD work presents preliminary results of an in depth characterisation of subcellular processes of muscle degeneration in dystrophic worms by electron microscopy. Our aim is to visualise first events and to observe the progression of degeneration until the death of muscle cell. These molecular and cellular approaches aims to get new insights in the mechanisms underlying muscle degeneration in order to propose new hypotheses for the understanding of DMD

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est un syndrome neuromusculaire dû à des mutations dans le gène dmd qui conduisent à la perte d’expression des dystrophines, protéines normalement exprimée dans différents tissus y compris le cerveau. Le profil cognitif des patients est hétérogène et la présence d’une déficience intellectuelle dépend de la position des mutations dans le gène. Cette variabilité s’explique par la complexité du gène dmd qui comprend plusieurs promoteurs internes permettant l’expression cérébrale de plusieurs dystrophines de tailles différentes. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à deux dystrophines : la dystrophine complète (Dp427), normalement exprimée dans le muscle et le cerveau et absente chez tous les patients DMD, et la forme la plus courte de dystrophine, la Dp71, produit cérébral majeur du gène dmd absente dans un sous-groupe de patients. Ces deux dystrophines ont des fonctions cellulaires différentes : La Dp427, normalement exprimée dans les synapses inhibitrices en interaction avec les récepteurs du GABA, joue un rôle dans la plasticité synaptique, l’apprentissage et la mémoire. Sa perte conduit à des déficits cognitifs modérés. La Dp71, majoritairement exprimée dans les astrocytes périvasculaires, contribue à l’ancrage de canaux ioniques impliqués dans l’homéostasie cérébrale et joue aussi un rôle dans la synapse glutamatergique. La perte de Dp71 aggrave fortement les déficits associés à la perte de Dp427 chez les patients et conduit à une déficience intellectuelle sévère. Les relations génotypes-phénotypes restent à préciser et on suppose qu’au-delà de la sévérité des déficits, la nature même des altérations cognitives, ainsi que que la présence de troubles sensoriels, cognitifs, exécutifs et neuropsychiatriques, dépendent des formes de dystrophines touchées. Pour étudier le rôle de ces deux dystrophines, nous avons utilisé deux modèles murins : la souris mdx uniquement déficiente en Dp427, et la souris Dp71-null uniquement déficiente en Dp71. Une étude comportementale à large spectre nous a permis de mieux caractériser le phénotype associé à la perte de Dp427 et de Dp71, en précisant l’intégrité de la perception et du traitement des stimuli sensoriels auditifs, des réponses émotionnelles et de la réactivité au stress, des performances d’apprentissage, ainsi que de certaines composantes des fonctions exécutives, comme la mémoire de travail spatiale et la flexibilité comportementale. Ce travail a été complété par des études collaboratives visant à caractériser le rôle de la Dp71 dans la plasticité corticale et à développer une approche de thérapie génique pour restaurer la fonction de la Dp427 chez la souris mdx. Nous montrons que la perte de Dp427 perturbe les fonctions GABAergiques, les réponses émotionnelles induites par un stress ainsi que la mémoire émotionnelle et la mémoire à long terme, sans altération majeure des fonctions sensorielles et exécutives. Nous montrons aussi qu’une thérapie génique basée sur des injections systémiques d’oligonucléotides antisens, porteurs de chimies spécifiques et passant la barrière hémato-encéphalique, est capable de restaurer une Dp427 fonctionnelle par la technique du saut d’exon et de compenser les altérations émotionnelles des souris mdx. La perte de Dp71 a un impact différent : Elle altère la balance excitation/inhibition et la plasticité synaptique corticale et perturbe l’apprentissage, la flexibilité comportementale et la mémoire de travail dans des tâches d’apprentissage spatial. Notre étude de ces modèles murins a donc permis de clarifier les relations génotype-phénotype et les bases neurobiologiques de cette maladie, et d’identifier des phénotypes utiles pour valider l’efficacité de traitements ciblant le cerveau dans des études précliniques. / Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a neuromuscular syndrome caused by mutations in the dmd gene, leading to the loss of dystrophin proteins, which are normally expressed in various tissues including the brain. Patients exhibit heterogenous cognitive profiles and the presence of intellectual disability depends on the location of the mutation within the gene. This variability can be explained by the complexity of the dmd gene, which includes several internal promoters leading to the cerebral expression of several dystrophins of different sizes. In this thesis work, we focused on two dystrophins : the full-length dystrophin (Dp427) normally expressed in muscle and brain and lost by all DMD patients, and the shortest dystrophin, Dp71, major cerebral product of the dmd gene that is absent in a subgroup of patients. These two dystrophins have distinct cellular functions : Dp427, normally interacting with GABA receptors in inhibitory synapses, plays a role in synaptic plasticity, learning and memory. Its loss leads to mild cognitive deficits. Dp71, mostly expressed in perivascular astrocytes, contributes to the anchoring of ionic channels involved in brain homeostasis and also plays a role in glutamatergic synapses. Dp71 loss strongly aggravate the deficits associated with the loss of Dp427 in patients and lead to severe intellectual disability. Genotype-phenotype relationships need be further specified and it is assumed that beyond deficits severity, the actual nature of cognitive alterations, as well as the presence of sensorial, cognitive, executive and neuropsychiatric disturbances, depend on the specific forms of dystrophin affected by mutations. To study the role of these two dystrophins, we used two mouse models : the mdx mouse that only lacks Dp427, and the Dp71-null mouse that only lacks Dp71. A extensive behavioral study allowed us to better characterize the phenotype associated with the loss of Dp427 and Dp71, detailing integrity of perception and processing of auditory sensory stimuli, of emotional responses and stress reactivity, of learning performance, and of components of executive functions, such like spatial working memory and behavioral flexibility. The work has been completed by collaborative studies aimed at characterizing the role of Dp71 in cortical plasticity and at developing gene therapy approaches to rescue Dp427 function in the mdx mouse. We demonstrate that Dp427 loss perturbs GABAergic functions, stress-induced emotional responses, as well as emotional and long-term memories, without major alterations of sensory and executive functions. We also show that a gene therapy based on systemic injections of antisens oligonucleotides holding specific chemistries and crossing the blood-brain barrier enables Dp427 functional rescue by exon-skipping strategy and alleviates emotional disturbances in mdx mice. The loss of Dp71 has a distinct impact : It alters cortical excitation/inhibition balance and plasticity and disrupt learning, behavioral flexibility and working memory in spatial learning tasks. Our study of these mouse models therefore enabled to clarify the genotype-phenotype relationships and neurobiological bases of this disease, and identified valuable phenotypes to validate treatment efficacy in future brain-targeting preclinical studies.

L’objectif était d’évaluer l’efficacité de thérapies développées pour traiter la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD, due à des mutations du gène de la dystrophine) dans la restauration de déficits cognitifs associés à ce syndrome. Deux pistes thérapeutiques visant à compenser les altérations cérébrales liées à la perte de dystrophine ont été explorées chez les souris mdx, modèle de DMD. Une approche pharmacologique basée sur la surexpression de l’utrophine, homologue de la dystrophine, n’améliore pas les déficits comportementaux des souris mdx. Par contre, une intervention génique basée sur l’épissage de l’exon muté conduit à la restauration d’une dystrophine endogène et une récupération d’altérations cérébrales comme l’agrégation des récepteurs GABAA et la plasticité synaptique hippocampique. Ceci suggère un rôle de la dystrophine dans la plasticité du cerveau adulte et l’applicabilité de cette approche de thérapie génique au traitement des altérations cognitives de la DMD. / Therapies have been developed to treat Duchenne muscular dystrophy (DMD, due to mutation in the dystrophin gene), but their ability to restore the cognitive deficits associated with this syndrome has not been yet studied. We explored two therapeutic approaches to compensate for the brain alterations resulting from the loss of dystrophin in the mdx mouse, a model of DMD. A pharmacological approach based on the overexpression of utrophin, a dystrophin homologue, does not alleviate the behavioural deficits in these mice. In contrast, a genetic intervention based on the splicing of the mutated exon leads to the restoration of endogenous dystrophin and a recovery of brain alterations such as the clustering of GABAA receptors and hippocampal synaptic plasticity in mdx mice. These results suggest a role for dystrophin in adult brain plasticity and indicate that this gene therapy approach is applicable to the treatment of cognitive impairments in DMD.

La myopathie de Duchenne est une maladie génétique qui se caractérise principalement par une dégénérescence progressive des muscles squelettiques dont la cause est l’absence de dystrophine fonctionnelle dans les muscles. A ce jour, il n’existe toujours pas de traitement efficace contre ces maladies. Comme le plus grand gène connu chez l’Homme, la dystrophine code pour une protéine de 427kDa. La protéine connecte l’actine avec le DAPC (Dystrophin Associated Protein Complex) dans les muscles striés. Pour l’instant, il y a 3 hypothèses concernant le mécanisme du DMD. L’absence de la dystrophine peut supprimer le lien physique entre les protéines structurales de la membrane basale (laminines) et les protéines structurales du cytosquelette (filaments intermédiaires et actine), ou la distribution et la fonction des canaux ioniques, ou des voies de signalisation nécessaires à la survie du muscle. Caenorhabditis elegans ne possède qu’un homologue du gène de la dystrophine humaine, le gène dys-1. La protéine DYS-1 présente 37% d’homologie avec la dystrophine humaine. Le double mutant dys-1(cx18) ; hlh-1(cc561) présente une forte dégénérescence musculaire. Comme le sarcomère de C. elegans ressemble au sarcomère de mammifère, C. elegans est modèle pertinent d’étude la maladie. En vue de comprendre la raison du DMD chez les mammifères et chez les vers, le groupe L. SEGALAT a effectué des cribles pour identifier les molécules et les gènes qui peuvent supprimer la dégénérescence musculaire. On a trouvé un gène pkc-2 qui est capable de supprimer la dégénérescence musculaire chez C. elegans. La protéine PKC-2 est l’orthologue de la Protein Kinase C Alpha (PKC) humaine et appartient à la famille du serine/threonine protéine kinase. Afin d’étudier la fonction du gène pkc-2, on a analysé l’expression du gène avec les construits différents in vivo et a utilisé la technique de double-hybride dans la levure. De plus, le crible par EMS (éthane méthyle sulfonâtes) a identifié une molécule sérotonine (5-HT) qui est un neuromédiateur, et supprime partiellement la dégénérescence musculaire des doubles mutants dys-1; hlh-1. La sérotonine a aussi un effet fort sur le mutant pkc-2(ok328), puisqu’elle provoque un phénotype blister. Ça nous permet de rechercher le lien entre la signalisation sérotoninergique et pkc-2. Le crible génétique peut contribuer à la connaissance du rôle pkc-2. […]. Elle sert aussi de plate-forme de voie de signalisation intracellulaire. L’identification de Y59A8A.3 propose la possibilité que pkc-2 modifie la filamin A par l’intermédiaire de la filamin A interacting protéine 1. Le crible génétique par EMS pour rechercher des suppresseurs de l’effet blister de la sérotonine sur les mutants pkc-2(ok328) a donné 8 candidats sur 5000 F1s : cx253, cx254, cx259, cx263, cx267, cx268, cx270, cx276. Les mutations ont été localisées sur les chromosomes par SNP mapping avec une souche de C. elegans très polymorphe, mais le temps a manqué pour leur identification exacte. L’expérience valide notre approche à étudier le lien entre la signalisation sérotoninergique et pkc-2. En résumé, le but de la thèse était de rechercher la fonction du gène pkc-2 dans les mécanismes moléculaires conduisant à la nécrose musculaire en absence de dystrophine. Les résultats présentés dans la thèse apportent des réponses aux questions fondamentales sur pkc-2 et aussi demandent des expériences supplémentaires afin de élucider plus avant les mécanismes de la dégénérescence musculaire dystrophine-dépendante. / Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) is an X-linked progressive muscle disease which is caused by mutations in the dystrophin gene. Until now, there is no effective therapy for DMD. As the largest gene in human beings, it produces a 427-kDa cytoskeleton protein: Dystrophin. Dystrophin links actin and dystrophin associated protein complex (DAPC) in muscles. Currently, there are 3 hypotheses to explain the mechanisms of DMD. They suggest that the absence of dystrophin could lead to periodic muscle cell membrane ruptures, or affect the distribution and function of ion channels, or perturb signal transduction pathways. In Caenorhabditis elegans, there is only one homologue of mammalian dystrophin gene named dys-1, and the nematode protein DYS-1 presents 37% similar to the human one. The double mutant dys-1; hlh-1 exhibits a severe progressive muscle degeneration. The protein composition of the sarcomere has been studied and it has revealed a high degree of similarity with mammalian sarcomere. These allow C. elegans be a relevant animal model to study DMD.To understand why the lack of dystrophin induces muscle degeneration in mammals and worms, and to find new drugs that might help in reducing muscle degeneration, L. Ségalat and his coworkers performed several screens for drugs and genes suppressing muscle degeneration. An interesting gene pkc-2 came out and was considered as a possible regulator in the process of muscle degeneration in C. elegans. The protein that is encoded by this gene in C. elegans is an orthologous of the human gene Protein Kinase C Alpha (PKC), which belongs to the family of serine/threonine specific protein kinases. To study the function of pkc-2, we generated different recombinant constructs, analyzed the expression pattern of pkc-2 with immunocytochemistry, and performed yeast two-hybrid to search for PKC-2 binding partners. In addition, a neurotransmitter serotonin (5-HT) was found by drug screening to be an active blocker of striated muscle degeneration. As C. elegans lacking PKC-2 displays a severe blister phenotype in exogenous 5-HT, studying the correlation between PKC-2 and 5-HT therefore seems to be an opportunity to explore the reasons of muscle degeneration. A genetic screen with EMS (ethane methyl sulfonate) to search serotonin resistant mutant in strain pkc-2 (ok328) would help us study further about the role of pkc-2.In this thesis, different clones myo3::pkc-2 and pkc-2::gfp were made to inject into wild-type animals. The results revealed that pkc-2 expressed intensely in neurons and pharynx, but was not found in body-wall muscles. Mutants dys-1;hlh-1 fed with pkc-2 RNAi did not reduce muscle degeneration statistically comparing to triple mutant pkc-2;dys-1;hlh-1. This indicated that PKC-2 may be dominantly acting in neurons. A yeast two-hybrid screen identified the gene Y59A8A.3, which is a homologue to mammalian filamin A interacting protein 1 isoform 3, as a binding partner of PKC-2. Filamin A is a cytoskeleton protein, anchoring various trans-membrane proteins to the actin cytoskeleton and may also function as an important signaling scaffold. The result suggested that PKC-2 may therefore modulate filamin A activity through the filamin interacting protein 1. Genetic screen by EMS presented 8 candidates named cx253, cx254, cx259, cx263, cx267, cx268, cx270, cx276, which were mapped on chromosomes by SNP mapping using a polymorphic C. elegans strain, but time was too short to identify these genes formally. The experiment also offered possibilities of searching links between PKC-2 and serotonin pathways.In summary, this work studied the gene pkc-2 in order to reveal the function of PKC-2 and its involvement in muscle degeneration. The present results answered some questions about pkc-2, and needed further researches to elucidate the in vivo role of PKC-2 protein and its interaction with other proteins in the mechanism of muscle dystrophy in C. elegans.