Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Les facteurs de croissance de la superfamille TGF-β jouent un rôle dans toutes les étapes de la myogenèse prénatale et régissent l'entretien des muscles adultes. Les protéines morphogénétiques osseuses (BMPs) sont membres de la sous-famille des TGF-β et sont à l’origine de signaux clés régulant le développement musculaire embryonnaire. Cette thèse étudie le rôle de la signalisation BMP dans les cellules souches musculaires, dénommées cellules satellites. J'ai montré qu’après la naissance les BMPs régulent la croissance des fibres musculaires dépendante des cellules satellites. Suite à l’inhibition de la voie BMP, j'ai observé que les précurseurs myogéniques deviennent quiescents et cessent de progresser vers la différenciation, tandis que le traitement avec BMP4 suffit pour réactiver leur programme myogénique. La signalisation BMP affecte aussi la taille du muscle indépendante des cellules satellites. J'ai observé que les BMPs fournissent un signal hypertrophique et protègent de l’atrophie musculaire suite à une dénervation. Dans les conditions précédentes, la voie BMP inhibe l'expression de l’ubiquitine ligase E3, Fbxo30. J'ai analysé l'interaction entre la myostatine et la signalisation BMP. La myostatine est un autre membre de la famille des TGF-β, mais elle se lie à des récepteurs différents de ceux des BMPs. En l'absence de myostatine, l’hypertrophie musculaire dépend entièrement de la signalisation BMP. La dénervation musculaire chez les souris déficientes en myostatine provoque une atrophie, aggravée par l’inhibition des BMPs. Par conséquent, la voie BMP est un signal hypertrophique essentiel dans le muscle adulte qui prédomine sur la signalisation de la myostatine. / Growth factors of the TGF-β superfamily play a role in all stages of prenatal myogenesis and govern adult muscle maintenance. Bone morphogenetic proteins (BMPs) are members of the TGF-β subfamily and are key signals that regulate embryonic and fetal muscle development. This work investigates the role of BMP signaling in muscle stem cells of the postnatal muscle, the satellite cells. I showed that BMPs regulate satellite cell-dependent growth of postnatal fibers and the generation of the satellite cell pool. After inhibition of BMP signaling, I observed that myogenic precursor cells become quiescent and fail to progress towards differentiation, whereas treatment with BMP4 on its own is sufficient to reactivate the myogenic program. BMP signaling also affects the size of the muscle in a satellite cell-independent manner. I found that BMPs provide a hypertrophic signal and protect from denervation-induced muscle atrophy. Under such condition, BMP signaling inhibits the expression of the E3 ubiquitin ligase Fbxo30. I further analyzed the interaction between myostatin and BMP signaling. Myostatin is another member of TGF-β superfamily, but myostatin and BMPs bind to different receptors for signaling. Large muscles in absence of myostatin entirely depend on the presence of BMP signaling. Denervation of muscle in myostatin mutant mice causes a strong muscle atrophy, which is aggravated by the inhibition of BMP signaling. Therefore, the BMP pathway is a fundamental hypertrophic signal in adult muscle and is dominant over myostatin signaling.

In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Gruppen von humanen Myokardproben aus dem interventrikulären Septum mittels elektrophoretischer Verfahren auf Veränderungen in der Zusammensetzung der kontraktilen Proteine untersucht. 6 der insgesamt 38 Proben stammten von gesunden Herzen, die aus technischen Gründen nicht transplantiert werden konnten. 19 der Proben stammten von Patienten, die an einer hypertrophischen-obstruktiven Kardiomyopathie (HOCM) litten und die restlichen 13 Proben von Patienten mit einer valvulären Aortenstenose (AS). Die 32 kranken Herzen befanden sich allesamt im Stadium der kompensierten Hypertrophie, an klinischen Daten waren von diesen Patienten die Ejektionsfraktion (EF), der Durchmesser des interventrikulären Septums (IVS) sowie die linksventrikuläre enddiastolische Füllungsdruck (LVEDP). Die Ejektionsfraktion lag bei allen diesen Patienten mit Werten zwischen 62% und 88% (Mittelwert 73 ± 7%) im Normbereich, zwischen der HOCM- und der Aortenstenosegruppe bestand kein signifikanter Unterschied. Die insgesamt 38 Gewebeproben wurden mittels 3 verschiedener elektrophoretischer Verfahren auf das Vorliegen von 3 verschiedener Veränderungen in der Proteinzusammensetzung untersucht: 1. Mittels 2-dimensionaler Polyacrylamidgel-Elektrophorese (2D-PAGE) wurde der Phosphorylierungsgrad des kardialen Troponin I (cTnI) bestimmt. 2. Mittels 2-dimensionaler Polyacrylamidgel-Elektrophorese (2D-PAGE) wurde eine Analyse der leichten Myosinketten (MLC) durchgeführt, vor allem im Hinblick auf die Frage, ob und inwieweit es zu einer Expression der atrialen leichten Kette vom Typ I (ALC-1) kommt . 3. Mittels Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgel-Elektrophorese (SDS-PAGE) wurde eine Bestimmung der schweren Myosinketten (MHC) vorgenommen, vor allem im Hinblick auf die Frage, ob es im hypertrophierten Myokard zu einer Expression der α-Isoform der schweren Myosinkette (α-MHC) kommt. Für alle dieser drei oben genannten Veränderungen finden sich Hinweise in der Literatur, dass sie möglicherweise eine Rolle bei der Myokardhypertrophie spielen könnten ohne dass bislang eine abschließende Klärung möglich war. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal ein derartig großes, klinisch gut evaluiertes Probenkollektiv von menschlichen Herzen im Stadium der kompensierten Hypertrophie auf das Vorliegen der o.g. Veränderungen untersucht. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Vorliegen von zwei verschiedenen Ursachen (Aortenstenose und hypertrophisch-obstruktive Kardiomyopathie) für die Herzhypertrophie im Probenkollektiv dieser Arbeit. In der Zusammensetzung der schweren Myosinketten (MHC) sowie im Phosphorylierungsgrad des kardialen Troponin I (cTnI) konnten in dieser Arbeit keine signifikanten Unterschiede zwischen dem hypertrophiertem und dem gesunden Myokard gefunden werden. Im Bereich der leichten Myosinketten (MLC) konnte jedoch nachgewiesen werden, dass es in den hypertrophierten Herzen zu einer deutlichen, signifikanten Expression der atrialen leichten Myosinkette (ALC-1) in der Größenordnung von 10,8 ± 1,5 % an der Gesamtmenge der leichten Myosinketten vom Typ 1 (MLC-1) gekommen war. Im Gegensatz hierzu konnte die atriale leichte Kette vom Typ 1 (ALC-1) in keinem der gesunden Herzen nachgewiesen werden. Zudem konnte eine statistische hochsignifikante positive Korrelation (Koeffizient 0,56 nach Pearson) zwischen der Höhe der Ejektionsfraktion und dem Anteil der ALC-1 an der Gesamtmenge der leichten Myosinketten ermittelt werden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der Expression der ALC-1 ein hoher Stellenwert bei der Anpassung an erhöhte hämodynamische Anforderungen zukommt. Die positive Korrelation zwischen der Höhe der ALC-1-Expression und der Ejektionsfraktion weisen daraufhin, dass der ALC-1-Expression zumindest im Rahmen der kompensierten Hypertrophie ein positiver Effekt auf das Myokard zukommt. Dieser Effekt lässt sich anhand von früheren Veröffentlichungen erklären, die z.B. zeigten, dass die ALC-1 über eine Erhöhung der Ablösungsgeschwindigkeit zu einer Beschleunigung des Querbrückenzyklus und zu einer Erhöhung der Verkürzungsgeschwindigkeit und der isometrischen Kraftentwicklung führt. / To assess changes in the composition of contractile proteins we examined human myocardial samples from three different groups by means of electrophoretic analysis. 6 of 38 samples in total have been taken from healthy hearts which could not be transplanted due to technical reasons. 19 of the samples are from patients suffering from hypertophic obstructive cardiomyopathy and the remaining 13 samples from patients with a valvular aortic stenosis. The 32 impaired hearts have all been in the stadium of compensated hypertrophy, the ejection fraction, the diameter of the interventricular septum and the leftventricular enddiastolic pressure were kown. In all patients the ejection fraction was between 62% and 88% (73 ± 7% in the mean), thus in the normal range, there was no significant difference between the hypertrophic obstructive group and the valvular aortic stenosis group. All of the 38 samples have been examined by means of 3 different electrophoretical procedures. 1. 2-dimensional polyacrylamide gelelectrophoresis (2D-PAGE) for assessing the level of phosphorylation of the cardial troponin I(cTnI) 2. 2-dimensional polyacrylamidegelelectrophoresis (2D-PAGE) for analysing the composition of the myosin light chains (MLC)to answer the question whether there is an reexpression of the atrial light chain 1 (ALC-1) and if, to which extent. 3. Sodiumdodecylsulfate polyacrylamide gelelectrophoresis (SDS-PAGE) to assess the composition of the myosin heavy chains to answer the question whether there is an expression of the α-Isoform of the myosin heavy chain (α-MHC)in the hypertrophic myocardium. There are hints in literature that all 3 changes mentioned above could play a role in myocardial hypertrophy but it has not been possible to definitely clarify the role. We have analysed for the first time a great number of clinically well evaluated samples from hypertrophic human hearts in the stadium of compensated hypertrophy regarding those changes. Another important aspect of our work is that in our samples the cause of the hypertrophy have been two pathogenetically different diseases (valvular aortic stenosis and hypertrophic obstructive cardiomyopathy). We could not find any significant differences between the hypertrophic and the nonhypertrophic hearts regarding the level of phosphorylation of the cardial troponin I (cTnI). We proved that in the hypertrophic heart there is a significant expression of the atrial light chain 1 (ALC-1) of about 10,8 ± 1,5 % of the total amount of myosin light chain 1 (MLC-1). In contrast to that there was no atrial light chain 1 (ALC-1) found in the nonhypertrophic hearts. Statistically there is a highly significant correlation (coefficient 0,56 after Pearson) between the level of the ejection fraction and the amount of the atrial light chain 1 (ALC-1) compared to the myosin light chain 1 (MLC-1) in total. These results suggest a highly important role of the ALC-1 expression in the adjustment of the heart to increased hemodynamic demands. The positive correlation between the level of the ALC-1 expression and the level of the ejection fraction suggests a positive effect of the ALC-1 expression on the myocardium during compensated hypertrophy. This effect can be explained by former publications which have shown that the expression of the ALC-1 can lead to an increased speed of displacement hence to an increased shortening velocity and an increased isometric force generation.

L'étirement est un stimulus hypertrophique qui active de nombreuses voies de signalisation similaires à celles mises en évidence lors de l'étude de l'hypertrophie cellulaire. L'objectif principal de mon travail de thèse était de caractériser les évènements moléculaires impliqués dans l'activation des MAPKinases (MAPK), ERK et JNK lors de l'étirement. Nous avons étudié ces protéines par 2 approches différentes. D'une part, nous nous sommes intéressés aux rôles de protéines potentiellement nécessaires à l'activation des MAPK. D'autre part, nous avons cherché à mettre en évidence des interconnexions moléculaires entre les différentes voies de signalisation activées par l'étirement cellulaire, en montrant notamment la formation de complexes protéiques nécessaires à l'activation des différents partenaires. Nous montrons ainsi que deux protéines à activité tyrosine kinase, l'Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) et la Proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2), sont respectivement nécessaires à l'activation de ERK et de JNK lors de l'étirement. Ces cascades de transduction peuvent être dépendantes de la petite protéine G Ras. Bien que les voies des MAPK et de PI3K/Akt soient considérées comme indépendantes, nous montrons également que Akt participe à l'activation de ERK par l'étirement. Enfin, nous avons montré la formation d'un complexe Protein Kinase C (PKC)/Calcineurine nécessaire à l'activation et à la translocation de la PKC lors de l'étirement. Cette étude de différentes voies de signalisation et des interactions protéiques apporte une meilleure connaissance des mécanismes activés par l'étirement cellulaire et permet donc de mieux comprendre la signalisation impliquée dans l'hypertrophie ventriculaire / Cardiomyocyte stretch is a major determinant of ventricular hypertrophy. It stimulates numerous signalling pathways leading to the Mitogen Activated Protein kinases (MAPK) activation. The objective of this thesis was to evaluate the molecular events involved in MAPK ERK and JNK activations during stretch. We studied these pathways by 2 different approaches. We analysed the role of several pivotal proteins involved in ERK and JNK activations and next we evaluated the molecular interactions between different signalling pathways by protein complexes formation induced by stretch and necessary for protein activations. We show that 2 tyrosine Kinases, the Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) and the Proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2) are necessary for ERK and JNK activations respectively during stretch with a possible involvement of the small G protein Ras. MAPK and PI3/Akt pathways are generally considered independent but we show that ERK activation is PI3K/Akt dependent during stretch. Thus, we demonstrate that 2 other pathways are associated since PKC and calcineurin form a complex necessary for PKC activation and translocation. This study of signalling pathways and protein interactions sheds a new light on intracellular pathways leading to MAPK activation and may have implications for the development of new drugs in the management of cardiac hypertrophy and failure

La carence en donneurs de méthyle est assez fréquente dans la période périnatale et au cours du vieillissement. Les donneurs de méthyle alimentaires, l'acide folique et la vitamine B12, influencent la teneur cellulaire en S-adénosylméthionine et S-adénosylhomocystéine et en homocystéine. Le lien entre les donneurs de méthyle et le métabolisme énergétique n'est pas connu, en dépit de leur rôle dans les voies liées à l'épigénétique et la synthèse de molécules méthylées. Nous avons évalué les conséquences d'un régime alimentaire déficient donneur de méthyle, dans le myocarde des ratons au moment du sevrage, soumis à une carence durant la gestation et la lactation. Le régime carencé augmente l'homocystéine plasmatique et S-adénosylhomocystéine myocardique. Les résultats mettent en évidence une cardiomyopathie hypertrophique et un déficit global de l'oxydation des acides gras avec acylcarnitines plasmatiques. Les liens entre le métabolisme des mono-carbones, l'oxydation mitochondriale des acides gras et de cardiomyopathie ont été constatées par des corrélations entre l'homocystéine et les acylcarnitines et le peptide natriurétique de type B. La carence en donneurs de méthyl peut être une condition aggravante de la cardiomyopathie en altérant l'oxydation des acides gras à travers une expression modifiée de PPAR[alpha] et ERR[alpha] et un déséquilibre de l'acétylation / méthylation de PGC1[alpha]. Nous avons montré que l'Hcy et Apo A-I ont été deux facteurs métaboliques déterminants de l'ABI dans une population ambulatoire de volontaires âgés d'une région rurale de la Sicile. L'influence négative de l'Hcy sur Apo A-I et sur le métabolisme des HDL ouvre des nouvelles perspectives sur l'implication de l'Hcy dans la physiopathologie de l'athérothrombose / The deficiency in methyl donors is prevalent in the perinatal period of life and in aging. Dietary methyl donors, folate and vitamin B12, influence the cellular content in Sadenosylmethionine and S-adenosylhomocysteine and increases homocysteine. The link between methyl donors and energy metabolism is not known, despite their role in pathways related to epigenetics and synthesis of methylated molecules. We evaluated the consequences of a diet lacking methyl donors, in myocardium of weaning rats from dams subjected to deficiency during gestation and lactation. The deficient diet increased plasma homocysteine and myocardium Sadenosylhomocysteine. The results evidenced a hypertrophic cardiomyopathy with a global deficit in fatty acid oxidation with increased plasma acylcarnitines. The links between one-carbone metabolism, mitochondrial fatty acid oxidation and cardiomyopathy were ascertained by correlations between hyperhomocysteinemia, short-, medium- and long-chain acylcarnitines, and type-B natriuretic peptide. Methyl donor deficiency may be an aggravating condition of cardiomyopathy by impairing fatty acid oxidation through altered expression of PPAR[alpha] and ERR[alpha] and imbalanced acetylation/methylation of PGC1[alpha]. Finally, in a clinical study we sshowed that the Hcy and Apo A-I were two metabolic factors that influence the « anckle brachial index » in an ambulatory aged Sicilian population. The influence of homocysteine on Apo A-I and HDL metabolism provides new insights on its role on vascular diseases, at a cross-point between atherosclerosis and atherothrombosis

ShcA (Src Homology and Collagen A) est une protéine adaptatrice qui se lie à la partie cytoplasmique de LRP1 (Low Density Lipoprotein-related receptor 1), un récepteur transmembranaire qui protège contre l'athérosclérose. La calcification vasculaire est une complication majeure de cette maladie et ses mécanismes ressemblent au processus d’ostéochondrogenèse. Nous avons étudié le rôle de ShcA endothélial dans la formation des lésions d’athérosclérose ainsi que les rôles de ShcA et LRP1 dans la chondrogenèse. ShcA endothélial participe à la formation des lésions d’athérosclérose in-vivo. En inhibant la NOS endothéliale et activant l’expression de ICAM-1 via ZEB1, ShcA favorise l’adhésion des monocytes. La suppression de ShcA dans les chondrocytes a conduit au développement de souris présentant un phénotype de nanisme par une inhibition de la différenciation hypertrophique des chondrocytes. Ceci conduit également à une diminution du développement de l’arthrose liée au vieillissement. La suppression de LRP1 dans les chondrocytes conduit également à un phénotype de nanisme chez la souris, mais par des mécanismes différents. / ShcA (Src Homology and Collagen A) is an adaptor protein that binds to the cytoplasmic tail of the Low Density Lipoprotein-related receptor1 (LRP1), a trans-membrane receptor that protects against atherosclerosis. Vascular calcification is a major complication of this disease and its mechanisms highly resemble the process of osteochondrogenesis. We studied the role of endothelial ShcA in atherosclerotic lesion formation as well as the roles of ShcA and LRP1 in chondogenesis. Endothelial ShcA participates in the formation of atherosclerotic lesions in-vivo. By inhibiting endothelial NOS and activating the expression of ICAM-1 via ZEB1, ShcA enhances monocyte adhesion. The deletion of ShcA in chondrocytes led to the development of mice with a dwarfism phenotype by inhibiting chondrocyte hypertrophic differentiation. This also led to a decrease in the development of age-related osteoarthritis. The deletion of LRP1 in chondrocytes also led to a dwarfism phenotype in our mouse model, but trough different mechanisms.