La régénération du muscle fait appel à des cellules souches spécialisées mais elle nécessite également une action coordonnée d'éléments et de cellules du stroma et des tissus de soutien. L'étude de la régénération musculaire ne peut se borner à la seule étude de l'activation, la prolifération et la différenciation des cellules souches musculaires. L'objectif de mon travail de thèse a été d'approcher les mécanismes qui participent à la régénération harmonieuse du muscle à côté des cellules satellites à savoir les différents éléments cellulaires des tissus de soutien et aussi le stroma au travers de l'étude de la chimiokine CXCL12 et de son ancrage à la matrice extra-cellulaire musculaire. Dans un premier temps, nous avons fait le constat que les modèles de lésions musculaires étaient nombreux et étaient utilisés de façon indistincte avec une méconnaissance de leurs spécificités propres. Ainsi, la première partie de ce travail de thèse a consisté en la comparaison des modèles les plus utilisés dans la littérature afin de connaître leurs cibles potentielles et de choisir le mieux adapté aux questions scientifiques posées. Dans un deuxième temps, nous avons utilisé un modèle d'animaux génétiquement invalidés pour l'ancrage de l'isoforme gamma de CXCL12 à la matrice pour étudier le muscle strié squelettique, son développement, les cellules souches et l'organisation de leur niche et enfin, sa réparation. Bien que dans tous les modèles la lésion du muscle évolue à terme vers une restitution ad integrum, les processus mis en oeuvre varient en fonction du type et de l'ampleur de l'atteinte. En outre, nous avons montré que les paramètres histologiques seuls ne sont pas entièrement suffisants pour affirmer que la régénération musculaire est achevée et qu'il faut savoir considérer chaque type cellulaire en détail ainsi que des paramètres fonctionnels qu'il conviendra de mesurer dans les suites de ce travail. Nous avons ensuite étudié l'influence de l'adhésion de la chimiokine CXCL12 aux glycosaminoglycanes dans sa capacité à réguler la réparation musculaire. Pour ce faire nous avons utilisé comme modèle d'étude la souris knock in CXCL12Gagtm/Gagtm, récemment développée au laboratoire et dans laquelle le gène CXCL12 a été muté dans la région du site contrôlant l'ancrage de la molécule CXCL12 aux HS. Chez cette souris, CXCL12 est présent mais incapable de se fixer aux HS de la matrice extracellulaire tout en gardant son activité via CXCR4. Dans ce cas précis CXCL12 est donc incapable de générer un gradient responsable de l'attraction, la rétention et la migration de cellules cibles.Même si cette mutation n'altère pas le bon développement de la souris et que le muscle à l'état basal est normal, nous avons montré un défaut de régénérescence musculaire chez ces souris mutées ayant subit l'agression musculaire la plus sévère avec la présence d'un tissus fibreux cicatriciel et une infiltration d'adipocytes. Nous avons montré que l'absence de gradient de CXCL12 aboutit à une dérégulation de l'angiogenèse dont certains stigmates sont visibles à l'état basal, mais dont la pleine anomalie ne se mesure qu'en conditions d'agression. Cette dérégulation pourrait s'expliquer par la présence de vaisseaux non stabilisés par des cellules murales (cellules musculaires lisses et péricytes). Le développement de ce modèle de fibrose ouvre la voie à différentes questions sur le déroulement de la fibrose en général, de la réparation musculaire, et des relations qu'entretient l'arbre vasculaire les cellules de soutien. / Muscle regeneration needs specialized stem cells but it also requires coordinated action of stromal cells and supporting tissue. The study of muscle regeneration can not be only limited to the study of the activation, proliferation and differentiation of muscle stem cells. The aim of this thesis was to approach the mechanisms involved in the harmonious regeneration of the muscle beside satellite cells to know the different cellular elements of the supporting tissues and also the stroma through the study of CXCL12 chemokine and its anchorage to the GAG of the muscle extracellular matrix.First, we made the observation that muscle damage models were numerous and were used indistinctly with ignorance of their own specificities. Thus, the first part of this thesis consisted of comparing different injury models commonly used in the literature to determine their potential targets and choose the most adapted to scientific questions asked. secondarily, we used an animal model genetically invalidated for anchoring of CXCL12 gamma isoform to the matrix to study the skeletal muscle development, stem cells and the organization of their niche and finally, the repair.We showed initially that the initial choice of the injury model is important during pathophysiological studies. Although all muscle injury models lead to an ad integrum restitution, regeneration processes vary considerably and the impact on different cell types also varies widely. In addition, we have shown that the only histological parameters, are not entirely sufficient to say that muscle regeneration is complete and each cell type should be considering in detail as well as functional parameters that should be measured in perspectives of this work.We used as a study model, mice knock in CXCL12Gagtm/Gagtm recently developed in the laboratory and in which CXCL12 gene has been mutated for the region coding the controlling anchoring of CXCL12 to HS. In this mouse, CXCL12 is present but unable to bind to the extracellular matrix HS while keeping its activity via CXCR4. In this case CXCL12 is unable to generate a gradient responsible for the attraction, retention and migration of target cells.Although this change does not affect the development of the mouse and the muscle at basal state is normal, we have shown a lack of muscle regeneration in these mice with fibrosis and fat infiltartion.The muscle stem cell compartment seems not to be altered in the mutant mice in the basal state and during the regeneration of the muscle. We have shown that the absence of CXCL12 gradient leads to deregulated angiogenesis through vascular hyperproliferation at the basal state. This deregulation seems to be responsible of an altered vascular regeneration after injury with the presence of non-stabilized mural cells (smooth muscle cells and pericytes). This lack of vascular regeneration appears to be responsible for a muscle regeneration failure.

Tout au long de leur vie, les espèces animales vont transformer de l'énergie apportée par l'alimentation en énergie utilisable par la cellule. Cependant, dans l'environnement naturel, l'accès à la ressource alimentaire est souvent limité et dépendant des conditions climatiques. Cette contrainte oblige les espèces sauvages à mettre en place des compromis d'allocation d'énergie permettant de favoriser la survie, la croissance ou la reproduction. Les espèces aviaires représentent de bons modèles pour étudier les adaptations aux contraintes environnementales puisqu'elles ont colonisé la quasi-totalité du globe et notamment les niches écologiques les plus « extrêmes ». Parmi les oiseaux sauvages vivant en conditions défavorables, notre intérêt s'est porté sur le manchot royal (Adptenodytes patagonicus) et plus particulièrement sur son poussin qui, au cours la 1ère année de vie va subir un jeûne hivernal de 4 à 5 mois au cours duquel les nourrissages sont peu fréquents et aléatoires. Ainsi, cette espèce est naturellement adaptée à des conditions thermiques défavorables pouvant être associées à des phases de jeûne alimentaire. Plusieurs travaux ont montré que malgré l'exposition prolongée au froid, la dépense énergétique diminue au cours des phases de jeûne, permettant ainsi d'économiser les réserves énergétiques et de préserver les protéines nécessaires aux fonctions cellulaires. La forte proportion que représente le muscle squelettique lui confère une part importante de la dépense énergétique. Des études ont montré que malgré son implication dans la thermogenèse, l'activité oxydative (consommation d'oxygène) mitochondriale est diminuée au cours du jeûne hivernal. Cependant, ces travaux ont porté uniquement sur l'étude de la capacité oxydative et non sur le couplage entre les oxydations et les phosphorylations (synthèse d'ATP). Ce couplage représente l'efficacité avec laquelle les mitochondries vont produire de l'énergie (ATP) en consommant de l'oxygène. C'est donc un paramètre important dans la gestion des réserves énergétiques. Mes travaux de thèse ont reposé sur l'hypothèse selon laquelle, la plasticité de l'efficacité mitochondriale du muscle squelettique expliquerait en partie les capacités de survie des oiseaux en conditions défavorables, aussi bien lorsque ces derniers sont exposés à une contrainte thermique importante que lorsqu'ils sont soumis à un jeûne prolongé / Throughout their life, wild species face periods of food-deprivation that induce energy tradeoffs between survival, growth and reproduction. These fasting periods occur either when food availability is lacking due to adverse climatic conditions or because individuals are engaged in biological processes that prevent food access. This later reason is particularly well illustrated in the king penguin (Aptenodytes patagonicus), a sea bird that has to moult and reproduce on shore whereas he feed exclusively at sea. Moreover king penguin chicks exhibit exceptional survival capacities during their first year of life when they experience a long period of fast in winter. Thus, this species that lives in sub-Antarctic latitudes, is exposed to environmental and physiological energy constraints during food shortage periods. Since king penguins are endotherms, they need to maintain their body temperature at high level despite variations of ambient temperature. Thus thermoregulation is one of the most expensive process and skeletal muscles account for the greater part of heat production in birds. Several studies showed that despite long term cold exposure, energy expenditure of fasting birds decreases allowing energy savings and especially protein sparing. Since skeletal muscles have high implications in energy expenditure and heat production the question of their implication in energy saving mechanisms arises. During my PhD project I studied skeletal muscle metabolism through mitochondrial efficiency. These sub-cellular organelles are the last effectors of energy transduction from nutrient into ATP, an usable energy for cells. Our hypothesis is based on the flexibility of mitochondrial efficiency as a regulator of energy sparing mechanisms which would explain long term resistance to starvation. My studies were conducted in a wild species, the king penguin chicks, that are naturally acclimated to cold environment and experienced long term fasting stage. To further investigate mitochondrial plasticity in response to energy constraints, I developed several experimental procedures in controlled conditions on a laboratory model (Muscovy ducklings)

CETTE thèse est consacrée à la conception d’un système d’aide au diagnostic dédiéau muscle squelettique humain. Au cours du premier volet de ce manuscrit nousproposons une nouvelle représentation basée sur les modèles parcimonieux dans le cadrede la segmentation d’Images de Résonances Magnétiques (IRM) T1 du muscle squelettiquedu mollet. Notre méthode Sparse Shape Model/ Modèle de Formes Parcimonieux(MFP), apprend un modèle statistique de formes et de textures locales annoté et réussità en tirer une représentation réduite afin de reconstruire le mécanisme musculaire sur unexemple test. Dans la seconde partie du manuscrit, nous présentons une approche baséesur des ondelettes de diffusion pour la segmentation du muscle squelettique. Contrairementaux méthodes de l’état de l’art, notre approche au cours de la phase d’apprentissagepermet à optimiser les coefficients des ondelettes, ainsi que leur nombres et leur positions.Le modèle prend en charge aussi bien les hiérarchies dans l’espace de recherche,que l’encodage des dépendances géométriques complexes et photométriques de la structured’intérêt. Notre modélisation offre ainsi l’avantage de traiter des topologies arbitraires.L’évaluation expérimentale a été effectué sur un ensemble de mollets acquisespar un scanner IRM, ainsi qu’un ensemble d’images tomodensitométriques du ventriculegauche. / THE thesis is dedicated to three dimensional shape analysis and the segmentation ofhuman skeletal muscles in the context of myopathies and their treatment. In particular,we study the local and global structural characteristics of muscles. The methodologicalfocus of the thesis is to devise methods for the segmentation of muscles, theconsistent localization of positions in the anatomy and the navigation within the muscledata across patients. Currently diagnosis and follow-up examinations during therapy ofmyopathies are typically performed by means of biopsy. This has several disadvantages:it is an invasive method, covers only a small muscle region, is mainly restricted to diagnosticpurpose and is not suitable for follow-up evaluation. We develop the followingmethods to make the use of non-invasive imaging modalities such as MRI for a virtualbiopsy possible: first, a novel approach to model shape variations that encodes sparsity,exploits geometric redundancy, and accounts for the different degrees of local variationand image support in data. It makes the modeling and localization of muscles possible,that exhibit sparsely distributed salient imaging features, and heterogeneous shapevariability. Second, we extend the shape representation of 3D structures using diffusionwavelets. The proposed method can represent shape variation and exploits continuousinter-dependencies of arbitrary topology in the shape data. We then explore several approachesfor the shape model search, and appearance representation based on boostingtechniques and canonical correlation analysis. Last we present a robust diffusion wavelettechnique that covers the integration of our two shape models approaches to finally getan enhanced sparse wavelet based method. We validate the approaches on two medicalimaging data sets that represent the properties tackled by the approaches: T1 weightedMRI data of full calf muscles and computed tomography data of the left heart ventricle.

Le système musculo-squelettique permet la mobilité. Le développement des muscles, du tissu conjonctif (TC) et des os est coordonné de manière très précise. Osr1 encode pour un facteur de transcription qui est exprimé au niveau du TC musculaire au cours du développement. Le but de cette thèse est d'élucider la fonction d’Osr1 dans la régulation cellulaire non-autonome de la formation des muscles au niveau des membres dans le modèle murin. Le traçage génétique a révélé que les cellules Osr1+ sont à l’origine de plusieurs TC, y compris musculaire, cutané et pulmonaire, mais aussi à l’origine du muscle lisse et des adipocytes bruns. L’analyse phénotypique des embryons de souris Osr1GCE/GCE à E13.5 a révélé des défauts dans l’organisation des muscles. L’analyse transcriptomique montre deux caractéristiques moléculaires causées par le manque d'activité d’Osr1. Tout d'abord, Osr1 réprime l'expression de gènes associés au développement du cartilage et du tendon, ce qui suggère qu’Osr1 confère une identité «tissu conjonctif musculaire». Ensuite, Osr1 régule positivement l'expression des composants de la matrice extracellulaire (MEC). De plus, l’expression de nombreuses molécules de signalisation est diminuée dans les cellules déficientes pour Osr1. Ces résultats montrent l’importance des cellules Osr1+ du TC dans la formation des muscles des membres. Ces résultats montrent également qu’Osr1 régule la transcription des composants de la MEC au niveau du tissu conjonctif musculaire. Enfin, ils suggèrent qu’Osr1 exerce sa fonction par l'intermédiaire de facteurs sécrétés pour assurer le bon développement musculaire. / The musculoskeletal system allows body motion. Despite the distinct mesodermal origins of its components, the development of muscle, connective tissue (CT) and bone is highly coordinated. Osr1 encodes a zinc-finger transcription factor expressed in muscle CT in limbs. The aim of the PhD was to elucidate Osr1 function in the non-cell autonomous regulation of mouse limb muscle formation. Genetic lineage tracing revealed that Osr1+ cells are progenitors for several CTs, including muscle, dermal and lung CTs, but also for smooth muscle and brown adipocytes. Comprehensive phenotypic analysis of skeletal muscles in E13.5 Osr1GCE/GCE mouse embryos revealed impaired muscle formation. Transcriptomic analysis highlighted two major molecular characteristics caused by the lack of Osr1 activity. First, Osr1 actively repressed the expression of genes associated with cartilage and tendon development, suggesting that Osr1 confers a muscle connective tissue identity. Second, Osr1 positively regulated the expression of components of the extracellular matrix (ECM). In addition to the decrease of ECM components, numerous signaling molecules were significantly down-regulated in Osr1-deficient cells of mutant embryos. This highlights the function of Osr1+ resident connective tissue cells in limb muscle formation. It also establishes that Osr1 regulates the transcription of ECM components in limb muscle CT. Lastly, it suggests that Osr1 exerts its function via chemokines and secreted factors to ensure proper muscle development.

REDD1 contribue au dialogue entre le métabolisme énergétique et la masse musculaire.REDD1 est une protéine ubiquitaire et conservée qui est exprimée en réponse à de nombreux stress et pathologies associés à une atrophie du muscle squelettique, un paramètre corrélé à la mortalité des patients. REDD1 est connue pour inhiber la voie Akt/mTORC1 qui contrôle la synthèse des protéines (composants majoritaires du muscle), mais également d'autres macromolécules tels les ribosomes, les nucléotides ou le glycogène. Nos travaux montrent, grâce à un modèle murin, que REDD1 est capable d'une part d'inhiber la synthèse protéique ce qui conduit à l'atrophie du muscle, et d'autre part de réduire le stockage du glycogène musculaire. Cependant, sa délétion est responsable d'une augmentation du métabolisme basal, d'une réduction de la capacité d'exercice et d'une aggravation de l'atrophie musculaire en situation d'hypoxie. Ces altérations du métabolisme ne sont pas liées à un dysfonctionnement mitochondrial, mais associées à une moindre inhibition de la signalisation d'Akt et/ou mTORC1, tous deux responsables de l'activation de processus anaboliques couteux en énergie. Pris ensembles, ces résultats suggèrent que REDD1 agit comme modérateur de la dépense en ATP dans des situations de stress énergétique. / REDD1 contributes to the crosstalk between energetic metabolism and skeletal muscle mass. REDD1 is a ubiquitous and conserved protein, which is expressed in response to numerous stresses and pathologies responsible of muscle atrophy, a parameter correlated with patient mortality. REDD1 is known to inhibit Akt/mTORC1 pathway which controls synthesis of proteins (the major component of muscle) and other macromolecules such as ribosome, nucleotide or glycogen. Our work shows on a mice model that REDD1 inhibits protein synthesis, leading to skeletal muscle atrophy, and reduces muscle glycogen storage. However, REDD1 deletion is responsible of an increase in basal metabolism, a reduction of exercise capacity and an exacerbation of hypoxia-induced skeletal muscle atrophy. These metabolic alterations are not associated with a mitochondrial dysfunction but rather with an hyper activation of the Akt/mTORC1 pathway which is responsible for the stimulation of energy demanding processes. Altogether, these results strongly suggest that REDD1 acts for moderating ATP demand in energetic stress conditions

Le but de la thèse était d'étudier la sensibilité de nouveaux biomarqueurs RMN visant à quantifier les changements pathologiques dans le muscle dystrophique. La dystrophie musculaire (DM) désigne un groupe hétérogène de maladies avec une atrophie musculaire progressive associée à un état de faiblesse. Elle est caractérisée par des degrés variables de nécrose, de régénération, de troubles de l'homéostasie ionique, d'inflammation chronique et finalement par le remplacement des muscles par du tissu fibro-graisseux. Mon objectif était d’évaluer la RMN du ²³Na et les techniques avancées de mesure du temps de relaxation transversal ¹H (T₂) en tant que des biomarqueurs sensibles et précoces. La RMN du ²³Na mesure les concentrations de sodium étroitement contrôlées et donne sa distribution dans le tissu. Cette information peut être utilisée pour évaluer l'homéostasie ionique et l'intégrité cellulaire. Cependant, la concentration in vivo en ²³Na est faible, la RMN du ²³Na souffre donc d'une faible sensibilité par rapport à ¹H. L’altération du T₂ ¹H du muscle, communément interprétée comme un indicateur de l'activité de la maladie, est liée à une variété d’événements non-spécifiques tels que l'œdème, l'inflammation ou la nécrose, qui précèdent le remplacement musculaire par la graisse. Des protocoles comprenant diverses méthodes de RMN du ²³Na et de ¹H T₂ ont été mis en œuvre pour évaluer les tissus musculaires squelettiques sains et dystrophiques sur des modèles animaux et sur patients. Ce travail fournit des preuves que la RMN du ²³Na pourrait offrir un biomarqueur sensible capable de surveiller l'altération spécifique du muscle dystrophique à un stade très précoce. / The aim of the thesis is to investigate the sensitivity of novel NMR outcome measures (OM) aiming to quantify pathological changes in the dystrophic muscle. Muscular dystrophy (MD) refers to a heterogeneous group of diseases with progressive muscle wasting and associated weakness characterized by variable degrees of necrosis, regeneration, ionic homeostasis disturbances, chronic inflammation, and, ultimately, resulting in the replacement of muscles by fibro-fatty tissue. My focus was on the evaluation of ²³Na NMR and advanced ¹H transverse relaxation time (T₂) techniques as early, sensitive OM. ²³Na NMR measures the tightly controlled sodium concentrations and distribution in skeletal muscle tissue. This biophysical information can be used to assess ion homeostasis and cell integrity. However, ²³Na NMR suffers from a low sensitivity and in vivo concentration compared to ¹H. Alterations in the muscle ¹H T₂, commonly interpreted as an indicator of disease activity, are linked to a variety of non-specific events like oedema, inflammation, or necrosis that precede the actual muscle replacement by fat. Protocols including different ²³Na NMR and ¹H T₂ methods were implemented to evaluate healthy and dystrophic skeletal muscle tissues of animal models and patients. This work provides evidence that ²³Na NMR could offer a sensitive outcome measure able to monitor specific alteration of the dystrophic muscle at a very early stage.

Les dystrophies musculaires sont un groupe de pathologies génétiques qui cause une faiblesse et une perte progressive des muscles squelettiques. Parmi elles, la dystrophie des ceintures de type 2B (LGMD2B) est caractérisée par des mutations dans le gène de la dysferline, entrainant de sévères dysfonctionnements, dont un défaut de réparation membranaire. Les ruptures de la membrane plasmique sont des évènements physiologiques induits par des contraintes mécaniques, comme lors de la contraction des fibres musculaires. Les cellules eucaryotes possèdent donc une machinerie protéique assurant une réparation rapide de larges ruptures membranaires. La liste exhaustive des composants de la machinerie de réparation et leur mode d’action reste à établir.Les annexines (Anx) sont de petites protéines solubles, au nombre de 12 chez les mammifères, qui partagent la propriété de lier les membranes exposant des phospholipides chargés négativement en présence de Ca2+. De nombreuses études ont montré l’implication de certaines Anx (AnxA1, A2, A4, A5, A6 et A7) dans la réparation membranaire de différents types cellulaires (muscle, cancer, endothélium…) et dans différentes espèces (souris, poisson-zèbre, homme…). La présence des Anx dans le muscle squelettique, et la participation de plusieurs membres de cette famille dans la réparation membranaire, soulèvent la question d’un rôle collectif de ces protéines dans la protection et la réparation des ruptures du sarcolemme.Les objectifs de ce travail ont été 1) d’identifier les Anx impliquées dans la réparation membranaire des cellules musculaires squelettiques humaines, 2) développer une stratégie de microscopie corrélative pour étudier le site de rupture et la distribution subcellulaire des Anx à haute résolution, 3) élucider la fonction des Anx dans le mécanisme de réparation, et 4) analyser les Anx dans des cellules musculaires dystrophiques. Avec des approches en biologie cellulaire et moléculaire, et en microscopie de fluorescence et électronique, nous avons donc étudié le comportement des Anx lors d’un dommage du sarcolemme.Nous avons ainsi montré que les AnxA1, A2, A4, A5 et A6 sont exprimées dans les myoblastes et les myotubes humains, et sont recrutées au site de rupture quelques secondes après le dommage, en formant une structure dense à l’extérieur du myotube endommagé appelé domaine « cap ». De plus, nous avons pu déterminer l’ordre relatif de recrutement des Anx au site membranaire endommagé. Les premières Anx à être recrutées sont l’AnxA1, suivies des AnxA6 et A5, les moins sensibles au Ca2+. Les dernières Anx recrutées sont les plus sensibles au Ca2+, les AnxA4 puis A2, qui semblent se lier à des vésicules intracellulaires initialement éloignées du site de rupture. Nous avons également étudié l’ultrastructure du site de rupture à haute résolution. Nos résultats ont révélé que le domaine « cap » correspondait à une accumulation de matériel membranaire qui est associé au Anx. En s’appuyant sur nos résultats et la littérature, nous avons proposé un modèle de réparation membranaire, impliquant les AnxA1, A2, A4, A5 et A6, dans les cellules musculaires squelettiques humaines. Nous nous sommes également intéressés à l’expression des Anx dans des lignées de cellules musculaires dystrophiques issues de patients atteints de dystrophies musculaires des ceintures de type 2B (déficients en dysferline) et 1C (déficients en cavéoline-3). Nous avons ainsi montré que le contexte pathologique perturbait l’expression de certaines Anx, sans en modifier leur localisation subcellulaire.En conclusion, ce travail de thèse montre que plusieurs membres de la famille des Anx sont impliqués dans la réparation membranaire, et agissent de concert pour réparer un dommage de la membrane plasmique. L’implication des Anx dans d’autres pathologies, comme le cancer et la pré-éclampsie, renforce l’intérêt de leur étude dans les processus de réparation membranaire et en font une cible thérapeutique potentielle. / Muscular dystrophy encompasses a group of genetic disorders which cause progressive weakness and wasting of skeletal muscle. Among them, limb girdle muscular dystrophy type 2B (LGMD2B) is characterized by mutations in the dysferlin gene leading to several dysfunctions including a failure in cell membrane repair process. Cell membrane disruption is a physiological phenomenon induced by mechanical stress, such as contraction of muscle fibers. Thus, eukaryotic cells have a repair protein machinery ensuring a rapid resealing of large cell membrane ruptures. The exhaustive list of components of the repair machinery and their interplay remain to be established.The annexin (Anx) family consists of twelve soluble proteins in mammals and share the property of binding to membranes exposing negatively charged phospholipids in a Ca2+-dependent manner. Several studies have shown the involvement of Anx (AnxA1, A2, A4, A5, A6 and A7) in membrane repair of different cell types (muscle, cancer, endothelium…) in different species (mouse, zebrafish, human…). The presence of different Anx in skeletal muscle, together with the participation of several members of the Anx family in membrane repair processes, raise the question of a collective role of these proteins in the protection and repair of sarcolemma injuries.The PhD project aimed 1) at identifying Anx that are essential for membrane repair in human skeletal muscle cells, 2) developing a correlative light and electron microscopy to study the wounded site and the Anx distribution at high resolution, 3) elucidating the function of each Anx in this process and 4) analyzing Anx in dystrophic muscle cells. Using approaches including cellular and molecular biology, fluorescence microscopy and transmission electron microscopy, we studied the behavior of Anx during sarcolemma damage.We showed that AnxA1, A2, A4, A5 and A6 are expressed in human myoblasts and myotubes, and are recruited at the disruption site within seconds after the sarcolemmal damage, forming a dense structure outside the cell, named the “cap” domain. Furthermore, we determined the relative order of Anx recruitment at the disruption site. The first Anx recruited are AnxA1, followed by AnxA6 and A5, the less sensitive to Ca2+. The last Anx recruited are the most sensitive to Ca2+, AnxA4 and A2. AnxA2 and A4 are instead rapidly recruited to intracellular vesicles present deeper in the cytosol. We also studied the ultrastructure of the disruption site at high resolution. Our results revealed that the “cap” domain correspond to a disorganized membrane structure, associated with the Anx. Thanks to our results and the literature, we have proposed a model for membrane repair involving Anx in human skeletal muscle cells. We also looked at the expression of Anx in dystrophic muscle cell lines from patients with limb girdle muscular dystrophy type 2B (dysferline deficient) and 1C (deficient in cadaveoline-3). We have thus shown that the pathological context disrupts the expression of some Anx, without altering their subcellular location.In conclusion, this work shows that several members of the Anx family are involved in membrane repair and act together to repair plasma membrane damage. The implication of Anx in other pathologies, such as preeclampsia or cancer, reinforces the interest of their study in the process of membrane repair.

Résumé: Le muscle squelettique possède une excellente capacité à se regénérer notamment grâce à ses cellules progénitrices stromales (mrSC) et myogéniques (CPM). À la suite de certains traumas et pour des raisons encore méconnues, la qualité de sa régénération est compromise ce qui mène à l’apparition de structures aberrantes tel l’os mature, aussi appelée ossification hétérotopique (OH) post-traumatique. Notre laboratoire a montré dans un modèle murin que les mrSC sont pleinement impliquées dans cette pathologie. De plus, un facteur fortement ostéoinducteur, BMP9, ne cause l’OH que si, et seulement si, le muscle est endommagé. Ce modèle d’étude est unique puisqu’il présente les particularités physiopathologiques de l’OH post-traumatique, un dommage du muscle étant essentiel à la formation d’os. De plus, ce modèle a permis de mettre en évidence le rôle prédominant du microenvironnement des cellules progénitrices dans le développement de cette pathologie. Nous avons donc émis l’HYPOTHÈSE selon laquelle le microenvironnement du muscle endommagé contient des facteurs qui peuvent influencer le phénotype de ses cellules progénitrices stromales et myogéniques favorisant ainsi le développement de l’OH. Nos résultats montrent que l’état hypoxique d’un muscle sévèrement endommagé augmente la prolifération et la différenciation ostéogénique des mrSC. De plus, l’hypoxie induit spécifiquement l’expression de BMP9 par les mrSC. L’impact de BMP9 a également été évalué sur la différenciation des CPM. Les résultats montrent qu’à des concentrations physiologiques, BMP9 inhibe le potentiel myogénique des CPM en faveur d’une différenciation ostéogénique, et cela tant dans la lignée myoblastique murine C2C12 que chez les CPM primaires humaines. En résumé, le muscle endommagé développant l’OH possède un microenvironement spécifique responsable du débalancement de la capacité régénérative de ses progéniteurs. Nos travaux montrent que ce microenvironnement cause un retard de la myogenèse et une ostéogenèse où participeront non seulement les mrSC mais également les CPM. L’identification et la compréhension des mécanismes régulant ces facteurs s’avèrent clé pour offrir aux cliniciens des outils de diagnostic mais également des alternatives ou des approches complémentaires aux traitements prophylaxiques actuels. / Abstract: Skeletal muscle has an extraordinary ability to regenerate due to its resident stromal cells (mrSCs) and myogenic progenitor cells (MPCs). Following certain traumas, the quality of the regeneration of skeletal muscle can be compromised for unknown reasons, leading to the appearance of aberrant structures such as mature bone, a process called posttraumatic heterotopic ossification (HO). Our laboratory developed a mouse model to show that mrSCs are fully involved in this pathology. We also showed that BMP9, a highly osteoinductive factor, causes HO if and only if the muscle is damaged. This model is unique in that it recapitulates the pathophysiological features of post-traumatic HO in which muscle damage is essential for bone formation. The model was also used to show that the progenitor cell microenvironment plays a predominant role in the development of this pathology. Based on these results, we HYPOTHESIZED that the microenvironment of the damaged muscle contains factors that can influence the phenotype of its progenitor cell populations, thus promoting the development of HO. Our results showed that the hypoxic state of a severely damaged muscle increases the proliferation and osteogenic differentiation of mrSCs and also specifically induces the expression of BMP9 by mrSCs. The impact of BMP9 on the differentiation of MPCs was also evaluated. At physiological concentrations, BMP9 inhibited the myogenic differentiation potential of murine myoblast C2C12 cells and primary human MPCs, and triggered their differentiation into an osteogenic lineage. In summary, we showed that damaged muscle that develops HO has a specific microenvironment that is responsible for the loss of the regenerative capacity of progenitor cells, leading to a delay in myogenesis, and that mrSCs and MPCs are both involved in osteogenesis. The identification and understanding of the mechanisms regulating these key factors could provide clinicians with valuable diagnostic tools as well as alternative and/or complementary approaches to current prophylactic treatments.

La thérapie cellulaire représente une alternative intéressante aux approchespharmacologiques dans le cadre de certaines pathologies comme les dystrophiesneuromusculaires ou l’ischémie du myocarde. La transplantation de précurseurs adultes deces tissus peut améliorer ces pathologies. Toutefois, le faible nombre de ces précurseursdans l’organisme et la difficulté de leur culture et expansion in vitro sont des facteurslimitants. Grâce à leurs propriétés spécifiques, les cellules souches embryonnaires (ES)constituent une source alternative pour la thérapie cellulaire. Cependant, leur efficacité dedifférenciation dans un lignage donné doit être finement contrôlée avant de pouvoir lesutiliser avec succès.Afin de mieux connaître le potentiel thérapeutique des cellules dérivées de cellulesES, il est essentiel de caractériser les mécanismes moléculaires qui engagent les cellules ESvers différents lignages. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la voie designalisation p38MAPK, qui est largement impliquée dans la différenciation cellulaire et lasurvie cellulaire. Nous avons plus précisement étudié l’implication de p38MAPK au coursdes différenciations endothéliale, du muscle lisse et du muscle squelettique.Nous avons mis en évidence que les cellules ES p38!-/- ne se différencient plus encellules endothéliales, en cellules du muscle lisse et en cellules du muscle squelettique. Laré-expression de p38MAPK dans ces cellules restaure partiellement les différenciationsdérivées du mésoderme (les différenciations endothéliale, du muscle lisse,cardiomyocytaire et de muscle squelettique). Parallèlement grâce à une inhibitionspécifique de la voie p38MAPK au cours de la différenciation des cellules ES, nous avonsmontré que la voie p38MAPK agit via deux mécanismes moléculaires distincts successifspour réguler la différenciation mésodermique des cellules ES. Le premier mécanisme estcorrèlé à l’expression de Brachyury, un marqueur précoce du mésoderme, alors que lesecond mécanisme est indépendant de Brachyury.Nous avons ensuite poursuivi l’étude de l’implication de p38MAPK dans lamyogénèse des cellules ES et nous avons pu mettre en évidence que p38MAPK estnécessaire à la fois pour l’engagement précoce et la différenciation terminale des cellulesmusculaires.En combinant des approches biochimiques et génétiques, nous avons démontré que lavoie de signalisation p38MAPK est nécessaire très précocement à la différenciation deslignages issus du mésoderme.Ces résultats permettent une meilleure compréhension des mécanismes moléculairesimpliqués dans la différenciation des cellules ES, ce qui constitue une étape préalable ausuccés de futures thérapies cellulaires. / Embryonic stem (ES) cells give rise, in vivo, to all of the three germ layers and, invitro, to differentiate into a broad variety of cell lineages which opens up largeperspectives in regenerative medicine. We previously found that the p38MAPKpathway controls the commitment of ES cells toward either cardiomyogenesis (p38on) or neurogenesis (p38 off ). In this study, we show that p38a knock-out ES cellsdo not differentiate into cardiac, endothelial, smooth muscle, and skeletal musclelineages. Reexpression of p38MAPK in these cells partially rescues theirmesodermal differentiation defects and corrects the high level of spontaneousneurogenesis of knock-out cells. Wild-type ES cells were treated with a p38MAPKspecificinhibitor during the differentiation process. These experiments allowed us toidentify 2 early independent successive p38MAPK functions in the formation ofmesodermal lineages. Further, the first one correlates with the regulation of theexpression of Brachyury, an essential mesodermal-specific transcription factor, byp38MAPK. Moreover, we also showed that p38MAPK is required for the late stageskeletal muscle differentiation. In conclusion, by genetic and biochemicalapproaches, we demonstrate that p38MAPK activity is essential for the commitmentof ES cell into cardiac, endothelial, smooth muscle, and skeletal muscle mesodermallineages.

L'insulinorésistance, caractérisée par l'incapacité des organes impliqués dans le métabolisme énergétique (tissu adipeux, muscles squelettiques et foie) à répondre à l'insuline, tient une place centrale dans la physiopathologie des complications métaboliques de l'obésité. L'apparition d'une insulinorésistance chez un sujet obèse est plurifactorielle et les mécanismes moléculaires impliqués ne sont à ce jour pas complètement élucidés.L'expansion majoritairement hyperplasique du tissu adipeux conduit à une hypoxie et un stress des adipocytes, induisant un relargage accru de cytokines inflammatoires et d'acides gras libres (AGL). Les AGL se fixent eux-mêmes sur les récepteurs toll-like (TLRs) de l'immunité innée, dont l'activation aboutit également à la sécrétion de cytokines inflammatoires. Ces AGL et cytokines, véhiculés par la circulation systémique, contribuent, avec la coopération des macrophages infiltrant le tissu adipeux, au développement d'une inflammation chronique de bas grade. Ainsi, les perturbations de l'homéostasie énergétique, associées à une activation du système immunitaire sont à l'origine d'une atteinte globale de la sensibilité à l'insuline de l'organisme, particulièrement délétère au métabolisme musculaire.Cette étude porte sur le rôle d'un effecteur de l'immunité innée, l'endoribonucléase latente (RNase L), dont l'expression est régulée par les interférons de type I et l'activation, par un oligoadénylate, le 2-5A. La RNase L clive les ARNs cellulaires conduisant à l'inhibition spécifique de l'expression de certains gènes. Nous montrons par ce travail l'implication de la RNase L dans le contrôle de la différenciation cellulaire et la pathogenèse de l'insulinorésistance associée à l'obésité, via la régulation des voies de l'inflammation au niveau des tissus adipeux et musculaire. / Insulin resistance, which is characterized by the incapacity of organs involved in the energetic metabolism (adipose tissue, skeletal muscles and liver) to respond to insulin, has a central place in the pathophysiology of the metabolic complications associated to obesity. The onset of insulin resistance in obese subjects is multifactorial and the molecular mechanisms involved have not yet been completely elucidated.The mainly hyperplasic expansion of white adipose tissue leads to hypoxia and stress in adipocytes, inducing an increased release of inflammatory cytokines and free fatty acids (FFA). FFA bind and activate the toll-like receptors (TLR) of the innate immunity system, leading to the secretion of inflammatory cytokines. These FFA and cytokines, taken by the systemic circulation, contribute, with the cooperation of macrophages infiltrating the adipose tissue, to the development of a chronic low-grade inflammation. Thus, the disturbances of the energetic homeostasis, associated with an activation of the immune system cause a global impairment of insulin sensitivity of the body, with particularly deleterious effects on muscular metabolism.This study focuses on the role of an effector of innate immunity, the latent endoribonuclease (RNase L). RNase L expression is regulated by type I interferons and is activated by the 2-5A oligoadenylate. RNase L splits cellular RNA, thus leading to the specific inhibition of the expression of certain genes. In this study, we demonstrate the implication of RNase L in the control of cell differentiation and the pathogenesis of obesity-associated insulin resistance, via the regulation of inflammatory pathways in the adipose and muscular tissues.