Final publication is available at http://dx.doi.org/10.1016/j.nmd.2016.03.001 / 京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第19928号 / 医博第4148号 / 新制||医||1017(附属図書館) / 33014 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 萩原 正敏, 教授 羽賀 博典, 教授 松田 秀一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Les subtélomères forment la transition entre les séquences spécifiques des chromosomes et les répétitions télomériques terminales. Ils semblent capables d’influencer les fonctions télomériques mais les connaissances sur les mécanismes mis en jeu sont encore limitées. Les subtélomères sont pourtant associés à de nombreuses pathologies comme la myopathie facio-scapulo-humérale (FSHD), une dystrophie musculaire secondaire à la contraction de répétitions macrosatellites D4Z4 dans la région subtélomérique 4q35. Afin d’étudier les propriétés de la séquence subtélomérique D4Z4, nous avons créé des constructions reproduisant l’organisation génomique au locus 4q35. Nous avons montré que D4Z4 est capable d’adresser un télomère à la périphérie du noyau. Cette activité est couplée à une activité insulatrice au niveau d’une séquence proximale de 80 pb et est dépendante de CTCF et des Lamines A. De plus, la relocalisation périphérique d’un télomère par D4Z4 s’accompagne d’une réplication plus tardive de celui-ci. Par ailleurs, la recherche de séquences capables de s’opposer à l’effet de position télomérique (TPE) a identifié un élément de 30 pb contenant un site CTCF dans la séquence insulatrice proximale de D4Z4. De même,   l’introduction d’un signal de poly-adénylation entre un gène rapporteur et les répétitions télomériques interfère avec le TPE et est accompagnée d’une diminution d’un transcrit hybride contenant le gène rapporteur et des répétitions télomériques, suggérant un rôle des transcrits télomériques TERRAs dans la régulation du TPE. En conclusion, ce travail a permis de caractériser l’implication de séquences subtélomériques, et notamment D4Z4, dans la régulation des télomères, leur compartimentalisation nucléaire, la réplication ou l’effet de position télomérique. De plus, il apporte un éclairage nouveau sur la physiopathologie de la FSHD et ouvre des perspectives dans la compréhension d’autres pathologies liées aux subtélomères. / Subtelomeres form the transition between chromosome specific sequences and terminal telomeric repeats. They might influence telomeric functions but underlying mechanisms are still unclear. Nevertheless, subtelomeres are associated with a number of human pathologies such as facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD), an autosomal dominant disease secondary to the contraction of an array of D4Z4 macrosatellite repeats in the subtelomeric region 4q35. In order to study the biological function of the D4Z4 sequence, we created contructs that mimic the genomic organization of the 4q35 locus. We showed that D4Z4 is able to localize a telomere at the nuclear periphery. This perinuclear activity was dependant on interactions with CTCF and A type lamins and lied within a 80 bp proximal sequence that harbors an insulator activity. Moreover, the peripheral positionning of a telomere by D4Z4 is accompanied by a late replication timing of the telomere. We also searched for sequences able to counteract telomeric position effect (TPE) and identified a 30 bp element containing a CTCF binding site in the proximal region of D4Z4. In another construct, the introduction of a poly-adenylation signal between a reporter gene and telomeric repeats counteracted TPE. This effect is accompanied by the production of a hybrid transcript encompassing the reporter gene and telomeric repeats, suggesting a role for the TERRAs telomeric transcripts in TPE regulation. This work contibuted to characterize the role of subtelomeric sequences, especially the D4Z4 macrosatellite, in telomere regulation, their nuclear compartimentalization, their replication or the telomeric position effect. We will discuss the implications in the understanding of the pathophysiology of FSHD and other subtelomeric diseases.

La dystrophie facioscapulohumérale (FSHD) est une dystrophie musculaire autosomique dominante, dégénérative et progressive. Les traitements élaborés jusqu'à présent n'ont pas réussi à améliorer le quotidien des patients FSHD. Plusieurs études se sont focalisées sur les mécanismes moléculaires de cette pathologie, néanmoins plusieurs d'entre elles sont contradictoires. La vision actuelle de la FSHD est celle d'une pathologie due à un mécanisme épigénétique complexe et les mécanismes moléculaires responsables de cette pathologie sont encore mal connus. Plusieurs analyses comparatives des profils d'expression des ARNm et des protéines de muscles de patients atteints de FSHD et de contrôles ont permis de montrer que plusieurs gènes impliqués dans le stress oxydant sont dérégulés de façon spécifique dans les muscles FSHD. Nos travaux ont permis de montrer dans la FSHD, aussi bien au niveau systémique, musculaire et cellulaire (cultures primaires musculaires) une augmentation des dommages oxydatifs qui se traduisent par une augmentation des peroxydes lipidiques et protéines oxydées, associés à une altération des défenses antioxydantes. Ce stress oxydant dans les biopsies musculaires et cultures primaires musculaires est associé à un dysfonctionnement mitochondrial. Des analyses plus fines sur l'action des espèces réactives de l'oxygène et leurs sources pourraient contribuer à une meilleure compréhension des bases physiopathologiques de la FSHD et permettre la sélection de thérapeutiques adaptées aux anomalies des patients FSHD. / Facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD) is an autosomal inherited muscular dystrophy. Actually no treatment led to improve the quality of life. Many studies have been focused on the molecular mechanisms of this disease, several of them were contradictory. The present view of the FSHD seems to be due to a complex epigenetic mechanism. Actually, no gene has been identified. Several comparative studies permit the identification of many genes involved in oxidative stress, deregulated in FSHD myoblasts and biopsies in comparison to healthy ones. Analysis of oxidative stress markers show that patients with FSHD present increased oxidative damage in blood as well as in biopsy muscle and muscular primary cell culture associated with altered antioxidant enzyme defenses. Oxidative stress is also associated with mitochondrial dysfunction. Complementary studies focusing in pathway of reactive oxygen species would contribute to a better understanding of pathophysiological bases of FSHD in order to establish a very helpful therapeutics for FSHD patients.

Die autosomal-dominant vererbte facioscapulohumerale Muskeldystrophie (FSHD) ist mit einer Prävalenz von etwa 1:20.000 die dritthäufigste Form der hereditären Myopathien. Erste Beschwerden werden meist in der zweiten Lebensdekade beobachtet. Betroffen sind vor allem die Muskulatur von Gesicht, Schultern, Oberarmen, die Fußhebermuskulatur und die Muskeln des Hüftgürtels. FSHD wird durch einen Gendefekt ausgelöst, der den langen Arm des Chromosoms vier (4q35) betrifft, wobei es zur teilweisen Deletion des polymorphen Abschnitts D4Z4, der für das Protein DUX4 codiert, kommt. Dabei treten unter anderem Störungen in der DUX4-Expression, Veränderungen der myogenen Genexpression, eine Unterdrückung der Muskelzelldifferenzierung und eine Inhibition der Muskelbildung auf. FSHD und eine andere Form der Muskeldystrophie, die Emery-Dreifuss-Muskeldystrophie (EDMD), zeigen trotz unterschiedlicher genetischer Ursachen phänotypisch Ähnlichkeiten in der Ausprägung der Erkrankungen. In früheren Studien zeigte die Kernhülle von EDMD-Myoblasten morphologische Auffälligkeiten. In anderen Untersuchungen waren morphologische Veränderungen der Mitochondrien von FSHD-Patienten festzustellen. Daher wurden elektronenmikroskopische Untersuchungen der Kernhülle und der Mitochondrien von FSHD-Myoblasten durchgeführt und mit der entsprechenden Kontrolle verglichen. Hierfür wurden drei verschiedene Zelllinien-Paare in unterschiedlichen Passagen, das heißt unterschiedlicher Anzahl an Subkultivierungen, eingesetzt, wobei in den höheren Passagen vermehrt morphologische Atypien beobachtet werden konnten. Die eingesetzten Zelllinien differenzieren sich durch verschiedene Parameter wie beispielsweise Alter und Geschlecht der Patienten. Dabei zeigten sich sowohl zwischen den Kontrollzellen als auch zwischen den FSHD-Myoblasten Unterschiede. Im Rahmen der Probenvorbereitung für die Elektronenmikroskopie kamen zwei verschiedene Fixierungsmethoden zum Einsatz: die konventionelle chemische Fixierung, Entwässerung und Flacheinbettung von Kulturzellen und die Hochdruckgefrierung mit anschließender Gefriersubstitution. In Bezug auf die Qualität des Strukturerhalts, die beim Hochdruckgefrieren erreicht wird, wird dieser Art der Fixierung eine Überlegenheit gegenüber allen anderen Verfahren zugeschrieben. Diese allgemeine Aussage kann nicht vollständig auf die Untersuchungen an den Myoblasten übertragen werden. Für die Untersuchung der Kernmembranen sind beide Methoden geeignet, wobei der Abstand zwischen innerer und äußerer Kernmembran nach der HPF-Fixierung schärfer abgebildet wurde. Bei der Darstellung der Mitochondrien zeigten die elektronenmikroskopischen Aufnahmen nach dem Hochdruckgefrieren bessere und schärfere Ergebnisse. Die Kernporen waren bei beiden Fixierungsmethoden gut erkennbar. Beim Vergleich der gesunden und erkrankten Myoblasten wiesen die Kontrollzellen deutlich weniger Auffälligkeiten auf als die Myoblasten von FSHD-Patienten. Innere und äußere Kernmembran verliefen bei den Kontrollzellen meist parallel und die Mitochondrien zeigten in den meisten Fällen eine typische wurmartige, längliche Form mit Cristae. Dies traf sowohl für die konventionelle Fixierung als auch für das Hochdruckgefrieren zu. Die erkrankten Myoblasten wiesen im Vergleich zur Kontrolle bei beiden Fixierungsmethoden deutliche Auffälligkeiten in der Mitochondrien-Morphologie auf. Neben einer oft großen Variationsbreite hinsichtlich Form und Länge war auch das teilweise Fehlen der Cristae festzustellen. Bei Betrachtung der Kernhülle fielen jedoch deutliche Unterschiede zwischen konventioneller und HPF-Fixierung auf. Die äußere Kernmembran der konventionell fixierten FSHD-Myoblasten verlief unregelmäßig und gewellt. Im Gegensatz dazu wies die Kernhülle der HPF-fixierten erkrankten Myoblasten einen erstaunlich parallelen Verlauf auf. Da bei EDMD in vorangegangenen Untersuchungen auch fluoreszenzmikroskopisch Veränderungen der erkrankten Zellen auffällig waren, wurde neben den Methoden der Elektronenmikroskopie das Vorliegen und die Verteilung verschiedener Proteine in FSHD-Myoblasten mittels indirekter Immunfluoreszenz untersucht und mit den Kontrollzellen verglichen. Zur Beurteilung der Kernhülle wurden Antikörper gegen Lamin A/C und Nukleoporine eingesetzt. Die Mitochondrien wurden mithilfe des Antikörpers ANT1/2, der an den Adenin-Nukleotid-Translokator der inneren Mitochondrienmembran bindet, untersucht. Im Gegensatz zu den Untersuchungen an EDMD-Myoblasten waren die Lamine A und C sowie die Kernporen sowohl bei den Myoblasten der FSHD-Patienten als auch bei den Kontrollzellen nachweisbar und gleichmäßig verteilt. Bei der indirekten Immunfluoreszenz mit ANT1/2 zeigten sich Unterschiede zwischen den untersuchten Myoblasten-Paaren. Durch die vorliegenden Ergebnisse ist darauf zu schließen, dass die Myoblasten von FSHD-Patienten Veränderungen Mitochondrien aufweisen. Die Untersuchungen der Kernhülle liefern abhängig von der Fixierungsmethode unterschiedliche Ergebnisse. / The autosomal dominant facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD), with a prevalence of about 1:20,000, is the third most common form of hereditary myopathy. First complaints are usually observed in the second decade of life. Most affected are the muscles of the face, shoulders, upper arms, lower legs and girdle. FSHD is triggered by a gene defect affecting the long arm of chromosome four (4q35), resulting in the partial deletion of polymorphic portion D4Z4 encoding the protein DUX4. This leads to disorders in DUX4 expression, changes in myogenic gene expression, suppression of muscle cell differentiation and inhibition of muscle formation. FSHD and another form of muscular dystrophy, the Emery-Dreifuss muscular dystrophy (EDMD), show phenotypic similarities in the severity of the disease, despite different genetic causes. In previous studies, the nuclear envelope of EDMD myoblasts showed morphological abnormalities. Other studies revealed morphological changes in the mitochondria of FSHD patients. Therefore, electron micrographs of the nuclear envelope and mitochondria of FSHD myoblasts were performed and compared to the corresponding control. For this purpose, three different pairs of myoblasts were used in different passages, that is, different numbers of subcultures, with increased morphological atypia being observed in the higher passages. The cell lines used differentiate by several parameters such as age and sex of the patients. There were differences between the control cells as well as between the FSHD myoblasts. Two different fixation methods were used in sample preparation for electron microscopy: conventional chemical fixation, drainage and flat embedding of cultured cells and high-pressure freezing with subsequent freeze substitution. In terms of the quality of structure preservation achieved in high pressure freezing, this type of fixation is attributed superiority over all other methods. This general statement cannot be completely applied to the investigations on the myoblasts. For the investigation of the nuclear membranes both methods are suitable, whereby the distance between inner and outer nuclear membrane after the HPF fixation was more sharply mapped. In the representation of mitochondria, the electron micrographs after high pressure freezing showed better and sharper results. The nuclear pores were easily recognizable in both fixation methods. When comparing the healthy and diseased myoblasts, the control cells showed significantly less abnormalities than the myoblasts of FSHD patients. The inner and outer nuclear membrane were mostly parallel in the control cells, and the mitochondria in most cases showed a typical worm-like elongated form with cristae. This was true for both conventional fixation and high pressure freezing. FSHD myoblasts exhibited marked abnormalities in mitochondrial morphology compared to controls in both fixation methods. In addition to an often wide range of variation in shape and length there was also noted the partial absence of cristae. When looking at the nuclear envelope, however, there were clear differences between conventional and HPF fixation. The outer nuclear membrane of the conventionally fixed FSHD myoblasts was irregular and wavy. In contrast, the nuclear envelope of HPF fixed diseased myoblasts showed an astonishingly parallel course. Since in EDMD changes in the diseased cells were also noticeable by fluorescence microscopy, in addition to the methods of electron microscopy, the presence and distribution of various proteins in FSHD myoblasts was examined by indirect immunofluorescence and compared with the control cells. To assess the nuclear envelope, antibodies against lamin A/C and nucleoporins were used. The mitochondria were examined using the antibody ANT1 / 2, which binds to the adenine nucleotide translocator of the inner mitochondrial membrane. In contrast to the studies on EDMD myoblasts, the lamins A and C as well as the nuclear pores were detectable and evenly distributed both in the myoblasts of the FSHD patients and in the control cells. Indirect immunofluorescence with ANT1 / 2 showed differences between the investigated myoblasts. The present results suggest that the myoblasts of FSHD patients have changes in mitochondria. The investigations of the nuclear envelope provide different results depending on the fixation method.

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Des difficultés de compréhension interpersonnelles sont régulièrement rapportées par les proches et les patients atteints de Dystrophie Myotonique de type I (DM1) ou de Dystrophie Facio-Scapulo-Humérale (FSHD). Nous nous sommes intéressés à différents facteurs qui peuvent éclairer la présence d’un contresens relationnel au sein des couples (le patient avec son conjoint). Les facteurs étudiés sont : les troubles cognitifs, l’atteinte des mimiques faciales et le style d’attachement de chacun des partenaires. La méthode utilisée est basée en partie sur l’observation de l’interaction (communication verbale et non verbale) au sein des couples lors la réalisation d’une tâche de résolution de problème. Un test de reconnaissance des émotions faciales avec des visages atteints et des visages contrôles a également été construit et proposé à 57 sujets naïfs. Les résultats observés permettent de confirmer que l’atteinte du visage et de la cognition sociale (théorie de l’esprit) ainsi que le style d’attachement des membres du couple jouent un rôle dans les difficultés à se comprendre entre partenaires de l’interaction. Il est important de sensibiliser chacun des partenaires au rôle de la communication non verbale (CNV) dans leur quotidien. La CNV transmet non seulement des informations sur l’état interne (notamment les émotions) de l’autre, mais également sur ses besoins d’attention, de soutien, de support émotionnel. / Interpersonal communication difficulties are regularly reported by individuals suffering from Myotonic Dystrophy type I (DMI) and Facioscapulohumeral muscular Dystrophy (FSHD), and their families. Our study focuses specifically on communication between patients and their spouses. In order to investigate the nature of communication difficulties, cognitive impairment, impaired facial expression and the attachment styles of subjects were examined. Our investigation procedure involved detailed observation of couples’ communication processes (verbal and non-verbal communication) while completing a problem-solving task. Furthermore, we construct a test of facial emotion recognition composed of images from the DM1 and control groups, which was administered to 57 naive subjects. Results enables us to confirm that impaired facial expression, social cognition difficulties (theory of mind) and attachment style play a major role, in the communication and comprehension difficulties reported by patients and their families. A phenomenon of relational misinterpretation seems to occur between patients and their partners. It is therefore important to raise couples’ awareness of the role of non-verbal communication in everyday life. Non-verbal communication not only provides information about an individual’s internal state (such as emotions), but also about his or her needs for attention and emotional support.