La myopathie centronucléaire (CNM) est un groupe de maladies génétiques caractérisées au niveau histologique par des noyaux au centre des myofibres au lieu de la périphérie. Des mutations dans trois gènes (MTM1, DNM2 et BIN1) sont associées à cette pathologie. Récemment, l’implication d’un nouveau gène a été révélée dans une myopathie congénitale, le gène PYROXD1. Cependant, la base moléculaire responsable du déséquilibre à l'intérieur de la cellule reste incertaine et la relation entre le niveau histologique et les symptômes chez les patients n'est pas comprise. De plus, aucun traitement n'est disponible pour ces maladies. Au cours de ma thèse, j'ai centré mon travail sur l'utilisation du modèle de levure S. cerevisiae pour comprendre trois protéines associées au CNM : la myotubularine Mtm1, l'oxydoréductase Pyroxd1 et la dynamine Dnm2. Ces données révèlent qu’il est possible d’utiliser une simple cellule eucaryote afin d'élucider certains aspects moléculaires de ces protéines impliquées dans des maladies humaines. / Centronuclear myopathy (CNM) is a group of genetic disorders characterized at the histological level by nuclei at the center of the myofibers instead of the periphery. Mutations in three genes (MTM1, DNM2 and BIN1) are associated with this pathology. Recently the implication of a new gene has been revealed in a congenital myopathy, the PYROXD1 gene.However, the molecular basis responsible for the imbalance inside the cell remains unclear and the relation between the histological level and the symptoms in patients is not understood. Moreover, there is no treatment available for these diseases.During my thesis I have focused my work on using yeast S. cerevisiae model to understand three proteins associated to CNM: the myotubularin Mtm1, the oxidoreductase Pyroxd1 and the dynamin Dnm2. These data reveal that it is possible to use a single eukaryote cell to elucidate some molecular aspects of these proteins implicated in human disorders.

MTM1 et MTMR2 sont 2 phosphatases de phosphoinositides appartenant à la famille des myotubularines, conservée pendant l’évolution. Bien qu’étant très similaires, des mutations dans MTM1 entraînent la sévère myopathie XLCNM alors que les mutations dans MTMR2 entraînent la neuropathie CMT4B. On ne comprend pas encore les bases moléculaires de cette spécificité de tissu, et il n’existe aucun traitement spécifique pour ces maladies. J’ai tout d’abord caractérisé l’activité des 2 isoformes endogènes de MTMR2, nommés MTMR2-L et MTMR2-S. J’ai démontré que la différence fonctionnelle entre MTM1 et MTMR2 s’explique principalement par l’extension N-terminale de MTMR2, et que l’isoforme MTMR2-S dépourvu de cette extension entraîne les mêmes phénotypes que MTM1. Ensuite, grâce à l’injection d’AAV dans les souris Mtm1 KO, j’ai démontré que l’expression exogène des isoformes de MTMR2, et surtout de MTMR2-S, améliore grandement l’atrophie musculaire, la force musculaire et les marqueurs histologiques de ces souris myopathiques. Ces résultats révèlent une première base moléculaire expliquant les spécificités fonctionnelles de MTM1 et MTMR2, et montrent que MTMR2 est une cible thérapeutique potentielle pour la myopathie XLCNM. / MTM1 and MTMR2 are 2 phosphatases of phosphoinositides that belong to the myotubularin family conserved through evolution. Despite their high level of similarity, mutations in MTM1 lead to the severe XLCNM myopathy while mutations in MTMR2 lead to the CMT4B neuropathy. The molecular bases for the surprising tissue-specific functions of these ubiquitously expressed proteins was unclear. Moreover, there is no specific therapy for these diseases.I first characterized the activity of the two naturally occurring isoforms of MTMR2, that we named MTMR2-L (long) and MTMR2-S (short). I found that the functional differences between MTM1 and MTMR2 reside mostly in the N-terminal extension of MTMR2-L, and that the endogenous MTMR2-S isoform lacking this N-terminal extension behaves similarly as MTM1. Then, using the myopathic Mtm1 KO mouse and AAV-mediated expression, I showed that exogenous expression of MTMR2 isoforms, and specifically of MTMR2-S, strongly improved the muscle atrophy, muscle force and the histological hallmarks of the myopathic mice. These data reveal a first molecular basis for the functional specificities of MTM1 and MTMR2, and highlight MTMR2 as a therapeutic target for XLCNM myopathy.

Le couplage excitation-contraction (EC) du muscle squelettique correspond à l’efflux de Ca2+ par le réticulum sarcoplasmique (RS) suite à une dépolarisation sarcolemmale. Des mutations dans les gènes MTM1 et DNM2 sont responsables respectivement de la forme sévère et modérée de la myopathie centronucléaire (CNM). Chez la souris Mtm1 KO, l’absence de la (PtdInsP) 3-phosphatase MTM1 est associée à une altération du couplage EC, propablement la cause majeure de la faiblesse musculaire. Le rôle du PdtIns(4,5)P2 dans la régulation du couplage EC a été étudié dans des fibres musculaires exprimant une PtdInsP phosphatase sensible au potentiel. Grâce à une combinaison d’électrophysiologie et d’imagerie confocale, nous avons montré une altération de l’efflux calcique en réponse à de fortes dépolarisations déplétant les stocks de PdtIns(4,5)P2 à la membrane.Dans un deuxième temps, une caractérisation complète des défauts de signalisation calcique et du couplage EC a été réalisée dans les fibres musculaires isolées de souris Mtm1 KO. Nos résultats indiquent que l’efflux calcique est d’amplitude réduite, est retardé et est spatialement hétérogène. L’inhibition pharmacologique de l’activité PtdInsP 3-kinase améliore ces défauts in vitro et la survie des souris in vivo, suggérant que l’accumulation des substrats de MTM1 participe au défaut du couplage EC. Ces résultats montrent le bénéfice thérapeutique d’une approche pharmacologique aux inhibiteurs d’activité PtdInsP 3-kinase.Enfin, nous avons montré que les fibres musculaires d’un modèle murin de la forme modérée de CNM (KI-Dnm2R465W) partagent certaines altérations du couplage EC avec le modèle Mtm1 KO (retard de l’efflux calcique) pouvant contribuer à la faiblesse musculaire. Cependant, d’autres défauts (altérations structurales, réduction de l’efflux calcique) affectent plus sévèrement le modèle Mtm1 KO, et pourraient être déterminants dans la différence de sévérité entre les deux formes de CNM / Excitation-contraction (EC) coupling is the process whereby a membrane depolarization leads to an increased cytosolic Ca2+ content, allowing contraction. Mutations in the genes MTM1 and DNM2 are responsible respectively for severe and moderate forms of centronuclear myopathy (CNM). In Mtm1 KO mouse model, MTM deficiency is associated with defective EC coupling, which makes probably the major contribution to muscle meakness.PdtIns(4,5)P2 involvement in regulating EC coupling has been investigated in muscle fibers expressing a voltage sensing PtdInsP phosphatase. Thanks to a combination of electrophysiology and confocal imaging techniques, we showed a reduction of SR Ca2+ release amplitude in response to strong depolarizations activating PdtIns(4,5)P2 depletion at plasma membrane.Secondly, we made a complete characterization of calcium signaling and EC coupling properties in isolated muscle fibers from Mtm1 KO mice. Our results demonstrate that SR Ca2+ release is depressed, delayed and spatially heterogeneous in diseased fibers. Moreover, we showed that pharmacological inhibition of PtdInsP 3-kinase activity improves these defects in vitro and mice survival in vivo, suggesting that accumulation of MTM1 substrates may participate to defective EC coupling. Overall, these results provide proof of concept for the use of PtdIns 3-kinase inhibitors in severe form of CNM.Finally, we showed that muscle fibers from murine model of moderate CNM form (KI-Dnm2R465W) share some of EC coupling defects with Mtm1 KO model (delayed SR Ca2+ release) that may contribute to muscle weakness. However, other defects (structural alterations, depressed SR Ca2+ release) affect more severely Mtm1 KO model, and may be critical in determining the severity of CNM

La Myotubularine (MTM1) est une 3-phosphatase à phosphoinositides (PI) mutée dans la myopathie centronucléaire liée au chromosome X (XLCNM), caractérisée par une faiblesse musculaire et un positionnement anormal des noyaux dans les fibres musculaires. MTM1 définit une grande famille de phosphatases, exprimées dans tous les tissus, et qui englobent des phosphatases catalytiquement actives et inactives. Les myotubularines actives dephosphorylent le phosphatidylinositol 3 monophosphate [PtdIns3P] et le 3,5-bisphosphate [PtdIns(3,5)P2] en PtdIns et PtdIns5P, respectivement. Le rôle de MTM1 et son activité phosphatase à lipide dans le muscle restaient peu connus. L’étude approfondie de la protéine a révélé une association de MTM1 au réticulum sarcoplasmique des triades, un sous-compartiment impliqué dans la régulation calcique. La caractérisation de la souris Mtm1 KO, qui reproduit la XLCNM, a témoigné d’une anomalie de l’organisation et de la forme du réticulum sarcoplasmique. Afin d’explorer l’implicationde l’activité phosphatase de MTM1 dans l’organisation de réticulum sarcoplasmique, j’ai utilisé une approche in vivo avec des virus adéno-associé (AAV) pour moduler l’activité phosphatase en sur-exprimant MTM1 et sa forme phosphatase-inactive (MTM1-C375S) dans un muscle sauvage. L’observation des muscles transduits a dévoilé une implication de MTM1 dans le remodelage du réticulum sarcoplasmique et un rôle potentiel de PtdIns3P avec MTM1 dans la courbure des membranes du réticulum sarcoplasmique. Afin de comprendre l’importance de l’activité phosphatase dans le maintien du phénotype XLCNM, les muscles de souris Mtm1 KO ont été injectés avec ces AAVs contenant la forme active et inactive de MTM1 au moment de l’apparition des premiers signes de XLCNM. Étonnamment, la forme phosphatase-inactive(MTM1-C375S) a sauvé le phénotype de la souris Mtm1 KO de la même façon que la forme active, suggérant que l'activité de phosphatase de MTM1 n’est pas nécessaire pour le maintien de la structure intracellulaire des fibres du muscle adulte. Ces données suggèrent que MTM1 exerce une fonction phosphatase-indépendante dans le maintien de la structure musculaire, certainement via des interactions protéine-protéine, et une fonction phosphatase-dépendente dans le remodelage de la forme du réticulum sarcoplasmique dans le muscle squelettique. / Myotubularin (MTM1) is a phosphoinositide (PI) 3-phosphatase mutated in X-linked centronuclear myopathy (XLCNM), a rare congenital myopathy characterized by muscle weakness and abnormal positioning of nuclei in muscle fibers. MTM1 defines a large family of ubiquitously expressed catalytically active and inactive phosphatases. Active myotubularins dephosphorylate both phosphatidylinositol 3-phosphate [PtdIns3P] and 3,5-bisphosphate [PtdIns(3,5)P2] to PtdIns andPtdIns5P, respectively. The specific role of MTM1 and its PI phosphatase activity in muscle remains unknown. Comprehensive analysis of the protein unveiled the association of MTM1 with the sarcoplasmic reticulum (SR) at the triads. Characterization of Mtm1-KO mouse, which reproduce the XLCNM phenotype, revealed a defect of SR organization and shape. In order to gain insight into the involvement of MTM1 phosphatase activity on SR shape and organization, we employed an in vivo approach using Adeno-Associated Virus (AAV) to modulate the phosphatase activity by overexpressingMTM1 and its phosphatase inactive mutant in wild type muscle. The analysis of transduced muscle revealed the involvement of MTM1 in the SR remodeling and its potential role together with PtdIns3P in modulating membrane curvature. In order to understand the importance of the phosphatase activity in the generation of the XLCNM phenotype, Mtm1 KO mice were injected with AAV expressing the active form and the phosphatase inactive form. Surprisingly, both, the phosphatase active and the phosphatase inactive mutant corrected the Mtm1-KO mouse phenotype to a similar extent, thus suggesting that the PI-phosphatase activity of MTM1 is not essential for adult skeletal muscle maintenance. Our data indicates that MTM1 has a phosphatase-independent function in adult muscle structure maintenance and a phosphatase-dependent function in sarcoplasmic reticulum remodeling and shape in skeletal muscle.