Facioscapulohumeral muscular dystrophy(FSHD) is a disorder characterized by muscle weakness and wasting (atrophy). This disease is typically inherited as autosomal dominant and has a complex genetic and epigenetic etiology. Our collaborator had differentiated healthy human pluripotent stem cells(iPSC) into skeletal muscles and exploited ISO-Seq to explore cell gene expression and transcript alternative splicing usage profile during 8 differentiation stages. Later, stage specific gene differential expression, transcript alternative splicing, gene ontology and novel gene/transcript were analysed to characterize the feature of each stage during the differentiation. In terms of expressed genes with more than or equal to 5 transcripts, each stage had shown their own stage specific features. About transcripts, iPS, S1, ADM.D0, ADM.D4 have about 30% to 40% more total transcripts than the rest 4 stages. 4 kinds of alternative splicing events are generally distributed and S2 stage has the least alternative splicing events potentially due to technical reasons. As for gene differential expressions, ADM.D4 has considerable amount of differential expressed genes with 5 other stages and it has minor difference with ISM.D4 and S3 stages(they are all myotubes cells). The gene ontology analysis is performed according to the results of previous step, stage specific GO terms are revealed.

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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La dystrophie facio-scapulo-humérale (FSHD) est une maladie autosomique dominante fréquente et mystérieuse sur le plan clinique, moléculaire, et physiopathologique. Elle se caractérise par une atteinte sélective facio-scapulo-humérale débutant à l'adolescence et d'évolution descendante mais la variabilité clinique est extrême et les défauts de pénétrance existent. La FSHD1 définit le phénotype FSHD associé à la contraction du macrosatellite répété D4Z4 dans la région subtélomérique 4q35, à moins de 11 unités répétées. Plusieurs variants génomiques associés en cis et constituant des haplotypes permissifs sont requis pour le développement de la FSHD. La FSHD2 est un variant épigénétique de la FSHD1 qui n'est pas associé à la contraction de D4Z4. La physiopathologie de la FSHD fait intervenir des mécanismes épigénétiques complexes encore mal connus. Aucun gène majeur n'a fait preuve de sa responsabilité, même si le rétrogène DUX4 contenu dans D4Z4 semble contribuer à la pathogenèse. La méthode diagnostique universelle, le Southern blot sur ADN génomique, est insatisfaisante car elle pose des difficultés techniques et de nombreux problèmes d'interprétation, notamment dans les cas complexes des variants non canoniques tels les mosaïques somatiques, les translocations de D4Z4, les délétions proximales. Dans ce travail, nous avons mis au point une nouvelle approche diagnostique basée sur la technique du peignage moléculaire de l'ADN génomique. Cette technologie a pour principe d'étirer uniformément et de fixer les molécules d'ADN sur une lame, et d'hybrider des sondes fluorescentes dont la combinaison détermine un code-barre génomique spécifique de la région d'intérêt. / Facio-Scapulo-Humeral Dystrophy (FSHD) is one of the most common muscular dystrophy with selective involvement of facial and scapular fixator muscles starting in teenage and a descending progression. Inheritance is autosomal dominant, with frequent de novo cases, extreme clinical variability and incomplete penetrance. FSHD1 is defined by the FSHD phenotype associated with the contraction of the polymorphic macrosatellite repeat D4Z4 on chromosome 4q35. In FSHD patients, several genomic factors have to co-segregate including a reduced number of D4Z4 copies fewer than 11 units and genomic variations in cis all together defining permissive haplotypes. FSHD2 is an epigenetic variant, which is not associated with contraction of D4Z4. Pathogenesis of FSHD is complex and involves epigenetic mechanisms still not well known. Inappropriate expression of the retrogene DUX4 has been recently implicated in the pathogenesis of FSHD. The most common diagnostic method, based on Southern blotting of genomic DNA is unsatisfactory because of the numerous problems in interpreting the results, particularly in complex cases such as somatic mosaics, translocated D4Z4 arrays, and proximal deletions. We developed a novel diagnostic approach based on molecular combing of genomic DNA. In this technology, hundreds of single molecules of DNA are uniformly combed and fixed on a slide and subsequent hybridized with a set of fluorescent probes. The combination of specific probes determines a genomic morse code that is specific of the genomic region of interest. Molecular combing allows visualizing large regions of genomic DNA with a high resolution (1 kb) at the scale of a single molecule.

La dystrophie Facio-Scapulo-Humérale est caractérisée par une faiblesse musculaire progressive et asymétrique. Elle affecte principalement les muscles faciaux, scapulaires et huméraux. L’association de plusieurs évènements épigénétiques à trois facteurs génétiques de la région subtélomérique du chromosome 4 résulte en un changement dans l’organisation chromatinienne la rendant permissive à l’expression aberrante des gènes de la région 4q35. Les myoblastes DFSH présentent des défauts de différenciation in vitro et des dérégulations dans des voies majeures comme celle de la réponse cellulaire au stress oxydant et de la différenciation myogénique. L’enjeu génétique et épigénétique complexe dans la DFSH et les limitations de la thérapie cellulaire dans son contexte laissent la DFSH jusque-là incurable. Toutefois les avancées dans les thérapies cellulaires et génétiques des myopathies ouvrent des horizons pour de futures applications dans le cadre de la DFSH.Le travail de thèse s’articule autour de trois thématiques. Premièrement, nous démontrons la faisabilité de la correction phénotypique et fonctionnelle des myotubes DFSH in vitro par la fusion de 50% de myoblastes normaux avec des myoblastes DFSH. Ensuite, nous évaluons deux approches d’édition génomique. Dans la première approche, nous ciblons le site de rattachement du chromosome 4 à la matrice nucléaire, FR-MAR avec la protéine CTCF à l’aide du système CRISPR/dCas9 en vue du rétablissement de l’organisation chromatinienne et de la fonction isolatrice de FR-MAR. Dans la deuxième, nous échangeons par translocation les régions homologues 4q35 et 10q26 dans le but de corriger les myoblastes DFSH comme les trois facteurs génétiques du locus 4q35 ne sont pathogéniques que sur un fond génétique lié au chromosome 4. Finalement, nous étudions le rôle du stress oxydant dans la DFSH. / Facio-Scapulo-Humeral dystrophy is characterized by progressive and asymmetrical muscle weakness. It mainly affects the facial, scapular and humeral muscles. The association of several epigenetic events with three genetic factors of the subtelomeric region of chromosome 4 results in a chromatin organization modification making it permissive to the aberrant expression of genes in the 4q35 region. FSHD myoblasts exhibit differentiation defects in vitro and dysregulations in major pathways such as the cellular response to oxidative stress and myogenic differentiation. The limitations of cell therapy and the complex genetic and epigenetic interplay in FSHD leave it, till now, incurable. However advances in cellular and genetic therapies of myopathies open up new horizons for future applications in the FSHD context. The thesis work is structured around three themes. First, we demonstrate the feasibility of phenotypic and functional correction of FSHD myotubes in vitro by fusing 50% of normal myoblasts with FSHD myoblasts. Next, we evaluate two genomic editing approaches. In the first one, we target the site of attachment of chromosome 4 to the nuclear matrix, FR-MAR with the CTCF protein using the CRISPR / dCas9 system for the purpose of restoring the chromatin organization and the insulating function of FR-MAR. In the second one, we exchange the homologous regions 4q35 and 10q26 by translocation in order to correct the FSHD myoblasts as the three genetic factors of the 4q35 locus are pathogenic only on a genetic background linked to chromosome 4. Finally, we study the role of the oxidative stress in the FSHD.