Calpaïne 3 est une cystéine protéase retrouvée principalement au niveau du tissu musculaire. Cette enzyme joue un rôle clef dans le maintient de l’intégrité des fibres musculaires. En effet, des mutations au niveau du gène de calpaïne 3 ont été identifiées comme étant responsables d’une dystrophie musculaire autosomale récessive, la LGMD2A (Limb-girdle muscular dystrophy type 2A), caractérisée par une atrophie progressive des muscles des ceintures scapulaires et pelviennes. Nos travaux montrent que calpaïne 3 inhibe l’activité transcriptionnelle de MyoD. Ce facteur de transcription myogénique (MRF) joue un rôle central dans le contrôle de la myogenèse aussi bien au cours du développement embryonnaire que chez un individu adulte au cours du processus de régénération musculaire. Cette diminution d’activité transcriptionnelle a lieu aussi bien dans des cellules myoblastiques (C2C12) que fibroblastiques (C3H10T1/2). Par contre calpaïne 3 ne modifie pas l’activité transcriptionnelle des autres MRFs (Myf5, myogénine ou MRF4). Nous avons pu montrer que calpaïne 3 affecte spécifiquement l’activité transcriptionnelle de MyoD en entraînant une diminution de son niveau protéique (Western-blot, microscopie confocale), sans affecter son niveau d’ARNm (RT-QPCR). De plus, des expériences de détermination de la demi-vie protéique ont pu montrer que calpaïne 3 intervenait sur la dégradation protéique de MyoD. Des expériences sont en cours afin de déterminer si calpaïne 3 hydrolyse directement ou non le facteur MyoD. Nos travaux montrent que l’hydrolyse de MyoD induite par calpaïne 3 représente une voie parallèle à celle du système protéolytique protéasome ubiquitine-dépendant connu pour être impliqué dans sa dégradation. Nous avons également montré qu’une modification de l’expression de calpaïne 3, soit par surexpression soit par inhibition avec des siRNA spécifiques, entraîne une perturbation du processus de différenciation myogénique. Cet effet a été plus particulièrement étudié au sein d’une sous-population de cellules qui reste indifférenciée dans les cellules C2C12 induites en différenciation. Ces cellules, appelées cellules de réserve, s’apparentent aux cellules satellites intervenant dans la régénération musculaire. Nous avons montré que calpaïne 3 participe à la régulation du nombre des cellules de réserve au cours de la différenciation des cellules C2C12. Ce rôle de calpaïne 3 pourrait être lié à son intervention dans la dégradation du facteur MyoD. L’ensemble de ces résultats suggère ainsi que calpaïne 3 pourrait jouer un rôle in vivo dans le maintien d’un stock de cellules satellites au cours de la régénération musculaire. / Calpain 3 (CAPN3) is a calcium-dependent cysteine protease mainly expressed in skeletal muscle. This protease plays a key role in maintaining the integrity of muscular fibers. Indeed, mutations in CAPN3 encoding gene cause limb-girdle muscular dystrophy type 2A, an autosomal recessive muscular dystrophy characterized by progressive atrophy and weakness of the proximal limb muscles. Our work reveals an inhibitory effect of CAPN3 directed against the myogenic regulatory factor (MRF), MyoD. We have shown that CAPN3 inhibits the transcriptional activity of MyoD either in myoblastic cells (C2C12 cells) or in fibroblastic ones (C3H10T1/2 cells). On the contrary, no variation in the transcriptional activity of the other members of the MRFs family (Myf5, myogenin, or MRF4) was observed. CAPN3 affects the transcriptional activity of MyoD by decreasing the quantity of the endogenous protein MyoD (Western-blots, confocal microscopy experiments), without affecting its mRNA level (RT-QPCR). Moreover, half-life determination experiments showed that CAPN3 induce MyoD degradation acts on MyoD by a proteic degradation. Experiments are in progress to determine whether CAPN3 acts directly or not on MyoD. Furthermore, the inhibitory effect of CAPN3 on MyoD is independent of the ubiquitin-proteasome proteolytic pathway that is known to play a role during MyoD degradation. Indeed, MyoD mutants resistant to proteolytic degradation by the proteasome are sensitive to CAPN3 action. Interestingly, we have shown that modifications in CAPN3 expression, induced by overexpression or downregulation (siRNA), cause perturbations in myogenic differentiation. CAPN3 appears as a regulator of myogenic differentiation by modulating the quantity of MyoD available for progressing in differentiation. In addition, we have highlighted a potential role of CAPN3 in maintaining a pool of reserve cells along C2C12 cells differentiation. These cells share numbers of similarities with satellite cells present in the adult muscles. In conclusion, we have shown that CAPN3 acts as a regulatory molecule on myogenic differentiation, and probably have implications in the area of regeneration.

Les cellules souches musculaires adultes, appelées cellules satellites, sont les principaux acteurs de la régénération musculaire et constituent donc un enjeu médical majeur, notamment pour le traitement des dystrophies musculaires. Dans certaines dystrophies, ainsi que dans le vieillissement musculaire, un stress oxydant important associé à une perturbation de l'homéostasie protéique ont été décrits. L'objectif de cette thèse est de déterminer le rôle d'un des seuls systèmes de réparation des protéines oxydées, les enzymes méthionine sulfoxyde réductases ou Msr, dans la fonction des cellules satellites au cours du processus de régénération ainsi que leur rôle dans la protection des fibres musculaires au cours du vieillissement. Nos résultats montrent qu'en absence de Msr, l'augmentation des niveaux d'espèces réactives de l'oxygène et l'accumulation de protéines oxydées entraînent des défauts de prolifération associés à la sénescence des myoblastes primaires en culture. Dans la fibre, nous avons observé une diminution de l'activité des Msr avec l'âge, ce qui pourrait contribuer à l'accumulation de dommages irréversibles présents dans les fibres musculaires âgées. Cette thèse constitue la première étude des protéines Msr dans le muscle squelettique. Nos résultats ont permis d'établir le rôle de la protéine MsrA dans la régulation des cellules souches musculaires au cours du processus de régénération et révèlent qu'une modulation de ce système pourrait représenter une cible thérapeutique intéressante, en complément des thérapies cellulaires déjà utilisées, pour le traitement de désordres musculaires tels que les dystrophies. / Muscle regeneration and the muscle adult stem cells, also known as satellite cells, that are engaged in this process are a major biomedical issue, mainly for the treatment of muscular dystrophies. In some muscular dystrophies as for muscle ageing, an important oxidative stress state and an altered protein homeostasis have been described. The objective of this thesis is to determine the importance of methionine sulfoxide reductase (Msr) enzymes, one of the few enzymatic systems involved in the reduction of protein oxidation, in satellite cells function during regeneration as well as their role in skeletal muscle fibres protection during muscle ageing. Our results show that in the absence of Msr enzymes, cultured primary myoblasts revealed increased reactive oxygen species content and accumulation of oxidised proteins that result in decreased myoblasts proliferative capacities associated to a senescence state. Regarding the study of muscle fibres, we found a decrease in Msr activity during ageing, which could contribute to the accumulation of irreversible damages observed in aged muscle fibres. This thesis is the first study of Msr proteins in skeletal muscle tissue. Our results demonstrate the importance of MsrA enzymes in the regulation of satellite cells function during muscle regeneration and suggest that it could represent an interesting therapeutic target in complement of the cell therapies already used for the treatment of muscle disorders such as muscular dystrophies.

MLK3 est une ser/thr MAP3K qui active la voie de signalisation des MAPKs dans différents types cellulaires. GSK3β interagit et active MLK3 en la phosphorylant sur le residue ser 792. Cependant, le rôle de MLK3 ainsi que l’interaction entre MLK3 et GSK3β n’ont pas été précédemment étudiés dans le muscle squelettique. La croissance post-natale du muscle et la régénération musculaire chez l’adulte sont dépendantes de l’accrétion de myonoyaux, un processus médié par les cellules satellites qui prolifèrent, se différencient puis fusionnent aux fibres préexistantes. Durant ma thèse, j’ai démontré que GSK3β agit en amont de MLK3 pour induire la prolifération des cellules satellites, et cela par l’activation de la voie de signalisation MLK3-p38γ MAPK. In vivo, les muscles de souris déficientes injectés par la CTX montrent une diminution du nombre de cellules satellites prolifératrices Pax7+/ki67+, ainsi qu’une accélération du processus de régénération. En conclusion, mes résultats évoquent un nouveau rôle de MLK3 dans le muscle squelettique pouvant servir pour vaincre les dystrophies musculaire. / MLK3 is a Ser/Thr MAP3K, which activates MAPKs signalling pathways in different cell types. The Ser/Thr kinase GSK3-β directly phosphorylate Ser 792 residue and activate MLK3. Since neither the role of MLK3, nor GSK3-β -MLK3 interaction have been previously investigated in muscle, the aim of my thesis was to elucidate their contribution in the regulation of muscle mass and physiology.Skeletal muscle post-natal growth and adult regeneration relies on satellite cell-mediated myonuclear accretion, during which, activated satellite cells, proliferate, differentiate and fuse with preexisting myotubes.I have demonstrated that in skeletal muscle, GSK3-β acts upstream of MLK3 to induce satellite cells proliferation through the induction of MLK3-p38γ MAPK signalling. Similarly, in vivo CTX-induced TA damage in MLK3 KO mice resulted in decreased number of proliferating Pax7+/ki67+ satellite cells, with a rapid muscle regeneration ability.These data suggest provide a yet unknown role of MLK3 in skeletal muscle tissue that could help in curing age-related muscle dystrophies.

Les macrophages peuvent transiter entre les états pro et anti-inflammatoires, un processus appelé de polarisation. Les molécules sécrétées par les macrophages sont capables d'induire différents profils métaboliques. Les analyses transcriptomiques de macrophages pro et anti-inflammatoires humains ont identifié nouvelles molécules avec un peptide sécrétoire. Parmi ces candidates, les sélénoprotéines étaient l’une des plus exprimés dans les macrophages anti-inflammatoires. Ainsi, nous évaluons l’impact des sélénoprotéines sur la polarisation des macrophages, secondaires à l’inflammation et leur implication au cours de la régénération musculaire. Une fois établi que les cytokines stimulent les transitions des macrophages, nous avons utilisé IFN-gamma et IL10 pour explorer ces différents profils inflammatoires in vitro. Les macrophages dérivés de la moelle osseuse de WT et de sélénoprotéines KO ont été polarisés avec les deux cytokines pour obtenir un phénotype pro et anti-inflammatoire, respectivement. Nos résultats ont montré que, en absence de sélénoprotéines, les macrophages réduisaient leur capacité à migrer d'un état d'activation à l’autre par rapport au contrôle, soulignant ainsi l'importance de ces molécules pour contrôler les états d’alternance des macrophages. Le modèle de lésion en réponse à la cardiotoxine a été utilisé pour examiner, in vivo, la capacité des macrophages à modifier leur phénotype au cours de la régénération du muscle squelettique. Trois jours après une lésion, la population pro est remplacé par une anti-inflammatoire, comme l'a déjà montré l'analyse par cytométrie en flux. Cependant, les modèles de macrophages pro-inflammatoires sélénoprotéines KO étaient présent trois fois plus nombreux relativement à la population anti-inflammatoire, indiquant que ces macrophages n’ont pas acquis le phénotype anti-inflammatoire. De plus, nous évaluons la fonction des macrophages en absence de sélénoprotéines. Suite à la polarisation avec les cytokines, décrites ci-dessus, les expériences ont démontré que les macrophages anti-inflammatoires WT favorisaient la fusion des myoblastes, alors que les sélénoprotéines KO n'étaient pas en mesure de maintenir cette fusion. En conclusion, les sélénoprotéines modulent la polarisation des macrophages, impliquant leur capacité à acquérir différents phénotypes in vitro et in vivo, ainsi que leurs effets sur la fusion des myoblastes / Macrophages can go through transitions between pro and anti-inflammatory states, one process called polarization skewing. Molecules secreted by macrophages are able to induce different metabolic profiles. Transcriptomic analyses of human pro and anti-inflammatory macrophages identified new molecules with a secretory peptide. Selenoproteins were one of the most expressed in anti-inflammatory macrophages. Thus, we evaluate the respective roles of selenoproteins on macrophage polarization parameters in inflammation and their implication in regenerative processes. Once established that cytokines largely spur macrophage transitions we used IFN-gamma and IL10 to explore these different inflammatory profiles in vitro. Bone marrow derived macrophages from WT and selenoproteins KO models were polarized with both cytokines to obtain a pro and anti-inflammatory phenotype, respectively. Our results showed that without selenoproteins, macrophages had impairment of their capacity to switch from one activation state to another as compared with the control, emphasizing the importance of these molecules to control macrophage transitional states. The cardiotoxin injury model was use to in vivo examine the macrophages capability to switch their phenotype during skeletal muscle regeneration. Three days after an injury pro is replaced by anti-inflammatory population, as has already been shown by flow cytometry analysis. However, macrophages from selenoproteins KO presented three-fold increase of pro-inflammatory macrophages while anti-inflammatory population decreased, indicating that they did not acquire an anti-inflammatory phenotype. In addition, we evaluate the macrophage function in absence of selenoproteins. After polarization with cytokines, experiments demonstrated that WT anti-inflammatory macrophages promoted myoblast fusion, whereas selenoproteins KO were not able to sustain their fusion. In conclusion, selenoproteins modulate macrophage polarization implicating their ability to acquire different phenotypes in vitro and in vivo as well as their effects on myoblast fusion

Le muscle squelettique adulte est un tissu avec une grande plasticité étant donné qu’il adapte sa taille suite à la surcharge fonctionnelle et il régénère suite à une lésion. La base de cette plasticité est la myofibre et les cellules souches associées, les cellules satellites (CS). Suite aux stimuli, les CS sortent de la quiescence, elles s’activent, proliférent, s’engagent dans la voie myogénique et fusionnent entre elles ou bien avec la fibre pre-éxistante. Une partie des CS retourne à la quiescence afin de maintenir le « pool » de progéniteurs. Ce projet a pour objectif de mieux caractériser des voies de signalisation responsables des adaptations des CS au cours de la régénération et le l’hypertrophie compensatoire. Srf est un facteur de transcription, particulièrement exprimé dans les muscles. Les gènes cibles de Srf sont des gènes qui participent à la régulation de la prolifération cellulaire et des gènes codant des protéines sarcomériques du muscle ou bien des gènes ayant un rôle dans l’adhésion cellulaire, la migration et l’organisation du cytosquelette. Il a été montré que la perte de fonction de Srf dans la lignée de cellules musculaire C2C12 inhibe leur prolifération et leur différenciation et que Srf contrôle l’expression de MyoD qui est un gène de détermination myogénique. Aucune donnée n’est disponible à ce jour concernant la fonction de Srf dans les CS in vivo. Nous avons généré des souris dépourvues de Srf spécifiquement dans les CS adultes. Les CS ont été recruitées par l’hypertrophie et la régénération musculaire. En parallèle des études ex vivo ont été menées afin de préciser si les phénotypes observés sont cellule-autonomes et afin de disséquer les mécanismes sous-jacents. Nous montrons que la perte de Srf dans les CS affecte fortement les processus de régénération et d’hypertrophie suggérant un rôle de Srf dans le contrôle du destin cellulaire de CS. Nos études montrent que la perte le Srf dans les SC n’affecte pas leur prolifération et leur engagement dans la différenciation myogénique. Par contre, leur motilité et leur capacité de fusion sont fortement réduites. Afin d’identifier les effecteurs de Srf impliqués dans la motilité et le défaut de fusion des CS mutantes, nous avons réalisé des études transcriptomiques et identifié le set de gènes dont l’expression est altérée par la perte de Srf dans des conditions de prolifération et de différenciation. L’analyse des fonctions altérées nous a indiqué que la voie de signalisation du cytosquelette d’actine était perturbée. En effet les CS dépourvues de Srf expriment moins d’actine et présentent une organisation du cytosquelette d’actine perturbée. Des expériences de sauvetage utilisant un modèle de souris permettant la surexpression inductible d’actine alpha dans les CS dépourvues de Srf ont montré que la surexpression d’actine chez les mutants Srf était suffisante pour rétablir partiellement l’organisation du cytosquelette et améliorer les capacités de fusion des CS. De manière intéressante, seule la fusion hétérotypique (entre une cellule contrôle et une cellule mutante), et pas la fusion homotypique (entre deux cellules mutantes), est rétablie par l’expression de l’actine. In vivo, le rétablissement de la fusion hétérotypique restaure la croissance hypertrophique des muscles alors que l’altération de la régénération chez les mutants Srf n’est que faiblement améliorée par la surexpression de l’actine. Cette étude nous a permis d’avoir une vision d’ensemble et mécanistique de la contribution du facteur de transcription Srf dans la biologie des CS et de mettre en évidence l’importance structurale du maintien du cytosquelette d’actine pour la fusion des cellules musculaires. / The adult skeletal muscle is a high plastic tissue as it adapts its size upon overload and it is capable of regeneration upon muscle lesion. The skeletal muscle is composed of a specialized syncytium, the myofiber, which is the functional unit of the muscle and a small population of myogenic progenitors, residing adjacent to the myofibers, termed as satellite cells (SCs). SCs are the muscle-specific stem cells which endow the skeletal muscle with its remarkable capacity to repair and to maintain homeostasis during muscle turnover. In resting adult muscles, SCs are quiescent but they activate upon exposure to stimuli. The activated SCs (myoblasts) proliferate extensively and subsequently differentiate and fuse between them or pre-existing myofibers, a series of cellular events called myogenesis. In parallel to the myogenesis, a reserve population of SCs escapes the myogenic program and self-renews to replenish the SC pool. The current project aims to further characterize the signalling pathways involved in SC functions during muscle regeneration and compensatory hypertrophy (CH). Srf is a muscle-enriched transcription factor with Srf-target genes implicated in cell proliferation, differentiation (sarcomeric proteins), adhesion, migration and cellular cytoskeleton. Studies in C2C12 mouse myogenic cell line showed that Srf loss prevent the myoblast proliferation and differentiation by down-regulating the expression of the myogenic determinant MyoD gene. We used a genetic murine model for adult SC-specific Srf-loss in order to conduct in vivo and ex vivo studies for the Srf role in SCs. Compensatory hypertrophy and regeneration are the two means by which SCs were recruited. We show that loss of Srf in SCs affects the regeneration process and the CH suggesting the Srf role in the SC fate. Srf-depleted SCs display probably no defect in their proliferation and differentiation but reduced capacity in motility and fusion. Transcriptomic analysis revealed altered actin cytoskeleton and signalling. Srf-depleted SCs show reduced actin expression and altered actin cytoskeleton. Rescue of actin expression in Srf-depleted SCs partially restored the cytoskeleton organization and the fusion process. Interestingly by actin overexpression only the heterotypic/asymmetric fusion was established but not the homotypic/symmetric fusion. Therefore actin overexpression restored the hypertrophic growth in the CH (in vivo model of heterotypic fusion) but failed to do so in the regeneration (in vivo model of homotypic fusion). This study contributed to the in vivo investigation of the Srf mechanistic role in adult SCs and underlined the importance of actin cytoskeleton maintenance in the fusion of myogenic cells.

Le muscle squelettique s'adapte en réponse à diverses influences en modulant sa masse et ses propriétés contractiles et métaboliques. Il est ainsi rapporté que l'hypoxie sévère a un effet délétère sur la masse et les capacités oxydatives du muscle, et pourrait ralentir la maturation du phénotype contractile au cours du développement post-natal. Cependant, les mécanismes de contrôle de cette plasticité musculaire ne sont pas clairement identifiés. Le but de ce travail était de déterminer le rôle de l'hypoxie environnementale sur le contrôle de la masse et l'adaptation du phénotype du muscle en croissance (hypertrophie de surcharge du plantaris après ablation de ses muscles agonistes et régénération du soléaire après lésions étendues induites par la notexine). L'exposition hypoxique limite transitoirement l'hypertrophie induite par la surcharge fonctionnelle, tandis qu'elle accentue la fonte musculaire en réprimant la formation et la croissance des néo-fibres au cours des étapes précoces de la régénération. Ces résultats seraient en partie expliqués par la désactivation partielle de la principale voie de protéosynthèse, la voie mTOR, par un mécanisme indépendant d'Akt. Parmi les inhibiteurs endogènes de mTOR étudiés (REDD1, BNIP-3 et l'AMPK), nous montrons que l'activation prononcée de l'AMPK en hypoxie pourrait réprimer l'activité de mTOR au cours de la régénération, alors que le mécanisme responsable de l'inhibition de mTOR n'a pas pu être identifié dans le modèle de surcharge. Le système protéolytique ubiquitine/protéasome-dépendant, évalué à partir de l'expression des atrogènes MURF1 et MAFbx, pourrait également expliquer en partie l'altération de l'hypertrophie de surcharge en hypoxie. Nos résultats soulignent par ailleurs que l'activité des cellules satellites serait réprimée au cours des premiers jours de régénération musculaire, conduisant à réduire la formation et la croissance des myotubes. Malgré cette perturbation précoce de la croissance musculaire, l'exposition prolongée en hypoxie ne limite pas l'hypertrophie de surcharge et la récupération de la masse du muscle lésé. Ceci démontre que les signaux anaboliques induits dans ces deux situations de croissance musculaire l'emportent très largement sur les signaux cataboliques de l'hypoxie. L'analyse des propriétés métaboliques et contractiles met en évidence que l'hypoxie altère les capacités oxydatives du muscle en croissance, mais les mécanismes impliqués dans cette réponse adaptative restent à identifier. Par ailleurs, l'hypoxie ne constitue pas un stimulus métabolique suffisant pour altérer la transition du phénotype contractile du muscle en surcharge et la récupération complète du phénotype contractile du muscle lésé. Elle contribue uniquement à ralentir très modérément et transitoirement l'adaptation phénotypique du muscle en surcharge, et à modifier le profil contractile du muscle durant la phase de dégénérescence musculaire. / Skeletal muscle adapts to various influences, by modulating both its mass and contractile and metabolic properties. It was reported that severe hypoxia impairs muscle mass and oxidative capacities and could reduce the fast-to-slow fiber transition during post-natal development. However, mechanisms involved in muscle plasticity during hypoxia exposure are not clearly identified. This work aimed to determine the role played by ambient hypoxia on the control of muscle mass and muscle phenotype during muscle growth (functional overload-induced hypertrophy of plantaris after removal of its synergist muscles and regeneration of soleus after extensive injury induced by notexin injection). Hypoxia exposure transiently minimizes the overload-induced hypertrophy, while it enhances the muscle-mass loss by repressing the formation and growth of nascent fibers during the early steps of regeneration. These results could be partly due to an impairment of the mTOR signaling activation, the main pathway involved in protein synthesis, independently of Akt. Among the endogenous repressors of mTOR studied (REDD1, BNIP-3 and AMPK), we show that the marked activation of AMPK in hypoxia could repress mTOR activity during regeneration, whereas the mechanism involved in mTOR inhibition remains unknown in the overload model. The ubiquitin/proteasome-dependant system, assessed from expression of the two atrogenes MURF1 and MAFbx, could also partly explain the hypoxia-induced alteration of muscle hypertrophy. Nevertheless, our findings show that activity of satellite cells could be repressed during the first days of regeneration, leading to reduce formation and growth of myotubes. Although muscle growth is early impaired, prolonged hypoxia exposure does not limit the overload-induced hypertrophy and the muscle mass recovery of injured muscle. This demonstrates that anabolic signals induced in these models of drastic muscle growth widely prevail on hypoxia-induced catabolic signals. The analysis of metabolic and contractile properties shows that hypoxia alters oxidative capacities in growing muscle, but mechanisms involved in this adaptive response remain to be elucidated. Moreover, hypoxia is not a sufficient metabolic stimulus to impair the fast-to-slow fiber transition in overloaded muscle, and the complete recovery of the contractile phenotype in injured muscle. It only contributes to transiently and modestly slow down the fast-to-slow fiber shift in overloaded muscle, and to modify the contractile profile of muscle during the degeneration phase.

Le muscle squelettique s'adapte en réponse à diverses influences en modulant sa masse et ses propriétés contractiles et métaboliques. Il est ainsi rapporté que l'hypoxie sévère a un effet délétère sur la masse et les capacités oxydatives du muscle, et pourrait ralentir la maturation du phénotype contractile au cours du développement post-natal. Cependant, les mécanismes de contrôle de cette plasticité musculaire ne sont pas clairement identifiés. Le but de ce travail était de déterminer le rôle de l'hypoxie environnementale sur le contrôle de la masse et l'adaptation du phénotype du muscle en croissance (hypertrophie de surcharge du plantaris après ablation de ses muscles agonistes et régénération du soléaire après lésions étendues induites par la notexine). L'exposition hypoxique limite transitoirement l'hypertrophie induite par la surcharge fonctionnelle, tandis qu'elle accentue la fonte musculaire en réprimant la formation et la croissance des néo-fibres au cours des étapes précoces de la régénération. Ces résultats seraient en partie expliqués par la désactivation partielle de la principale voie de protéosynthèse, la voie mTOR, par un mécanisme indépendant d'Akt. Parmi les inhibiteurs endogènes de mTOR étudiés (REDD1, BNIP-3 et l'AMPK), nous montrons que l'activation prononcée de l'AMPK en hypoxie pourrait réprimer l'activité de mTOR au cours de la régénération, alors que le mécanisme responsable de l'inhibition de mTOR n'a pas pu être identifié dans le modèle de surcharge. Le système protéolytique ubiquitine/protéasome-dépendant, évalué à partir de l'expression des atrogènes MURF1 et MAFbx, pourrait également expliquer en partie l'altération de l'hypertrophie de surcharge en hypoxie. Nos résultats soulignent par ailleurs que l'activité des cellules satellites serait réprimée au cours des premiers jours de régénération musculaire, conduisant à réduire la formation et la croissance des myotubes. Malgré cette perturbation précoce de la croissance musculaire, l'exposition prolongée en hypoxie ne limite pas l'hypertrophie de surcharge et la récupération de la masse du muscle lésé. Ceci démontre que les signaux anaboliques induits dans ces deux situations de croissance musculaire l'emportent très largement sur les signaux cataboliques de l'hypoxie. L'analyse des propriétés métaboliques et contractiles met en évidence que l'hypoxie altère les capacités oxydatives du muscle en croissance, mais les mécanismes impliqués dans cette réponse adaptative restent à identifier. Par ailleurs, l'hypoxie ne constitue pas un stimulus métabolique suffisant pour altérer la transition du phénotype contractile du muscle en surcharge et la récupération complète du phénotype contractile du muscle lésé. Elle contribue uniquement à ralentir très modérément et transitoirement l'adaptation phénotypique du muscle en surcharge, et à modifier le profil contractile du muscle durant la phase de dégénérescence musculaire.

Le muscle squelettique a la capacité de se régénérer suite à une lésion grâce aux cellules satellites qui sont les cellules souches du muscle. Après dommage musculaire, les cellules satellites s’activent, prolifèrent, se différencient et fusionnent afin de reformer le muscle lésé. Cependant les cellules myogéniques ne sont pas les seules cellules impliquées dans la régénération musculaire. Des études précédentes réalisées au laboratoire ont montré chez la souris que les macrophages sont des cellules essentielles à la régénération musculaire. En effet, peu de temps après un dommage musculaire, les monocytes infiltrent le tissu lésé et se différencient en macrophages pro-inflammatoires Ly6Cpos (M1). Ces macrophages stimulent la prolifération des myoblastes et inhibent leur fusion. Puis les macrophages pro-inflammatoires changent de phénotype et deviennent des macrophages anti-inflammatoires Ly6Cneg (M2) qui stimulent la différenciation des myoblastes et les protègent de l’apoptose. Ainsi, en fonction de leur phénotype, les macrophages exercent des rôles trophiques séquentiels sur les myoblastes tout au long du processus de régénération musculaire. Dans la première partie de notre étude, nous montrons in vitro que les macrophages humains soutiennent les différentes étapes de la myogenèse. Les macrophages M1 sont fortement attirés par les myoblastes. De plus ils stimulent la prolifération des myoblastes et inhibent leur fusion. Les macrophages M2 attirent les myoblastes et stimulent leur différenciation permettant ainsi la formation de larges myotubes. En utilisant des anticorps bloquants spécifiques, nous avons identifié plusieurs molécules sécrétées par les macrophages régulant la myogenèse chez l’homme. Nos analyses in vivo chez l'homme confirment nos résultats obtenus in vitro. En effet, les macrophages M1 sont préférentiellement associés aux aires de régénération contenant des myoblastes non différenciés alors que les macrophages M2 sont associés aux aires de régénération contenant des myoblastes en différenciation. Dans un contexte de myopathie dégénérative, nous avons montré que les macrophages adoptent des phénotypes et des fonctions totalement différents des macrophages présents au cours de la régénération musculaire. Nous avons observé chez la souris et chez l’homme, que les macrophages exprimant des marqueurs M1 sont associés à la fibrose et qu’un traitement anti-inflammatoire réduit leur nombre dans le muscle dystrophique murin. Par isolement spécifique et cocultures ex vivo, nous avons montré qu'au cours de la régénération musculaire, les macrophages Ly6Cneg stimulent la production de collagène par les fibroblastes. A l'inverse au cours des myopathies dégénératives, ce sont les macrophages Ly6Cpos qui stimulent fortement l’établissement de la fibrose en agissant directement sur les fibroblastes. De plus, ces macrophages Ly6Cpos, qui régulent négativement les fibroblastes au cours de la régénération musculaire, stimulent la différenciation des fibroblastes et myofibroblastes dans les myopathies. De plus, ils les protègent de l'apoptose, participant ainsi à la persistance de ces cellules fibrosantes. Ainsi, nous avons confirmé chez l’homme in vitro et in vivo, le rôle de support séquentiel des macrophages au cours de la régénération musculaire. De plus, nous avons identifié différents effecteurs sécrétés par les macrophages M1 et M2 impliqués dans la régulation du processus myogénique chez l'adulte. Nous avons également montré que lors des myopathies dégénératives et au cours de la régénération musculaire, les macrophages adoptent un phénotype et des fonctions totalement différents, avec notamment un rôle profibrotique des macrophages pro-inflammatoires. / Skeletal muscle has the ability to regenerate after a chemical or physical injury thanks to satellite cells, the muscle stem cells. After damage, satellite cells proliferate, differentiate and fused to reform muscle. Myogenic cells are not the only on cells involved. Previous studies in the laboratory showed that, in mice, macrophages are crucial for skeletal muscle regeneration. Soon after an injury, macrophages infiltrate damaged muscle and differentiate into Ly6Cpos pro-inflammatory (M1) macrophages. They stimulate proliferation of myoblasts and inhibit their fusion. Then, pro-inflammatory macrophages skew towards a Ly6Cneg anti-inflammatory phenotype (M2). Anti-inflammatory macrophages stimulate differentiation of myoblasts and protect them from apoptosis. Thus, depending on their phenotype, macrophages exert sequential trophic roles on myoblasts throughout muscle regeneration. Here, we showed in vitro that human macrophages also support different steps of myogenesis. M1 macrophages are strongly attracted by mpcs. Moreover, they secrete molecules, which stimulate proliferation of mpcs and inhibit their fusion. M2 macrophages attract mpcs and stimulate differentiation of mpcs in order to form large myotubes. Using specific blocking antibodies, we identified molecules involved in the regulation of myogenesis by M1 and M2 macrophages in a human in vitro system. In vivo analysis of regenerating human muscle sections confirmed our results obtained in vitro. M1 macrophages are preferentially associated with proliferating myogenic cells while M2 macrophages are associated with differentiating myogenic cells. In degenerative myopathies, we showed that macrophages are completely different from those present during skeletal muscle regeneration. We observed in mouse and human that M1 marker-expressing macrophages are associated with fibrosis while anti-inflammatory treatment reduced this population, in association with an improvement of the dystrophic muscle. Isolated Ly6Cneg macrophages exhibit a mixed M1/M2 phenotype. In ex-vivo coculture experiments, we showed that Ly6Cpos macrophages strongly favor establishment of fibrosis by directly acting on fibroblasts while in regenerating muscle, these Ly6Cpos macrophages negatively regulate fibrosis. To resume, we confirm in human the supportive sequential roles of macrophages during skeletal muscle regeneration in vitro and in vivo. Moreover, we identified effectors secreted by M1 and M2 macrophages involved in the regulation of the myogenic process. We also highlight that during muscle regeneration and in degenerative myopathies, macrophages exhibit different phenotype associated with opposite functions, with a pro-fibrotic role for pro-inflammatory macrophages.

Les myopathies nécrosantes auto-immunes (MNAI) appartiennent au groupe des myopathies inflammatoires idiopathiques. Les MNAI sont des maladies musculaires sévères pouvant conduire à un déficit musculaire définitif et handicapant. Pour rétablir une force normale et prévenir le handicap, des traitements prolongés associant corticothérapie et immunosuppresseurs sont nécessaires. Les MNAI sont définies histologiquement par la prédominance de fibres musculaires en nécrose qui contraste avec l’absence ou la faible abondance d'inflammation musculaire. Les mécanismes impliqués dans la nécrose comme ceux impliqués dans les séquelles atrophiques sont en revanche inconnus. Les MNAI peuvent être associées à des auto-anticorps (aAc) soit anti-SRP, soit anti-HMGCR. Ces aAc ciblent des protéines cytoplasmiques ubiquitaires. Leurs titres sont corrélés avec l'activité de la maladie, suggérant ainsi le rôle pathogène de ces aAc. Dans ce travail de thèse, nous avons émis l’hypothèse que les aAc pouvaient être impliqués dans les lésions musculaires observées aux cours des MNAI anti-SRP+ et anti-HMGCR+. Durant cette étude, nous avons eu pour objectifs : (i) de caractériser et de quantifier la nécrose musculaire et l’inflammation associée, ainsi que les mécanismes physiopathologiques impliqués (rôle des aAc) ; (ii) d’analyser la régénération et l’atrophie musculaire et l’effet des aAc sur ces phénomènes. L'analyse histologique des biopsies musculaires des patients MNAI a montré que la proportion des fibres musculaires en nécrose était plus importante chez les patients anti-SRP+. Les taux sériques de créatine phosphokinase étaient corrélés avec la proportion de fibres nécrotiques, montrant ainsi que ce taux est un bon marqueur de l’activité de la maladie. De façon inattendue, une inflammation musculaire était régulièrement observée. En particulier, la densité lymphocytaire T était dans un quart des cas comparable à celle des autres myopathies inflammatoires. Cette densité cellulaire était de plus corrélée au pourcentage de fibres en nécrose. L’infiltrat inflammatoire était néanmoins composé principalement de macrophages. Des macrophages CD68+ iNOS+, impliqués dans des phénomènes de myophagocytoses dans un environnement Th-1 étaient régulièrement observés. Des macrophages avec un phénotype suggérant une activation alternative par l’immunité humorale ont aussi été observés. Dans ce sens, la présence de dépôts de complexe d’attaque membranaire à la surface des fibres musculaires, mais aussi des dépôts de C1q et d’IgG montraient l’activation de la voie classique du complément au cours des MNAI. De plus, la détection des protéines SRP et HMGCR sur certaines fibres musculaires immatures (in vitro et in vivo) suggérait le rôle pathogène des aAc. Concernant les mécanismes de régénération et les phénomènes d’atrophie musculaire, l’analyse des biopsies musculaires a révélé l’importance de l’irrégularité du diamètre des fibres avec une prédominance de petites fibres. Ces petites fibres correspondaient à la fois à des fibres en régénération et à des fibres en nécrose. In vitro, les Ac anti-SRP et anti-HMGCR induisent une atrophie musculaire en augmentant la transcription de MAFbx et Trim63. En outre, l'atrophie des fibres musculaires a été associée à un niveau élevé de cytokines inflammatoires comme TNF, IL-6 et ROS. Concernant l’étude de la régénération musculaire, in vitro, la présence des aAc réduisait la fusion des myoblastes. Ce défaut était associé à une diminution de la production de cytokines anti-inflammatoires IL-4 et IL-13. L’ajout d'IL-4 et/ou d’IL-13 permettait de corriger la fusion des myoblastes. Dans ce travail, les données recueillies convergent pour suggérer le rôle pathogène des aAc anti-SRP et anti-HMGCR dans les lésions musculaires nécrotiques mais aussi dans la régénération musculaire et l’atrophie. Ces données nouvelles soulignent l’importance de traitements ciblés au cours des MNAI. / Immune mediated necrotizing myopathy (IMNM) is recognized as a separate entity among inflammatory myopathies. IMNM is a severe disabling muscle disease requiring prolonged combination of corticosteroid and immunosuppressive drugs. IMNM is morphologically defined by predominant muscle fiber necrosis and no or little inflammation, and is associated with important variation of the size of the fiber. However pathogenic mechanisms involved in muscle necrosis and muscle atrophy are largely unknown. IMNM may be associated with either anti-SRP or anti-HMGCR auto-antibodies (aAbs). The titer of these aAbs, targeting ubiquitous cytoplasmic proteins, is correlated with the disease activity suggesting their pathogenic role. In this thesis, we described the morphology of skeletal muscle alterations occurring in both conditions of anti-SRP+ or anti-HMGCR+ patients, studied the role of the Abs in (i) the necrosis mechanisms and the associated inflammation; (ii) by analyzing the atrophy and the regeneration mechanisms. Muscle histological analysis of anti-SRP+ and anti-HMGCR+ patients showed a random distribution of necrotic fibers that was more pronounced in anti-SRP+ patients. Creatine Phosphokinase levels; myolysis indicator, and muscle regeneration were correlated with the proportion of necrotic fibers. Inflammation was regularly observed in IMNM muscle patients. Macrophages were the most abundant but T cells densities were in a quarter of cases in the same range as myositis controls. CD68+iNOS+ macrophages and a Th-1 immune environment were also observed and involved in ongoing myophagocytosis. Of note, macrophages with alternative activation were also detected. Humoral immunity with activation of the classical pathway of the complement cascade was observed in IMNM. Positive membrane staining for SRP and HMGCR proteins, on some muscle fibers, was detected both in vitro and in muscle biopsies of IMNM patients. An important proportion of small fibers corresponding to both atrophic and regenerating fibers was observed in anti-SRP+ and anti-HMGCR+ patients. In vitro, anti-SRP and anti-HMGCR aAbs induced muscle fibers atrophy and increased the transcription of MAFbx and Trim63. In addition, the muscle fiber atrophy was associated with high level of inflammatory cytokines such TNF, IL-6 and ROS. Muscle regeneration in vitro was also affected by impairing the myoblasts fusion in presence of anti-SRP and anti-HMGCR Abs. This default was associated with a decrease production of anti-inflammatory cytokines: IL-4 and IL-13. Of note, the addition of IL-4 and/or IL-13 totally rescued the fusion. Together those data suggest that these aAbs have a pathogenic effect on muscle. Anti-SRP and anti-HMGCR are involved in muscle atrophy and affect the regeneration. The role of these aAbs in muscle damages occurring in IMNM was highlighted and emphasizes the potential interest of targeted therapies.

La transplantation de cellules souches de muscle possède un grand potentiel pour la réparation à long terme du muscle dystrophique. Cependant, la croissance ex vivo des cellules souches musculaires réduit de manière significative l'efficacité de leur greffe puisque le potentiel myogénique est considérablement réduit lors de la mise en culture. La voie de signalisation Notch a émergé comme un régulateur majeur des cellules souches musculaires (MuSCs) et il a également été décrit que la sur-activation de Notch est crucial pour le maintien du caractère souche des MuSC. Cette découverte pourrait être traduite comme un bénéfice thérapeutique potentiel. Des MuSCs murines ont été fraîchement isolées et ensemencées sur des boîtes de culture recouverte de Dll1-Fc, le domaine extracellulaire de Delta-like-1 est fusionné au fragment Fc humain, afin d'activer la voie de signalisation Notch et avec un IgG hu-main comme contrôle. Nous avons utilisé le rAAV afin d’exprimer le Dll1 spécifique-ment dans les muscles de souris. Les souris P3 ont été traitées avec de l’AAV pendant 3 semaines et 6 semaines afin d’étudier l'effet de Dll1 au cours du développement postnatal. Afin d’étudier le processus de régénération, l'AAV a également été injecté dans les muscles de souris mdx alors que les souris de type sauvage ont été utilisées comme contrôle. Un potentiel caractère souche supérieur (marquée avec le Pax7) est observé dans les cultures des MuSCs qui sont recouverte de Dll1-Fc par rapport à leurs homologues contrôles, par contre le taux de proliférer est réduit. Au cours du développement postnatal, la sur-activation de la voie de signalisation Notch par Dll1 sur les fibres musculaires a été en mesure d'élargir le pool des cellules Pax7+, cependant elle entraîne une diminution de la masse musculaire avec réduction de la taille des fibres et ceci sans affecter l'accumulation des myonuclei. Dans les MuSCs quiescentes (de type sauvage), la sur-activation de la voie de signalisation Notch ne présente pas de réel effet. La surexpression de Dll1 dans le muscle mdx a diminué la masse musculaire et agrandit le pool de cellules souches musculaires, ce-pendant le taux de régénération n'a pas été affecté. L’augmentation des MuSCs est attribuée à une différenciation entravée des cellules souches musculaires. En étudiant la stimulation de la voie de signalisation Notch dans les MuSCs à la fois in vitro et in vivo, nous démontrons que sur-activation de Notch préserve le caractère souche des cellules via l’inhibition de la prolifération et de la différenciation myogénique des MuSCs. / Muscle stem cell transplantation possesses great potential for long-term repair of dys-trophic muscle. However expansion of muscle stem cells ex vivo significantly reduces their engraftment efficiency since the myogenic potential is dramatically lost in culture. The Notch signaling pathway has emerged as a major regulator of muscle stem cells (MuSCs) and it has recently been discovered that high Notch activity is crucial for maintaining stemness in MuSCs. This feature might be exploited and developed into a novel therapeutic approach.Murine MuSCs were freshly isolated and seeded on culture vessels coated with Dll1-Fc, which fused Delta-like-1 extracellular domain with human Fc, to activate Notch sig-naling and with human IgG as a control. The rAAV gene delivery system was em-ployed to express Dll1 in murine muscles. P3 mice were treated with AAV for 3 weeks and 6 weeks to investigate the effect of Dll1 during postnatal development. To investi-gate the regeneration process, AAV were injected into mdx muscles whereas wild-type mice were used as control.Higher potential stemness (marked by Pax7 positivity) was observed in MuSCs grow-ing on a Dll1-Fc surface as compared to their counterparts on the control surface, while their proliferation rate was reduced. During postnatal development, overstimulation of Notch signaling by Dll1 on the mus-cle fibers was able to enlarge the Pax7+ cell pool, while also resulting in decreased muscle mass and smaller muscle fibers without affecting the accretion of myonuclei into the fiber. In quiescent (wild-type) MuSCs, overstimulation of Notch signaling did not have any discernible effect. Overexpression of Dll1 in mdx muscle decreased the muscle mass and enlarged the muscle stem cell pool, while muscle regeneration re-mained unaffected. By investigating Notch stimulation in MuSCs both in vitro and in vivo, we demonstrate that high Notch activity preserves stemness via inhibition of MuSCs proliferation and myogenic differentiation. Our findings point out that the Dll1 molecule, as a canonical Notch ligand, might have a therapeutic potential in cell-based therapies against muscu-lar dystrophies.