Thesis (MSc)--University of Stellenbosch, 2007. / ENGLISH ABSTRACT: Tumour necrosis factor alpha (TNFα) is a pleiotropic cytokine and has a wide variety of dose dependent cellular effects ranging from cell growth and differentiation, to inducing apoptosis. It has long been implicated in muscle and non-muscle inflammatory disorders, such as muscle wasting in chronic disease states, and rheumatoid arthritis. However, a physiological role for TNFα in muscle regeneration has been proposed as elevated levels of the cytokine are present when muscle regeneration processes are initiated: TNFα is secreted by infiltrating inflammatory cells, and by injured muscle fibres. Adult skeletal muscle contains a population of resident stem cell-like cells called satellite cells, which become activated, proliferate and differentiate following muscle injury to bring about repair of damaged muscle. Much research on the effects of TNFα on satellite cell differentiation has been conducted in recent years. It is however difficult to get a complete characterisation of the cytokine’s action as all models used slightly differ. We aimed therefore at providing comprehensive assessment of the effects of increasing doses of chronically supplemented TNFα on differentiating C2C12 cells. Cells were allowed to differentiate with or without TNFα supplementation for 7 days. Differentiation was induced at day 0. The effect on differentiation was assessed at days 1, 3, 5, and 7 by western blot analysis, and supplementary immunohistochemical analysis at days 1, 4, and 7 of markers of differentiation - muscle regulatory factors: MyoD and myogenin, markers of the cell cycle p21, PCNA, and the integral signalling molecule, p38MAPK. TNFα supplementation at day 1 tended to positively regulate early markers of differentiation. With continued supplementation however, markers of differentiation decreased dose dependently in treated cultures as the initial effect appeared to be reversed: A trend towards a dose dependent decrease in MyoD, myogenin and p21 protein existed in treated cultures at days 3, 5, and 7. These findings were significant at day 5 (p21, p<0.05), and day 7 (myogenin, p<0.05). A significant dose dependent decrease in p38 phosphorylation was evident at day 3 (p<0.05), while phospho-p38 was dose dependently increased at day 7 (p<0.05). Taken together, these data show that TNFα supplementation for 24 hours following the induction of differentiation in vitro, tends to increase levels of early markers of differentiation, and with continued TNFα supplementation decrease markers of differentiation in a dose dependent fashion. This study provides a comprehensive characterisation of the dose and time dependent effects of TNFα on satellite cell differentiaton in vitro. The model system used in the current study, allows us to make conclusions on more chronic disease states. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Tumor nekrose faktor alfa (TNFα) is ‘n pleiotropiese sitokien wat ‘n wye verskeidenheid, dosis afhanklike, sellulêre effekte te weeg bring. Hierdie sellulêre effekte sluit sel groei en differensiasie tot sel dood in. TNFα is by beide spier en niespier inflammatoriese stoornisse soos spier tering in kroniese siektetoestande, en rumatiese artritis betrek. ‘n Fisiologiese rol vir TNFα is egter voorgestel aangesien verhoogde vlakke van die sitokien tydens inisiasie van spier herstel meganismes teenwoordig is: TNFα word deur infiltrerende inflammatoriese selle, asook deur beseerde spier vesels afgeskei. Volwasse skeletspier bevat ‘n populasie stamselagtige selle, sogenoemde satelliet selle. Laasgenoemde word geaktiveer, prolifereer en differensieër volgende spierbesering, om sodoende herstel van beskadigde spier te weeg te bring. Baie navorsing op die effekte van TNFα op satelliet sel differensiasie is onlangs uitgevoer. Dit is egter aansienlik moeilik om volgens hierdie navorsing‘n algehele beeld van TNFα se aksies te vorm aangesien alle modelle wat gebruik word verskil. Ons doel was daarom om ‘n omvangryke assessering van toenemende konsentrasies kronies gesupplementeerde TNFα op differensieërende C2C12 selle op ‘n enkele model uit te voer. Selle was vir 7 dae met of sonder TNFα supplementasie gedifferentieër. Differensiasie was by Dag 0 geïnduseer. TNFα se effek op differensiasie is op dae 1, 3, 5, en 7 deur middel van western blot analise geassesseer. Aanvullende immunohistochemiese bepalings op dae 1, 4, en 7 is verder deurgevoer. Merkers vir differensiasie het die spier regulatoriese faktore MyoD en miogenien, sel siklus merkers p21 en PCNA, asook die integrale sein transduksie molekule p38MAPK ingesluit. TNFα supplementasie by dag 1 het geneig om vroeë merkers van differensiasie positief te reguleer. Met voortdurende supplementasie is die vroeë positiewe effekte (op ‘n dosis afhanklike manier) egter omgekeer: ‘n neiging teenoor (‘n dosis afhanklike) vermindering in MyoD, miogenien en p21 proteïen het in behandelde kulture op dae 3, 5, en 7 bestaan. Hierdie bevindinge was beduidend by dag 5 (p21, p<0.05), en dag 7 (miogenien, p<0.05). A beduidende dosis afhanklike afname in p38 fosforilasie was duidelik by dag 3 (p<0.05), terwyl fosfo-p38 by dag 7 verhoog het met verhoogde konsentrasie TNFα (p<0.05). Bogenoemde saamgevat, dui aan dat TNFα supplementasie 24h volgende die induksie van differensiasie in vitro, verhoogde vlakke van vroeë differnsiasie merkers te weeg bring. Met voortdurende TNFα supplementasie, word differensiasie merkers egter met toenemende dosis verminder. Hierdie studie voorsien ‘n omvattende karakterisering van die dosis- en tyd afhanklike effekte van TNFα op satelliet sel differesiasie in vitro. Die model sisteem in hierdie studie gebruik, maak afleidings oor meer kroniese siektetoestande moontlik.

[Résumé traduit automatiquement par le site web Reverso : Un problème majeur dans la biologie de cellule souche pour la recherche de base et clinique est l'accessibilité aux cellules souches de sain ou des individus de malade et le maintien(la maintenance) de leur puissance pour l'expérimentation, des écrans de médicament(drogue) thérapeutiques, ou des transplantations. Ici nous rapportons des conditions pour l'isolement de cellules myogenic squelettiques viables et fonctionnelles de l'homme jusqu'à 17 jours et la souris jusqu'à 14 jours post-mortem, significativement au-delà des rapports précédents. Les cellules souches de muscle ont été enrichies dans le mouchoir en papier(le tissu) post-mortem suggérant un avantage de survie sélectif comparé à d'autres types cellulaires. Les transplantations de 4 jour le muscle de souris post-mortem et des cellules souches haematopoietic ont régénéré des mouchoirs en papier(des tissus) solidement. La quiétude cellulaire contribue à cette viabilité de cellule souche de muscle où les cellules adoptent un état inerte réversible caractérisé par l'activité métabolique réduite, une phase de décalage prolongée avant la première division cellulaire et un statut transcriptional moins prêt pour l'engagement. Plus loin(De plus), nous montrons que la réponse de stress(d'accent) de cellules souches à l'environnement post-mortem est NF-? B-independent et que des cellules souches de muscle post-mortem sont caractérisées par les niveaux élevés de ROS, plus haut mitochondrial le contenu d'ADN et l'activité inférieure d'oxyde super dismutases, pourtant ils ne montrent(n'affichent) pas de changements(monnaies) de niveaux de redox. Finalement, l'hypoxie sévère(grave), ou l'anoxie sont critiques pour maintenir(entretenir) la viabilité de cellule souche et la capacité régénératrice robuste. Ces découvertes ont des implications majeures pour des études fondamentales et cliniques sur des cellules souches et ils peuvent aussi être prolongés(étendus) à d'autres systèmes de cellule souche de normal et des patients de malade (comme un exemple que nous avons aussi montré que des cellules souches hematopoietic survivent pendant une période prolongée(étendue) après la mort dans des mouchoirs en papier(des tissus) et restent fonctionnelles in vivo).] / A major issue in stem cell biology for basic and clinical research is the accessibility to stem cells from healthy or diseased individuals, and the maintenance of their potency for experimentation, therapeutic drug screens, or transplantations. Here we report conditions for the isolation of viable and functional skeletal myogenic cells from human up to 17 days, and mouse up to 14 days post mortem, significantly beyond previous reports. Muscle stem cells were enriched in post mortem tissue suggesting a selective survival advantage compared to other cell types. Transplantations of 4 day post mortem mouse muscle and haematopoietic stem cells regenerated tissues robustly. Cellular quiescence contributes to this muscle stem cell viability where cells adopt a reversible dormant state characterised by reduced metabolic activity, a prolonged lag phase before the first cell division, and a transcriptional status less primed for commitment. Further, we show that the stress response of stem cells to the post mortem environment is NF-κB-independent, and that post mortem muscle stem cells are characterised by elevated levels of ROS, higher mitochondrial DNA content, and lower activity of super oxide dismutases, yet they do not display changes in redox levels. Finally, severe hypoxia, or anoxia is critical for maintaining stem cell viability and robust regenerative capacity. Ces découvertes ont des implications majeures pour des études fondamentales et cliniques sur des cellules souches et ils peuvent aussi être prolongés(étendus) à d'autres systèmes de cellule souche de normal et des patients de malade (comme un exemple que nous avons aussi montré que des cellules souches hematopoietic survivent pendant une période prolongée(étendue) après la mort dans des mouchoirs en papier(des tissus) et restent fonctionnelles in vivo).

Les homéoprotéines SIX sont codées par les gènes Sine oculis homeobox related genes Six1 à Six6 chez les vertébrés parmi lesquels Six1, Six2, Six4 et Six5 sont exprimés dans le lignage myogénique. Bien que Six1 et Six4 soient requis pour la myogenèse hypaxiale, les animaux doubles KO pour ces deux gènes (s1s4KO) forment leurs muscles épaxiaux et craniofaciaux. Nous avons caractérisé le phénotype de mutants composites des gènes Six et avons montré que l’absence de Six1 et Six2 empêchait la formation des muscles craniofaciaux et empirait les défauts de formation des muscles des membres observés chez les fœtus mutants pour Six1. Nous avons aussi observé que les fœtus dépourvus d’activité de SIX1, SIX2, SIX4 et SIX5 étaient toujours capables de former leurs muscles épaxiaux, mais que l’expression de Pax7 dans leurs progéniteurs myogéniques était fortement diminuée et mêlée à l’expression de Myogénine. Alors que les fœtus s1s4KO forment des muscles épaxiaux, leurs cellules PAX7+ ont un défaut de nichage entre la membrane plasmique des myofibres et la lame basale qui les entoure. Nos analyses transcriptomiques, nos expériences de transplantation et nos études in vitro nous ont permis de conclure que le nichage des cellules PAX7+ nécessitait un environnement adéquat combinant des propriétés des myofibres et des cellules PAX7+ ; environnement perturbé dans les muscles épaxiaux s1s4KO. Nos expériences de transplantation nous ont aussi permis de conclure que Six1 et Six4 étaient requis pour une bonne ré-innervation des myofibres après blessure et pour la mise en place du phénotype rapide de ces myofibres. De plus, les muscles transplantés avec des cellules PAX7+ fœtales s1s4KO après blessure se reforment d’un grand nombre de petites myofibres. Nous avons pu relier ce phénotype au comportement des cellules s1s4KO in vitro où elles montrent un défaut de fusion. Enfin, les homéoprotéines SIX ont besoin de co-facteurs pour induire l’expression de leurs gènes cibles, tels que les protéines EYA codées par les gènes Eya1 à Eya4 chez les vertébrés. Eya3 et Eya4 sont fortement exprimés dans les cellules satellite au cours de la régénération, cellules qui requièrent aussi Six1 pour une réparation musculaire efficace. Nous avons étudié la régénération musculaire en absence d’expression d’Eya3 et n’avons pas observé de défaut nous menant à la conclusion qu’Eya3 n’est pas requis pour la régénération musculaire adulte, mais que sa perte d’expression était peut-être compensée par un autre gène Eya chez les animaux mutants. Pour conclure, Six1 et Six2 sont indispensables à la formation des muscles craniofaciaux, et Six1 et Six4 sont requis pour la myogenèse hypaxiale, et pour l’établissement d’un environnement propice à la maturation des myofibres fœtales et au nichage des cellules PAX7+ au cours de la myogenèse épaxiale, et permettant la croissance des myofibres et leur ré-innervation après blessure. La collaboration des protéines SIX avec leurs co-facteurs EYA au cours de la myogenèse nécessite d’autres études pour mieux définir leurs fonctions. / SIX homeoproteins are encoded by the Sine oculis homeobox related genes Six1 to Six6 in vertebrates among which Six1, Six2, Six4 and Six5 are expressed in the muscle lineage. Whereas Six1 and Six4 are required for hypaxial myogenesis, double KO for those two genes (s1s4KO) still form their epaxial and craniofacial muscles. We further characterized the phenotype of compound Six mutant embryos and showed that the absence of Six1 and Six2 completely impairs craniofacial myogenesis and worsen muscle limb development observed in single Six1 mutants. We also showed that mouse fetuses devoid of SIX1, SIX2, SIX4 and SIX5 activity are still able to develop epaxial muscles, but that Pax7 expression in myogenic progenitors of these mutants is reduced and intermingled with Myogenin expression. While s1s4KO fetuses still develop epaxial muscles, their PAX7+ cells show a perturbed homing process into their niche, between the plasma membrane of a myofibre and the basal lamina surrounding it. Transcriptomic analysis, transplantation experiments and in vitro studies allowed us to conclude that the homing of PAX7+ cells into their niche during fetal myogenesis requires an adequate environment combining properties of the myofibers and the PAX7+ cells; environment disturbed in s1s4KO epaxial muscles. Transplantation experiments also led us to conclude that Six1 and Six4 are required for proper myofiber re-inervation after injury and for the establishment of the fast phenotype of myofibers. Furthermore, muscles transplanted with s1s4KO fetal PAX7+ cells after injury are formed of numerous and tiny myofibers. We could link this phenotype to the behavior of s1s4KO cells in vitro where they showed perturbed fusion. Finally, SIX homeoproteins require co-factors to induce their target genes expression, as EYA proteins encoded by Eya1 to Eya4 in vertebrates. Eya3 and Eya4 are strongly expressed in satellite cells during regeneration, cells in which Six1 is also required for proper muscle repair. We investigated muscle regeneration in absence of Eya3 expression and observed no obvious phenotype. We concluded that Eya3 is not required for muscle regeneration but that other Eya genes might compensate its function in KO mouse. To conclude, Six1 and Six2 are required for craniofacial myogenesis and Six1 and Six4 for hypaxial myogenesis and for the establishment of a proper environment allowing myofibre maturation and PAX7+ cells homing during fetal epaxial myogenesis and enabling myofibre growth and re-innervation after injury. The role of the collaboration between SIX and EYA proteins during myogenesis still needs more investigation.

O tecido muscular tem uma alta capacidade de regeneração após lesão, que está diretamente ligada à presença de células satélites (SCs). Essas células são as principais células-tronco do músculo e também têm um papel fundamental no desenvolvimento muscular na embriogênese. Embora quiescente nos músculos adultos normais, as SCs podem ser ativadas por sinais específicos após lesão muscular. Em doenças caracterizadas por processo de degeneração crônica, como distrofias musculares, as SCs são constantemente ativadas, e esta condição pode levar à depleção do pool de SCs e consequente falha no processo regenerativo. Nós estudamos as SCs musculares nas linhagens distróficas murinas DMDmdx, Largemyd, DMDmdx/Largemyd, em comparação a camundongos normais, com o principal objetivo de avaliar o comportamento das SCs em músculos distróficos com diferentes graus de degeneração histopatológica. A expressão de genes e proteínas de fatores de transcrição relacionados a SCs foram estudadas no músculo, e os resultados foram comparados com as características histopatológicas de regeneração e degeneração e estado de proliferação de células musculares. Nossos resultados mostraram que o músculo distrófico mantém seu pool de células satélites, expressando PAX7, um importante fator muscular para autorrenovação do pool de SCs, em níveis semelhantes em todas as linhagens distróficas e controle normal. As células isoladas de músculo distrófico apresentaram uma maior proporção de células em proliferação, como observado pela análise dos marcadores de ciclo celular no músculo gastrocnêmio dissociado, com maior número de células na fase G2/M. A cascata de genes de regeneração é ativada no músculo distrófico, com altos níveis de expressão de fatores de regeneração muscular, como MYOD e Myogenin. O músculo distrófico mantém a capacidade de formar novas fibras, observada por um número significativo de fibras recém formadas, que expressam dMHC, em todas as linhagens analisadas. No entanto, essas novas fibras mostram características de maturação incompleta, como tamanho pequeno e pouca variação em seu calibre, que pode ser determinante para sua disfunção. A degeneração muscular é intensa apesar da regeneração, com infiltração significativa de tecido conjuntivo em camundongos distróficos. Em conclusão, nossos achados sugerem que os músculos distróficos, independentemente do grau de degeneração, mantêm o pool de células satélites com capacidade proliferativa e estão prontos para responder aos estímulos regenerativos. Por outro lado, a maturação dessas novas fibras é incompleta e não previne a degeneração do músculo / Muscle tissue has a high regeneration capacity after injury, which is directly linked to satellite cells (SCs). These cells are the main stem cells of the muscle and also have a key role in muscle development in embryogenesis. Although quiescent in normal adult muscles, SCs can be activated by specific signals upon muscle injury. In diseases characterized by chronic degeneration process, such as muscular dystrophies, the SCs are constantly activated, leading to depletion of the SC pool and consequent failure of the regenerative process. We studied muscle SCs in the mouse dystrophic strains DMDmdx, Largemyd, DMDmdx/Largemyd, comparing to wild-type mice, with the main objective to evaluate SCs behavior in dystrophic muscles with different degrees of histopathological degeneration. Gene and protein expression of transcription factors related to SCs were studied in the muscle, and the results were compared to regenerating and degenerating histopathologic pattern and proliferative state of muscle cells. Our results showed that the dystrophic muscle retains its satellite cells pool, expressing PAX7, an important muscle factor for self-renewal of the SCs pool, at similar levels in all dystrophic strains and wild-type. Dystrophic muscle single cells presented a higher proportion of proliferating cells, as observed by the analysis of cell cycle markers in dissociated gastrocnemius muscle, with a greater number of cells in the G2/M phase. The cascade of regeneration genes is activated in the dystrophic muscle, with high levels of expression of muscle regenerating factors, such as MYOD and Myogenin. Dystrophic muscle retains the ability to form new fibers, as observed by a significant number of new fibers expressing dMHC in all dystrophic strains. However, these new fibers show incomplete maturation characteristics, such as small size and no variation in fiber caliber, which could be determinant for its dysfunction. Muscle degeneration is intense in spite of regeneration, with significant more connective tissue infiltration in dystrophic mice than wild-typemice. In conclusion, our findings suggest that dystrophic muscles, independently of the degree of degeneration, retain the pool of satellite cells with proliferating capacity and ready to respond to regenerating stimuli. On the other hand, the maturation of these new fibers is incomplete and do not prevent the degeneration of the muscle

La sarcopénie est une maladie dégénérative liée à l’âge qui se caractérise par une perte progressive et involontaire de la masse et de la force musculaire. Elle s’accompagne d’une atteinte de la régénération musculaire et d’une accumulation des espèces réactives de l’oxygène. Les cavéoles sont des invaginations de la membrane plasmique. Dans le muscle, elles jouent un rôle dans la différenciation des cellules satellites et dans le maintien de l’unité contractile dans le muscle différencié. Certaines formes de myopathies sont consécutives à l’absence de cavéoles dans le muscle. Elles sont également impliquées dans la médiation de signaux liés à la régulation du stress oxydant. Afin de mieux comprendre les mécanismes régulant la mise en place de la sarcopénie, nous avons étudié ici les relations existant entre le stress oxydant et les cavéoles. Des cellules musculaires de souris ont été traitées par l’H2O2 et une diminution du taux des cavéolines-1et -3 a été mise en évidence dans des myoblastes et les myotubes, respectivement. Il apparaît donc que les protéines constitutives des cavéoles sont effectivement sensibles au stress oxydant dans les cellules musculaires. En présence d’H2O2, la fonction des cavéoles (endocytose et résistance au stress mécanique) était également significativement altérée dans des myoblastes. L’ensemble des résultats obtenus suggère que le stress oxydant aurait un effet sur les cavéoles, ce qui pourrait entraîner des conséquences sur la régénération et le maintien de l’intégrité musculaire au cours du vieillissement. / Sarcopenia is an age-related degenerative disease which is characterized by a progressive and involuntary loss of muscle mass and strength. It is accompanied by an impairment of muscle regeneration and accumulation of reactive oxygen species. Caveolae are invaginations of the plasma membrane. In muscle, they play a role in the differentiation of satellite cells and in maintaining the contractile unit of the differentiated skeletal muscle. Some myopathies are resulting from the absence of caveolae in muscle. Caveolae are also involved in mediating signals related to the regulation of oxidative stress. To better understand the mechanisms involved in the development of sarcopenia, we investigated here the relationship between oxidative stress and caveolae. Mouse muscle cells were treated with H2O2 and decreased levels of caveolin-1 and -3 were demonstrated in myoblasts and myotubes, respectively. It therefore appears that caveolae constituent proteins are actually sensitive to oxidative stress in muscle cells. In the presence of H2O2, caveolae functions (endocytosis and resistance to mechanical stress) were also significantly degraded in myoblasts. Altogether, these data suggest that oxidative stress would affect caveolae, which could have consequences on regeneration and maintenance of muscle integrity during aging.

O tecido muscular tem uma alta capacidade de regeneração após lesão, que está diretamente ligada à presença de células satélites (SCs). Essas células são as principais células-tronco do músculo e também têm um papel fundamental no desenvolvimento muscular na embriogênese. Embora quiescente nos músculos adultos normais, as SCs podem ser ativadas por sinais específicos após lesão muscular. Em doenças caracterizadas por processo de degeneração crônica, como distrofias musculares, as SCs são constantemente ativadas, e esta condição pode levar à depleção do pool de SCs e consequente falha no processo regenerativo. Nós estudamos as SCs musculares nas linhagens distróficas murinas DMDmdx, Largemyd, DMDmdx/Largemyd, em comparação a camundongos normais, com o principal objetivo de avaliar o comportamento das SCs em músculos distróficos com diferentes graus de degeneração histopatológica. A expressão de genes e proteínas de fatores de transcrição relacionados a SCs foram estudadas no músculo, e os resultados foram comparados com as características histopatológicas de regeneração e degeneração e estado de proliferação de células musculares. Nossos resultados mostraram que o músculo distrófico mantém seu pool de células satélites, expressando PAX7, um importante fator muscular para autorrenovação do pool de SCs, em níveis semelhantes em todas as linhagens distróficas e controle normal. As células isoladas de músculo distrófico apresentaram uma maior proporção de células em proliferação, como observado pela análise dos marcadores de ciclo celular no músculo gastrocnêmio dissociado, com maior número de células na fase G2/M. A cascata de genes de regeneração é ativada no músculo distrófico, com altos níveis de expressão de fatores de regeneração muscular, como MYOD e Myogenin. O músculo distrófico mantém a capacidade de formar novas fibras, observada por um número significativo de fibras recém formadas, que expressam dMHC, em todas as linhagens analisadas. No entanto, essas novas fibras mostram características de maturação incompleta, como tamanho pequeno e pouca variação em seu calibre, que pode ser determinante para sua disfunção. A degeneração muscular é intensa apesar da regeneração, com infiltração significativa de tecido conjuntivo em camundongos distróficos. Em conclusão, nossos achados sugerem que os músculos distróficos, independentemente do grau de degeneração, mantêm o pool de células satélites com capacidade proliferativa e estão prontos para responder aos estímulos regenerativos. Por outro lado, a maturação dessas novas fibras é incompleta e não previne a degeneração do músculo / Muscle tissue has a high regeneration capacity after injury, which is directly linked to satellite cells (SCs). These cells are the main stem cells of the muscle and also have a key role in muscle development in embryogenesis. Although quiescent in normal adult muscles, SCs can be activated by specific signals upon muscle injury. In diseases characterized by chronic degeneration process, such as muscular dystrophies, the SCs are constantly activated, leading to depletion of the SC pool and consequent failure of the regenerative process. We studied muscle SCs in the mouse dystrophic strains DMDmdx, Largemyd, DMDmdx/Largemyd, comparing to wild-type mice, with the main objective to evaluate SCs behavior in dystrophic muscles with different degrees of histopathological degeneration. Gene and protein expression of transcription factors related to SCs were studied in the muscle, and the results were compared to regenerating and degenerating histopathologic pattern and proliferative state of muscle cells. Our results showed that the dystrophic muscle retains its satellite cells pool, expressing PAX7, an important muscle factor for self-renewal of the SCs pool, at similar levels in all dystrophic strains and wild-type. Dystrophic muscle single cells presented a higher proportion of proliferating cells, as observed by the analysis of cell cycle markers in dissociated gastrocnemius muscle, with a greater number of cells in the G2/M phase. The cascade of regeneration genes is activated in the dystrophic muscle, with high levels of expression of muscle regenerating factors, such as MYOD and Myogenin. Dystrophic muscle retains the ability to form new fibers, as observed by a significant number of new fibers expressing dMHC in all dystrophic strains. However, these new fibers show incomplete maturation characteristics, such as small size and no variation in fiber caliber, which could be determinant for its dysfunction. Muscle degeneration is intense in spite of regeneration, with significant more connective tissue infiltration in dystrophic mice than wild-typemice. In conclusion, our findings suggest that dystrophic muscles, independently of the degree of degeneration, retain the pool of satellite cells with proliferating capacity and ready to respond to regenerating stimuli. On the other hand, the maturation of these new fibers is incomplete and do not prevent the degeneration of the muscle

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.

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.

Pw1/Peg3 est un gène d’empreinte parental exprimé par l’allèle paternel. Il est exprimé dans l’ensemble des populations de cellules souches, y compris les cellules satellites du tissu musculaire. Nous avons découvert que la perte constitutive de Pw1/Peg3 entraîne une perte de la masse musculaire, résultat d’une diminution du nombre de fibres musculaires. Le nombre de fibres réduit est présent dès la naissance. De plus, les souris double KO ont un nombre de fibres encore inférieur, suggérant que l’allèle maternel est fonctionnel pendant le développement pré-natal, et des analyses de souris hybrides C57BL6J/CAST/Ei révèlent une expression bi-allélique de Pw1/Peg3 d’environ 10%. Pw1/Peg3 est également fortement exprimé après blessure du muscle squelettique. Chez les souris Pw1/Peg3 KO, nous avons observé que les cellules satellites montrent une réduction de leur capacité d’auto-renouvèlement à la suite d’une blessure. Pw1/Peg3 est également exprimé dans une sous-population de cellules souches interstitielles, les PICS. Afin de déterminer le rôle spécifique de Pw1/Peg3 dans les cellules satellites nous avons croisé notre allèle conditionnel Pw1/Peg3 avec la lignée Pax7-Cre-ER. Ces souris ont un phénotype présentant un défaut de régénération prononcé, montrant ainsi un rôle clair et direct de Pw1/Peg3 dans la fonction régénératrice des cellules satellites. En résumé, l’ensemble de ces données montre un rôle de Pw1/Peg3 dans le développement fœtal et la détermination du nombre de fibres musculaires par son action dans l’auto-renouvellement des cellules satellites du tissu musculaire. / Pw1/Peg3 is a parentally imprinted gene expressed from the paternal allele. It is expressed in all adult progenitor/stem cell populations examined to date including muscle satellite cells. We examined the impact of loss-of-function of Pw1/Peg3 in skeletal muscle, a tissue that greatly contributes to body mass. We found that constitutive loss of Pw1/Peg3 results in reduced muscle mass resulting from a decrease in muscle fiber number. The reduced fiber number is present at birth. Mice lacking both the paternal and maternal alleles display a lower fiber number as compared to mice carrying the paternal deletion, suggesting that the maternal allele is functional during prenatal development. Hybrid analyses (C57BL6J and Cast/Ei) of muscle tissue reveal a bi-allelic expression of Pw1/Peg3 around 10%. Pw1/Peg3 is strongly up-regulated in response to muscle injury. Using the constitutive Pw1/Peg3 knock out mouse, we observed that satellite cells display a reduced self-renewal capacity following muscle injury. Pw1/Peg3 is expressed in satellite cells as well as a subset of muscle interstitial cells (PICs). To determine the specific role of Pw1/Peg3 in satellite cells, we crossed our conditional Pw1/Peg3 allele with the Pax7-CreER line. Interestingly, these mice displayed a more pronounced phenotype of impaired regeneration revealing a clear and direct role for Pw1/Peg3 in satellite cells. Taken together, our data show that Pw1/Peg3 plays a role during fetal development in the determination of muscle fiber number that is gene-dosage dependent and plays a specific role in muscle satellite cell self-renewal.

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