Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) is a disorder caused by loss-of-function mutations in dystrophin, a critical protein that maintains muscle fiber integrity. Our lab discovered that dystrophin-deficient skeletal muscle stem cells, also known as satellite cells, cannot generate enough myogenic progenitors for proper muscle regeneration. Previously, we demonstrated that WNT7A, a protein expressed during muscle regeneration, stimulates symmetric division of satellite cells, and gives rise to two daughter satellite cells. Conversely, epidermal growth factor (EGF) induces asymmetric division, which generates one daughter satellite cell and one committed precursor cell. We aimed to investigate these satellite cell division mechanisms following WNT7A or EGF treatment in a human model using healthy and DMD-patient derived hiPSCs differentiated into the myogenic lineage. The presence of satellite-like cells was confirmed in both lines by their characteristic expression of PAX7 and other myogenic markers. Intriguingly, DMD-patient hiPSCs precociously differentiated compared to healthy control human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). More notably, WNT7A treatment had a potent effect on the DMD differentiated cells. High content analysis revealed an expansion of the satellite-like cell pool as observed by a higher number of PAX7+ cells within the total population and gene expression analysis demonstrated a significant increase in global PAX7 expression. In contrast, EGF treatment reduced the number of PAX7+ cells and increased the proportion of MYOG+ cells within the myogenic population, indicating an increase in myogenic progenitors. Taken together, WNT7A and EGF can alter the myogenic differentiation program of healthy and DMD-patient derived hiPSCs by modulating the satellite-like cell division dynamics.

La drépanocytose est une hémoglobinopathie génétique ayant pour conséquences une anémie hémolytique chronique et sévère et des crises vaso-occlusives itératives. Cette pathologie s’accompagne également d’une intolérance à l’effort et d’altérations de la fonction et du tissu musculaire. Récemment, nous avons pu montrer, par une étude contrôlée et randomisée, l’innocuité et les bénéfices fonctionnels d’un programme d’entrainement en endurance, d’intensité modérée, chez des patients drépanocytaires. L’objectif de ce travail doctoral a été d’évaluer les effets de ce programme d’entrainement sur les caractéristiques musculaires de quarante patients drépanocytaires homozygotes. L’analyse des biopsies musculaires rapporte des adaptations tissulaires chez les patients entrainés, illustrées par une augmentation de la surface des myocytes, une amélioration de leur capacité oxydative, une augmentation du nombre de microvaisseaux sans modification de leur tortuosité, laissant supposer une meilleure oxygénation musculaire. L’excellente tolérance de ce mode d’entrainement semble reposer sur une plus faible mobilisation des voies anaérobies comme en témoigne la stabilité des activités enzymatiques associées à la glycolyse lactique et l’absence de modification du contenu musculaire des protéines impliquées dans la régulation du pH. Par ailleurs, cet entrainement n’a pas engendré de dégradation tissulaire notable. Ainsi, cet entrainement a non seulement apporté des bénéfices fonctionnels, mais également réduit les dysfonctionnements tissulaires musculaires. Cette thérapie par l’exercice peut donc être considéré comme une stratégie adjuvante prometteuse pour les patients drépanocytaires. / Sickle cell disease is a genetic hemoglobinopathy resulting in chronic and severe hemolytic anemia and iterative vaso-occlusive crisis. This pathology is also accompanied by exercise intolerance and alterations in muscle function and tissue. Recently, we demonstrated, through a randomized controlled study, the safety and functional benefits of a moderate-intensity endurance exercise training program in sickle cell disease patients. The objective of this doctoral work was to evaluate the effects of this training program on the muscle characteristics of forty homozygous sickle cell disease patients. The analysis of muscle biopsies reported tissue adaptations in trained patients, illustrated by an increase in the surface area of myocytes, an improvement in their oxidative capacity, an increase in the number of microvessels without modification of their tortuosity, suggesting a better muscle oxygenation. The excellent tolerance of this training mode seems to be based on a lower mobilization of the anaerobic pathways, as shown by the stability of the enzymatic activities associated with lactic glycolysis and the lack of any modification of the muscle protein content involved in pH regulation. Moreover, this training did not result in any significant tissue degradation. Thus, this training provided functional benefits, but also reduced muscle tissue dysfunctions. This exercise therapy can therefore be considered a promising adjuvant strategy for sickle cell disease patients.

La sarcopénie est définie comme la diminution de la masse et de la force musculaires squelettiques au cours du vieillissement.Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était d’évaluer l’action régulatrice de la vitamine D sur le dialogue entre cellules immunitaires et musculaires et son implication dans les capacités de régénération du muscle âgé.Dans un premier temps, nous avons étudié in vitro la différenciation des cellules musculaires de la lignée L6 co-cultivée ou non avec des cellules immunitaires (PBMC : cellules mononuclées du sang périphérique), et en présence ou non de LPS. Ce modèle a permis d’établir que les PBMC stimulaient bien la différenciation musculaire. La réponse pro-inflammatoire induite par le LPS inhibait l’expression des marqueurs de différenciation. Même en présence de LPS, la stimulation de l’expression ce des marqueurs dans les L6 co-cultivées était conservée. De plus, l’environnement pro-inflammatoire induit par le LPS dans les co-cultures inhibait l’expression musculaire des marqueurs de la voie de la régénération, comme Notch. Nous avons ensuite utilisé le même système de co-cultures afin de déterminer si la vitamine D, ici la 25(OH)D, pouvait moduler les sécrétions cytokiniques des PBMC et ainsi modifier l’expression des marqueurs de différenciation musculaires. Le traitement des co-cultures à la 25(OH)D n’a modifié ni le profil de sécrétion cytokinique des PBMC, ni l’expression des marqueurs de différenciation des L6.Dans un deuxième temps, nous avons étudié à l’aide d’un modèle de rats âgés déplétés en vitamine D les mécanismes pouvant contribuer à l’atrophie musculaire observée. Nous avons mis en évidence que l’activité de la voie de signalisation Notch, voie clé du processus de régénération, ainsi que la prolifération musculaire étaient diminuées chez ces rats, et ceci même en absence de lésion. Nous avons ensuite évalué l’effet du statut en vitamine D sur un processus aigu de régénération au cours de vieillissement chez le rat. L’analyse de cette expérimentation, actuellement en cours, a déjà permis de mettre en évidence qu’au cours du vieillissement, la prolifération musculaire suite à une lésion est diminuée, d’autant plus si le rat âgé est carencé en vitamine D. Le même résultat a été retrouvé pour l’expression d’une cible de la voie Notch (Hes1). En outre, l’expression des marqueurs de différenciation semblaient être altérée chez les animaux âgés résultant probablement en un retard et/ou une inefficacité du processus de différenciation, en particulier chez les rats âgés déplétés en vitamine D. En revanche, la supplémentation en vitamine D ne semblait pas avoir d’effet sur la régénération musculaire du rat âgé.En conclusion, in vitro, la 25(OH)D ne modifiait pas l’expression des marqueurs de différenciation des cellules musculaires co-cultivées avec des cellules immunitaires. En revanche in vivo, la déplétion en vitamine D semblerait aggraver l’effet de l’âge sur la régénération musculaire.La diminution de la capacité de régénération musculaire est un facteur contribuant au développement de la sarcopénie. Ce travail a permis de montrer que le maintien d’un statut optimal en vitamine D serait nécessaire à la conservation des capacités de régénération musculaire. Il semble donc important de maintenir des statuts optimaux en vitamine D afin de limiter l’atrophie musculaire au cours du vieillissement. / One of the most striking effects of ageing is an involuntary loss of skeletal muscle mass known as sarcopenia. The development of sarcopenia appears to be multifactorial and includes anabolic resistance to dietary amino acids and sedentary lifestyle. The diminished ability of aged muscle to self-repair is also a key factor of sarcopenia. During the regeneration process, immune and muscle cells work in a cross-talk leading to an optimal muscle cell proliferation and differentiation. However, with aging, the immune response is impaired, possibly contributing to the reduction in the capacity of regeneration.Muscle and immune cells are both targets of vitamin D action. This vitamin modulates muscle cell proliferation and differentiation and stimulates the anti-inflammatory response of immune cells. With age, vitamin D insufficiencies or deficiencies develop.In this context, the main objective of this thesis was to evaluate the regulatory action of vitamin D on the cross-talk between immune and muscle cells and its implication in the ability of skeletl muscle to regenerate during aging.Initially, we studied in vitro the differentiation of L6 muscle cells co-cultured with or without immune cells (PBMC: peripheral blood mononuclear cells), and in with or without of LPS. From this model, PBMC stimulated muscle cell differentiation. The pro-inflammatory response induced by LPS inhibited the expression of muscle differentiation markers in muscle cells. Of note, these markers were stimulated even in presence of LPS. In addition, the LPS-associated pro-inflammatory environment inhibited the Notch signaling pathway, the key pathway of muscle regeneration process, in L6 cells co-cultured with PBMC. We then used the same system of co-cultures to determine whether vitamin D, in its 25 (OH)D form, could modulate PBMC cytokine secretion and thereby could alter the expression of markers of muscle differentiation. Unfortunately, the treatment of co-culture with 25 (OH) D has changed neither the profile of PBMC cytokine secretion nor the expression of differentiation markers in L6 cells.Secondly, we investigated in a model of old rats the mechanisms that contribute to muscle atrophy following vitamin D depletion. We have demonstrated that the activity of the Notch signaling pathway, as well as muscle proliferation were reduced in old vitamin D-depleted rats, even in the absence of lesions. Then we evaluated the effect of the vitamin D status on an acute muscle regeneration process, i.e. muscle infusion of notexin in old rats. This ongoing experiment has already highlighted that during aging, muscle proliferation is reduced after injury, especially if age is associated with a vitamin D deficiency. In addition, during aging, the expression of differentiation markers was altered resulting in delayed and/or incomplete differentiation process, in particular in vitamin D-depleted old rats. However, vitamin D supplementation seemed to have no beneficial or deleterious effects on muscle regeneration in aged rats.In conclusion, in vitro 25 (OH) D was unable to modulate the differentiation of muscle cells co-cultured with immune cells. However, in vivo, vitamin D depletion appeared to worse the effect of ageing on muscle regeneration.The diminished ability of aged muscle to self-repair is a factor of sarcopenia. Our work has demonstrated the importance of maintening optimal vitamin D status to preserve muscle regeneration capacity and thus to limit muscle atrophy during aging.

Les muscles permettent de générer force et mouvements et ont des fonctions métaboliques importantes. Mon travail a consisté à caractériser le rôle et les mécanismes d’actions des androgènes dans le muscle strié. Nous avons montré que l’ablation du récepteur des androgènes dans les myofibres n’affecte pas la masse musculaire car à la fois les voies anaboliques (IGF1) et cataboliques (myostatine) sont dérégulées. Cependant, l’absence du récepteur dans les myofibres diminue l’hypertrophie musculaire induite par une surcharge mécanique et limite l’atrophie induite par les glucocorticoïdes. Son ablation augmente également l’autophagie, entrainant une déstructuration des sarcomères, conduisant à une diminution de la force musculaire. De plus, sa délétion diminue la vitesse d’absorption du glucose lors d’une surcharge glucidique. Le récepteur des androgènes dans les myofibres régule donc la masse et la force musculaire, ainsi que l’import du glucose. / Muscles generate strength and movement, and have important metabolic functions. The aim of my work was to characterize the role and mechanisms of action of androgen receptor in skeletal muscle. We show that ablation of the androgen receptor in skeletal muscle myofibers does not affect muscle mass as both anabolic (IGF1) and catabolic pathways (myostatin) are deregulated. However, the absence of this receptor in myofibers decreases muscle hypertrophy induced by mechanical overload and limits glucocorticoids-induced muscle atrophy. Its ablation also increases autophagy, leading to sacromeres destructuration, resulting in decreased muscle strength. Moreover, its deletion reduced the rate of glucose absorption during a glucidic overload. Thus, myofibres androgen receptor regulates muscle mass and strength, as well as glucose import.

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