Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. [84]-92. Publié aussi en version électronique.

Dans la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC), les muscles périphériques des patients subissent couramment une atrophie non négligeable. Les causes exactes de ce phénomène ne sont pas encore bien comprises, mais l'hypoxémie fait partie des hypothèses les plus souvent mentionnées pour expliquer cette perte de masse musculaire. Aucune étude n'a mesuré directement les effets de l'hypoxie sur la cellule musculaire. Le but de ce projet de maîtrise était donc de documenter la relation entre l'hypoxie et la protéolyse musculaire dans un modèle de myotubes de rat. Nos résultats indiquent que l'hypoxie augmente la protéolyse des protéines contractiles et que le système ubiquitine-protéasome semble impliqué. De plus, l'hypoxie affecte de façon négative et réversible la voie de synthèse protéique IGF-1/PI3K/Akt. Cette étude laisse donc entrevoir que l'hypoxémie que manifeste bon nombre de patients MPOC a le potentiel de contribuer au processus d'atrophie musculaire.

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est une maladie causée par l’absence de dystrophine, qui se manifeste par une dégénérescence progressive des muscles squelettiques et cardiaque. Les garçons atteints ont une espérance de vie d’environ 20 ans. Même si la prise de certains médicaments peut ralentir la progression de la maladie, il n’existe à ce jour aucune thérapie curative. La transplantation autologue de myoblastes génétiquement corrigés peut restaurer l’expression de la dystrophine, mais les myoblastes des patients DMD ont une capacité proliférative très limitée. Leur prolifération nécessite l'immortalisation avec un oncogène viral, un processus augmentant les risques associés à la transplantation de myoblastes. Les protéines fusionnées au domaine de transduction de Tat peuvent transduire les cellules en culture et plusieurs tissus in vivo. La transduction de protéines pourrait s’avérer utile dans le développement de nouvelles approches thérapeutiques. Nos objectifs étaient de tester la capacité des protéines de fusion Tat à transduire les fibres musculaires, de mieux comprendre le mécanisme de transduction, d’optimiser le ciblage efficace des cellules en culture et de développer des outils permettant l’immortalisation transitoire des myoblastes avant leur transplantation. In vivo, nos travaux indiquent que les fibres musculaires résistent à l’internalisation des protéines de fusion Tat, qui se retrouvent en périphérie associées à la matrice extracellulaire. In vitro, la distribution intracellulaire ponctuée, la cinétique d’internalisation, la sensibilité aux basses températures et l’augmentation fonctionnelle exercée par les agents lysosomotropiques révèlent un mécanisme d’endocytose classique. Ces données suggèrent que les protéines de fusion Tat, entrent par la voie endosomale, évitent les lysosomes, et sont ensuite séquestrées en périphérie du noyau. Un trafic intracellulaire inadéquat serait le principal facteur limitant l’efficacité de l’internalisation fonctionnelle des cargos fusionnés au domaine de transduction de Tat. Cette meilleure compréhension du mécanisme d’internalisation des protéines de fusion Tat, nous permit de développer une méthode efficace pour immortaliser de façon réversible les myoblastes d'un patient DMD. En utilisant un protéine de fusion Tat-Cre, nous avons déimmortalisé des myoblastes DMD transformés par l'AgT flanqué de sites LoxP. Cette technique permet de proliférer extensivement les myoblastes DMD, tout en rendant plus sécuritaire la déimmortalisation. / Duchenne muscular dystrophy (DMD) is caused by the absence of dystrophin and leads to progressive weakness in heart and skeletal muscles. Affected boys can only hope to live for 20 years since there is still no effective therapy for DMD. Autologous transplantation of genetically modified myoblasts can restore dystrophin expression, but the rapid death, the specific immune response and limited cellular migration severely limit the efficiency of the treatment. Immortalization, although a risky procedure, is necessary to proliferate myoblasts isolated from dystrophic patients, since by age five; their myogenic cells are practically senescent. Proteins and cargos fused to the Tat protein (HIV) can be internalized in cells and living tissue. The mechanism of Tat internalization is still misunderstood and controversial. Our objectives were to test the susceptibility of muscle fibers to be transduced by Tat fusion proteins, to better understand the mechanism of entry of Tat fusions, to optimize intracellular delivery and to develop techniques allowing the immortalization reversal of myoblasts using Tat-fusion proteins. The low susceptibility of muscle fibers to be transduced and the strong interaction between Tat-fusion proteins and the extracellular matrix surrounding muscle fibers resulted in poor protein delivery. Our work shows that the nuclear localization signal comprised in Tat is not sufficient to confer nuclear delivery to eGFP. The punctuate intracellular distribution, the internalization kinetics, the inhibitory effect of low temperatures and the functional increase exerted by lysosomotropic agents are coherent with a classical endocytosis internalisation mechanism. Our data suggests that Tat-fusion proteins proceed through the endosomal pathway, avoid lysosomes and are then sequestered in the periphery of the nucleus. Hence, improper intracellular trafficking is the main factor limiting the efficiency of Tat-mediated protein internalization. With a better understanding of this internalization mechanism, we were able to optimize the delivery of a Tat-Cre fusion protein to mediate the complete and efficient removal of an oncogene necessary for the proliferation of myoblasts isolated from DMD patients. Therefore this technique should help in the design of a successful treatment based on the autologous transplantation genetically-modified cells.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le vieillissement musculaire (sarcopénie) conduit inéluctablement à une perte d'autonomie, et à une moindre capacité à lutter contre les agressions métaboliques. Or, les mécanismes mis en jeu sont complexes et restent mal connus. Ainsi, au cours de cette thèse, une étude protéomique comparative a été développée afin d'identifier de nouveaux biomarqueurs potentiels de la sarcopénie chez la femme âgée post-ménopausée, et 73 protéines exprimées différentiellement dans le muscle âga ont été identifiées. En plus des altérations du muscle squelettique, l'âge est connu comme étant un facteur favorisant l'apparition du syndrome métabolique (SM), facteur de risque pour les maladies cardiovasculaires et le diabète de type II. Cependant, les effets du SM sur le muscle squelettique des personnes âgées sont peu décrits dans la littérature. Des marquages immunohistologiques ont été réalisés à partir de biopsies du muscle vastus lateralis provenant de personnes jeunes (25 ans) et âgées avec ou sans SM (75 ans), afin de décrire les altérations structurales et fonctionnelles du muscle squelettique liées à l'âge et au MS. Les résultats montrent une atrophie des fibres de type II ayant une déformation accrue lors du vieillissement. Chez les personnes âgées atteintes de SM, l'aire des fibres est augmentée par rapport aux personnes âgées contrôles, et une forte diminution de l'activité cytochrome c oxydase a été observée. De plus, le vieillissement et plus particulièrement le SM sont associés à une forte accumulation de lipides intramusculaires. Enfin, alors que peu de différences ont été observées chez les personnes âgées contrôles, le contenu en capillaire est fortement altéré chez les individus atteints de SM. Par la suite, une étude protéomique comparative a permis d'identifier 42 biomarqueurs potentiellement impliqués dans le vieillissement musculaire et/ou dans le syndrome métabolique. L'ensemble des résultats obtenus au cours de cette thèse devrait permettre d'améliorer notre compréhension des facteurs impliqués dans le développement de la sarcopénie, et pourrait permettre d'identifier à la fois de nouvelles voies de régulation et suggérer des cibles thérapeutiques potentielles. / Muscle aging (sarcopenia) contributes to both loss of autonomy and decreased capacity to prevent metabolic aggressions, but the mechanisms involved are complex and remain unclear. Therefore in this thesis, we have undertaken a top-down differential proteomic approach to reveal novel potential biomarkers of sarcopenia, and 73 differentially expressed proteins were identified. In addition to alterations of skeletal muscle, aging favors metabolic syndrome (MS), a risk factor for cardiovascular disease and type II diabetes. However, the effects of MS on skeletal muscle in old individuals have poorly been investigated. Immunohistochemical studies were performed with vastus lateralis muscle biopsies from young (25 years) and old (75 years) men with and without MS, to reveal the importance of age-dependent and MS-associated modifications on fiber-type characteristics. An atrophy of type-II fibers and altered fiber shape characterized muscle aging in lean healthy men. In contrast, increased cross sectional area of fibers, and reduced cytochrome c oxidase activity in all fiber types characterized MS, even in active elderly men. Moreover, aging and particularly MS were associated with accumulation of intramyocellular lipid droplets. Finally, while few differences were observed in lean healthy men, the capillary supply was strongly altered in old men with MS. Thereafter, a differential proteomic approach identified 42 potential biomarkers implicated in muscle aging and/or in metabolic syndrome. Overall the results obtained in this thesis may improve our understanding of the factors influencing sarcopenia, and may both identify new regulatory pathways and provide potential therapeutical targets.

Ce travail de thèse s'est consacré à la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques à partir d'images médicales. Une première partie se concentre sur l'anatomie cardiaque avec une étude statistique de l'architecture des bres musculaires du c÷ur à partir d'IRM de tenseur de di usion. Dans la deuxième partie est proposée une comparaison la fonction cardiaque de di érents patients ou du même patient a di érents instants par le recalage spatiotemporel de séquences 4D CT. La complexe organisation des bres musculaires cardiaques a un rôle très important dans le comportement électrique et mécanique du c÷ur. Pour étudier cette architecture des bres, nous avons proposé de nouveaux outils algorithmiques d'analyse statistique d'IRM de tenseurs de di usion. La nouveauté de cette approche est de réaliser cette analyse statistique directement sur les tenseurs de di usion l'a où la plupart des études statistiques se font sur des vecteurs ou angles d'orientation décrivant les directions des bres et des feuillets. La variabilité de l'orientation des bres et des feuillets est ensuite directement donnée par la matrice de covariance des tenseurs de di usion de laquelle sont extraites les variabilités des vecteurs propres. L'application de ces outils a une base de données d'IRM de tenseur de di usion de c÷urs de chiens acquis ex vivo a permis d'obtenir un atlas de l'architecture des bres mais aussi de révééler une cohérence de l'orientation des bres et une plus grande variabilité de l'orientation des feuillets. Ensuite, nous avons comparé l'atlas de c÷urs de chien à un c÷ur humain et un modèle synthétique couramment utilisé pour des simulations électromé- caniques ou l'analyse d'images cardiaques. Le c÷ur humain s'est révélé plus proche des c÷urs de chien au niveau de l'orientation des bres que de celle des feuillets. Le modèle synthétique quant à lui s'est montré trop simple pour décrire en détails la complexité de l'architecture des bres. L'acquisition de séquences d'images cardiaques permet d'observer le mouvement cardiaque et donc sa fonction. Nous avons proposé un nouvel algorithme de recalage nonlin éaire spatiotemporel de séquences d'images qui permet de comparer cette fonction cardiaque. Le recalage temporel assure la mise en correspondance d'instants physiologiques similaires. Le recalage spatial quant à lui doit assure une cohérence entre le mouvement des points physiques intra-séquence et leur mise en correspondance inter-séquence. Cette cohérence est assurée par les contraintes de trajectoires liant les transformations intras équences décrivant le mouvement cardiaque aux transformations inter-séquences décrivant les di érences anatomiques au cours du temps. Sous ces contraintes de trajectoires, le recalage spatial 4D est simpli é en un recalage multicanal 3D résolu avec une nouvelle version des Demons Di eomorphes Multicanaux. Cette méthode de recalage spatiotemporel est appliquée au recalage inter-sujet de séquences 4D CT pour évaluation. Comparée a d'autres techniques existantes, cette technique de recalage s'est révélée le meilleur compromis en terme de précision, de régularité spatiale et temporelle, mais aussi de temps de calcul. Un exemple d'application possible du recalage spatiotemporal est proposé avec la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques avant et après thérapie.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 92-112. Publié aussi en version électronique.

Pw1/Peg3 est un gène d’empreinte parental exprimé par l’allèle paternel. Il est exprimé dans l’ensemble des populations de cellules souches, y compris les cellules satellites du tissu musculaire. Nous avons découvert que la perte constitutive de Pw1/Peg3 entraîne une perte de la masse musculaire, résultat d’une diminution du nombre de fibres musculaires. Le nombre de fibres réduit est présent dès la naissance. De plus, les souris double KO ont un nombre de fibres encore inférieur, suggérant que l’allèle maternel est fonctionnel pendant le développement pré-natal, et des analyses de souris hybrides C57BL6J/CAST/Ei révèlent une expression bi-allélique de Pw1/Peg3 d’environ 10%. Pw1/Peg3 est également fortement exprimé après blessure du muscle squelettique. Chez les souris Pw1/Peg3 KO, nous avons observé que les cellules satellites montrent une réduction de leur capacité d’auto-renouvèlement à la suite d’une blessure. Pw1/Peg3 est également exprimé dans une sous-population de cellules souches interstitielles, les PICS. Afin de déterminer le rôle spécifique de Pw1/Peg3 dans les cellules satellites nous avons croisé notre allèle conditionnel Pw1/Peg3 avec la lignée Pax7-Cre-ER. Ces souris ont un phénotype présentant un défaut de régénération prononcé, montrant ainsi un rôle clair et direct de Pw1/Peg3 dans la fonction régénératrice des cellules satellites. En résumé, l’ensemble de ces données montre un rôle de Pw1/Peg3 dans le développement fœtal et la détermination du nombre de fibres musculaires par son action dans l’auto-renouvellement des cellules satellites du tissu musculaire. / Pw1/Peg3 is a parentally imprinted gene expressed from the paternal allele. It is expressed in all adult progenitor/stem cell populations examined to date including muscle satellite cells. We examined the impact of loss-of-function of Pw1/Peg3 in skeletal muscle, a tissue that greatly contributes to body mass. We found that constitutive loss of Pw1/Peg3 results in reduced muscle mass resulting from a decrease in muscle fiber number. The reduced fiber number is present at birth. Mice lacking both the paternal and maternal alleles display a lower fiber number as compared to mice carrying the paternal deletion, suggesting that the maternal allele is functional during prenatal development. Hybrid analyses (C57BL6J and Cast/Ei) of muscle tissue reveal a bi-allelic expression of Pw1/Peg3 around 10%. Pw1/Peg3 is strongly up-regulated in response to muscle injury. Using the constitutive Pw1/Peg3 knock out mouse, we observed that satellite cells display a reduced self-renewal capacity following muscle injury. Pw1/Peg3 is expressed in satellite cells as well as a subset of muscle interstitial cells (PICs). To determine the specific role of Pw1/Peg3 in satellite cells, we crossed our conditional Pw1/Peg3 allele with the Pax7-CreER line. Interestingly, these mice displayed a more pronounced phenotype of impaired regeneration revealing a clear and direct role for Pw1/Peg3 in satellite cells. Taken together, our data show that Pw1/Peg3 plays a role during fetal development in the determination of muscle fiber number that is gene-dosage dependent and plays a specific role in muscle satellite cell self-renewal.

Les "Bone Morphogenetic Proteins" (BMPs) jouent un rôle clef dans la régulation de cellules précurseurs du muscle prénatal et de cellules souches musculaires adultes dénommées "cellules satellites". Les objectifs principaux de ma thèse étaient d'une part de déterminer si la signalisation BMP joue un rôle pendant la phase de croissance du muscle postnatale/juvénile dépendante des cellules satellites, et d'autre part d'investiguer si cette voie est impliquée dans la maintenance de la masse musculaire squelettique adulte. J'ai trouvé que les composants de cette voie de signalisation sont exprimés dans les cellules satellites de souris néonatales, juvéniles et adultes. Par ailleurs, j'ai utilisé des lignées de souris transgéniques pour surexprimer, de manière conditionnelle, l'inhibiteur Smad6 de la cascade de signalisation BMP dans les cellules satellites ou dans le muscle squelettique. J'ai pu ainsi démontrer que cette signalisation est requise pour une prolifération correcte des cellules satellites et pour leur différentiation en myonuclei, assurant que les fibres musculaires en croissance atteignent une taille finale normale. Par ailleurs, mes travaux révèlent que le nombre final de cellules satellites est établis pendant la phase de croissance postnatale/juvénile et que celle-ci dépend de la cascade de signalisation BMP. Enfin, je fournis des preuves montrant que la signalisation BMP est un puissant signal hypertrophique dans le muscle squelettique adulte et que sa présence est indispensable pour le maintien du tissu musculaire. En résumé, mes résultats de recherche démontrent que les BMPs sont des facteurs de croissance essentiels pour le muscle squelettique postnatal. / Bone Morphogenetic Proteins (BMPs), a subfamily of TGF-β growth factors, have been shown to be key signals that regulate embryonic and fetal muscle precursors during prenatal myogenesis, as well as the stem cells of adult muscle, termed ‘satellite cells’, when activated during muscle regeneration. The main aims of my thesis were to elucidate whether BMP signaling plays a role during postnatal/juvenile satellite cell-dependent muscle growth as well as for maintenance of adult muscle mass. I found that components of BMP signaling pathway are expressed in muscle satellite cells of neonatal, juvenile and adult mice. I used transgenic mouse lines to conditionally overexpress the BMP signaling cascade inhibitor Smad6 in muscle satellite cells and in differentiated skeletal muscle. I show that BMP signaling is required for correct proliferation of muscle satellite cells and their differentiation into myonuclei, thereby ensuring that the growing muscle fibers reach the correct final size. Moreover, I demonstrated that the final number of muscle stem cells is established during the postnatal/juvenile growth phase and this also depends on the BMP signaling cascade. Finally, I provide evidence that BMP signaling is a strong hypertrophic signal for the adult skeletal muscle and its presence is indispensable for muscle tissue maintenance. In summary, my findings demonstrate that BMPs are essential growth factors for postnatal skeletal muscle.