Universiẗat, Diss., 2002--Frankfurt (Main).

Universiẗat, Diss., 2006--Frankfurt (Main).

Therapeutic approaches leading to the stimulation of regeneration, and/or inhibition of degeneration processes in neuromuscular disorders are believed to offer valid therapeutic strategies that would preserve muscle tone and contribute to the quality of life while lengthening patient life span. Activation of CalcineurinA (CnA), a threonine-serine phosphatase, controls gene regulatory programs in skeletal muscle by stimulating slow muscle fiber (type I) gene expression. This phosphatase has been also identified as a key mediator in the hypertrophic response and in skeletal muscle regeneration. Activation of CnA is, therefore, considered as a potentially interesting means of stimulating muscle regeneration in myopathies. We have identified a peptide aptamer that activates CnA in vitro, in cells and in vivo. In a mouse model for denervation-induced muscle atrophy, CnA-activating peptide aptamers show significant positive impact. This is reflected in larger overall muscle cross-sectional surface area due to an increased number of fibers and larger individual fiber surface area. Insight into the biological mechanism is afforded by observation of increased levels of nuclear NFAT transcription factor in these fibers, in agreement with peptide aptamer-mediated activation of CnA. Furthermore, a significant increase in central nuclei, characteristic of the presence of new fibers, is observed in muscles treated with the peptide aptamers specifically activating CnA. Identification of the specific binding site of the peptide aptamer on CnA was achieved using several truncations of the phosphatase, offering insight into the molecular mechanism of action. Together, these studies offer the first proof that direct activation of endogenous CnA has a measureable impact on cellular responses resulting in stimulation of muscle regeneration and enhancement of pathophysiological state in selected animal models.

Des approches thérapeutiques visant à la stimulation de la régénération et/ou à l’inhibition des processus de dégénérescence neuromusculaire pourraient constituer des stratégies efficaces pour préserver le tonus musculaire des patients et augmenter ainsi leur espérance de vie. L’activation de la Calcineurine A (CnA), une phosphatase des sérines et thréonines, contrôle une large gamme de réseaux régulateurs dans le muscle squelettique, notamment en stimulant l’expression de gènes spécifiques des fibres musculaires lentes (de type I). La CnA est considérée comme un acteur clé de la réponse hypertrophique et du processus de régénération dans le muscle squelettique. L’activation de la CnA est ainsi considérée comme une stratégie potentielle pour stimuler la régénération musculaire dans les cas de myopathie. Nous avons identifié un aptamère peptidique qui active la CNA in vitro et in vivo. Dans un modèle murin d’atrophie musculaire induite par dénervation, l’aptamère a montré de significatives capacités thérapeutiques. L’effet curatif de l’aptamère a notamment été observable par une augmentation générale de la surface des muscles traités, mais aussi par un accroissement de la surface individuelle des fibres musculaires.Une augmentation du niveau de NFAT nucléaire dans ces fibres a été observée, en cohérence avec les capacités d’activation de la CnA par notre aptamère. Par ailleurs, une autre observation faite dans les muscles traités avec l’aptamère a été l’augmentation de noyaux centraux, caractéristiques de la présence de nouvelles fibres. Finalement, l’identification du site d’interaction entre la CnA et notre aptamère, permise par l’utilisation de plusieurs formes tronquées de la phosphatase, a offert un aperçu du mécanisme d’action de l’aptamère à l’échelle moléculaire. Dans l’ensemble, les études présentées ici ont offert la première démonstration qu’une activation directe de la CnA endogène a un impact significatif sur les processus cellulaires, résultant en la stimulation de la régénération musculaire et l’amélioration de l’état physiopathologique chez les modèles animaux utilisés. / Therapeutic approaches leading to the stimulation of regeneration, and/or inhibition of degeneration processes in neuromuscular disorders are believed to offer valid therapeutic strategies that would preserve muscle tone and contribute to the quality of life while lengthening patient life span. Activation of CalcineurinA (CnA), a threonine-serine phosphatase, controls gene regulatory programs in skeletal muscle by stimulating slow muscle fiber (type I) gene expression. This phosphatase has been also identified as a key mediator in the hypertrophic response and in skeletal muscle regeneration. Activation of CnA is, therefore, considered as a potentially interesting means of stimulating muscle regeneration in myopathies. We have identified a peptide aptamer that activates CnA in vitro, in cells and in vivo. In a mouse model for denervation-induced muscle atrophy, CnA-activating peptide aptamers show significant positive impact. This is reflected in larger overall muscle cross-sectional surface area due to an increased number of fibers and larger individual fiber surface area. Insight into the biological mechanism is afforded by observation of increased levels of nuclear NFAT transcription factor in these fibers, in agreement with peptide aptamer-mediated activation of CnA. Furthermore, a significant increase in central nuclei, characteristic of the presence of new fibers, is observed in muscles treated with the peptide aptamers specifically activating CnA. Identification of the specific binding site of the peptide aptamer on CnA was achieved using several truncations of the phosphatase, offering insight into the molecular mechanism of action. Together, these studies offer the first proof that direct activation of endogenous CnA has a measureable impact on cellular responses resulting in stimulation of muscle regeneration and enhancement of pathophysiological state in selected animal models. / Specifici approcci terapeutici diretti alla stimolazione della rigenerazione e/o dell’inibizione dei processi degenerativi in patologie neuromuscolari, sono considerati come strategie efficaci per preservare il tono muscolare e aumentare in questo modo la speranza di vita dei pazienti. L’attivazione della Calcineurin A (CnA), una treonina/serina fosfatasi, controlla una vasta gamma di vie di trasduzione nel muscolo scheletrico, stimolando in particolare l’espressione dei geni specifici delle fibre muscolari lente (tipo 1). La Cna rappresenta un elemento chiave nella risposta ipertrofica e nel processo di rigenerazione muscolare. Per questo motivo, l’attivazione della CnA é considerata come un’approccio terapeutico interessante per stimolare la rigenerazione muscolare nelle miopatie. Nel nostro laboratorio, abbiamo identificato un aptamero peptidico che attiva la CnA sia in vitro che in vivo. In un modello murino di atrofia muscolare indotta tramite denervazione, l’aptamero petidico risulta avere delle significative potenzialità terapeutiche. Tale effetto si riflette in un aumento della superficie totale delle sezioni trasversali dei muscoli trattati, dovuto all’aumento sia del numero delle fibre che alla loro superficie individuale. L’effetto dell’aptamero peptidico sull’attivazione della CnA , nelle fibre trattate in vivo é dimostrata dall’osservazione della localizzazione prevalentemente nucleare del fattore di trascrizione NFAT, principale substrato della CnA. Un notevole aumento di nuclei centrali, caratteristica principale del processo di rigenerazione muscolare, é inoltre osservato in queste fibre. L’identificazione del sito d’interazione dell’aptamero peptidico e la proteina tramite l’utilizzo di vari costrutti della CnA ha permesso di avanzare delle ipotesi sul meccanismo d’azione dell’aptamero a livello molecolare. In conclusione, gli studi esposti in questa tesi rappresentano la prima dimostrazione che la diretta attivazione della CnA endogena ha un notevole effetto sulla stimolazione della rigenerazione muscolare e porta al miglioramento dello stato fisio-patologico nei modelli murini utilizzati.

Les aptamères peptidiques sont des protéines combinatoires capables de moduler spécifiquement une fonction de leur cible. Une sélection fonctionelle d’aptamères peptidiques capables d’inhiber la mort cellulaire Bax-dependante chez la levure et en cellules mammaifères a été effectuée. Deux aptamères peptidiques ont été sélectionnés (Apta-32 et Apta-34). L’objectif de ce travail de thèse a été de caractériser ces deux aptamères peptidiques et leur(s) cible(s) dans le contexte de la mort cellulaire Bax-dependante. La première partie est l’étude de l’Apta-34 qui cible une protéine (C34) contenant un domaine de mort et ayant des fonctions pro-apoptotiques. Nous avons montré que lors de l’induction de l’apoptose, C34 est transloquée du noyau (sa localisation principale) au cytoplasme. Dans les mêmes conditions, Apta-34 co-localise avec C34 dans le noyau, empêchant, ou du moins retardant, sa sortie du noyau. De plus nous avons identifié le site de liaison d’Apta-34 sur C34, qui est localisé dans les 215 amino acides en N-terminale de la protéine, une région qui contient un site prédictif d’export nucléaire. Finalement, nous avons montré que la délétion de l’homologue de C34 protège contre la mort induite par hBax en levure. La seconde partie est l’étude d’Apta-32 qui cible deux paralogues (C32a et b) d’une famille de protéine impliquée dans le traffic membranaire dans les voies de l’endocytose. Nous avons montré qu’Apta-32 se lie à un domaine fonctionnel de C32. Des études in silico de docking ont permis d’identifier trois sites distincts de liaison d’Apta-32 sur ce domaine. Le site dominant est composé d’acides aminés qui partagent des propriétés physico-chimiques communes entre les différents interacteurs d’Apta-32 (C32a, C32b et l’homologue levure) mais pas avec des homologues qui ne lient pas Apta-32. De plus un screening double hybride d’une banque de cDNA levure a permis d’identifier des cibles mevure d’Apta-32. Finalement, des études préliminaires chez l’embryons de drosophile, permettent de suggérer que l’expression d’Apta-32 peut entraîner un défaut de la phagocytose. Cette étude a permis d’identifier des régulateurs de la mort cellulaires impliqués dans deux processus cellulaires distincts. / Peptide aptamers are small combinatorial proteins able to specifically modulate a function of their target. A functional selection of peptide aptamers able to inhibit Bax-dependent cell death in yeast and mammalian systems has been performed. Two peptide aptamers have been selected (Apta-32 and Apta-34). The aim of this thesis project was to characterize those two inhibitory peptide aptamers and their targets in order to understand their function in the Bax-dependent cell death. The first part focuses on Apta-34 that targets a Death Domain-containing protein (T34) that has pro-apoptotic functions. We showed that during the induction of apoptosis T34 translocates from nucleus (its major localization site) to the cytoplasm. In the same conditions, Apta-34 co-localizes with T34 in the nucleus, inhibiting or at least delaying its exit from the nucleus. Moreover we identified that Apta-34 binds to the well conserved 215 N-terminal amino acids of T34 that contains a putative Nuclear Export Signal. Finally we showed that the deletion of its homologue prevents hBax-induced cell death in yeast. The second part focuses on Apta-32 that targets two paralogues (T32a and b) of a family of proteins involved in the endocytotic membrane trafficking. We showed that Apta-32 is binding to a functional domain of T32. By in silico docking studies we identified 3 distinct binding sites of Apta-32 on this domain. The dominant binding site is composed by amino acid that share physico-chemical properties between binders of Apta-32 (T32a, T32b and a yeast homologue) but not with homologues that do not bind Apta-32. Moreover we identified yeast targets of Apta-32 by yeast two hybrid yeast cDNA library screening. Finally preliminary observations on drosophila embryos expressing Apta-32 suggest that Apta-32 expression could lead to a defect on phagocytosis. This study leads to the identification of regulators of the cell death acting on two distinct pathways.