Les facteurs de croissance de la superfamille TGF-β jouent un rôle dans toutes les étapes de la myogenèse prénatale et régissent l'entretien des muscles adultes. Les protéines morphogénétiques osseuses (BMPs) sont membres de la sous-famille des TGF-β et sont à l’origine de signaux clés régulant le développement musculaire embryonnaire. Cette thèse étudie le rôle de la signalisation BMP dans les cellules souches musculaires, dénommées cellules satellites. J'ai montré qu’après la naissance les BMPs régulent la croissance des fibres musculaires dépendante des cellules satellites. Suite à l’inhibition de la voie BMP, j'ai observé que les précurseurs myogéniques deviennent quiescents et cessent de progresser vers la différenciation, tandis que le traitement avec BMP4 suffit pour réactiver leur programme myogénique. La signalisation BMP affecte aussi la taille du muscle indépendante des cellules satellites. J'ai observé que les BMPs fournissent un signal hypertrophique et protègent de l’atrophie musculaire suite à une dénervation. Dans les conditions précédentes, la voie BMP inhibe l'expression de l’ubiquitine ligase E3, Fbxo30. J'ai analysé l'interaction entre la myostatine et la signalisation BMP. La myostatine est un autre membre de la famille des TGF-β, mais elle se lie à des récepteurs différents de ceux des BMPs. En l'absence de myostatine, l’hypertrophie musculaire dépend entièrement de la signalisation BMP. La dénervation musculaire chez les souris déficientes en myostatine provoque une atrophie, aggravée par l’inhibition des BMPs. Par conséquent, la voie BMP est un signal hypertrophique essentiel dans le muscle adulte qui prédomine sur la signalisation de la myostatine. / Growth factors of the TGF-β superfamily play a role in all stages of prenatal myogenesis and govern adult muscle maintenance. Bone morphogenetic proteins (BMPs) are members of the TGF-β subfamily and are key signals that regulate embryonic and fetal muscle development. This work investigates the role of BMP signaling in muscle stem cells of the postnatal muscle, the satellite cells. I showed that BMPs regulate satellite cell-dependent growth of postnatal fibers and the generation of the satellite cell pool. After inhibition of BMP signaling, I observed that myogenic precursor cells become quiescent and fail to progress towards differentiation, whereas treatment with BMP4 on its own is sufficient to reactivate the myogenic program. BMP signaling also affects the size of the muscle in a satellite cell-independent manner. I found that BMPs provide a hypertrophic signal and protect from denervation-induced muscle atrophy. Under such condition, BMP signaling inhibits the expression of the E3 ubiquitin ligase Fbxo30. I further analyzed the interaction between myostatin and BMP signaling. Myostatin is another member of TGF-β superfamily, but myostatin and BMPs bind to different receptors for signaling. Large muscles in absence of myostatin entirely depend on the presence of BMP signaling. Denervation of muscle in myostatin mutant mice causes a strong muscle atrophy, which is aggravated by the inhibition of BMP signaling. Therefore, the BMP pathway is a fundamental hypertrophic signal in adult muscle and is dominant over myostatin signaling.

L'exposition à une situation de stress entraine des réactions cognitives, affectives, physiologiques et comportementales. Ce travail de thèse s'est attaché à examiner des réponses affectives et physiologiques induites par une situation de stress modéré, plus particulièrement l'état d'anxiété et la tension musculaire, et a également considéré les caractéristiques de la situation et le trait d'anxiété des individus. Une première étude a montré chez des individus de traits d'anxiété différents une réactivité physiologique similaire au cours de la situation stressante, bien que les individus de trait d'anxiété "haut" aient rapporté un état d'anxiété plus élevé que les individus de trait d'anxiété "bas". En revanche, après la situation stressante, les individus de trait d'anxiété "haut" ont montré un délai dans la récupération de certains paramètres végétatifs et musculaires. Ces résultats ont suggéré que des différences dans les réponses physiologiques entre des individus de traits d'anxiété différents pourraient émerger au cours de la période de récupération. Ainsi, les réponses, qu'elles soient affectives ou physiologiques, pourraient dépendre du niveau de trait d'anxiété des individus. Les deux autres études ont montré chez des individus de trait d'anxiété homogène soumis à la situation stressante des patrons d'activation musculaire différents selon les muscles. Ces résultats ont suggéré un lien entre les différentes réponses musculaires et le rôle fonctionnel des muscles. Par ailleurs, les résultats ont montré une diminution de l'état d'anxiété et de ces réponses musculaires au cours d'une deuxième exposition à la situation stressante, excepté pour le muscle trapèze qui semble avoir une réactivité particulière liée à sa fonction. Toutefois, l'adaptation des réponses des différents muscles et de l'état d'anxiété suggère que les réponses affectives et musculaires pourraient être influencées par les caractéristiques de la situation (nouveauté et répétition). Finalement, l'ensemble de ces résultats suggère qu'il est important de considérer les caractéristiques de l'environnement et la personnalité des individus dans l'étude des réponses affectives et physiologiques en situation de stress / Exposure to stressful situations is typically associated with cognitive, affective, physiological and behavioral responses. The aim of this work was to examine the affective and physiological responses to moderate stress, particularly state anxiety and muscle tension and also to consider the characteristics of the situation and the trait anxiety of the subjects.Our results showed that high anxious subjects have a higher level of state-anxiety than low anxious subjects during the stressful task, but no difference in physiological reactivity has been found between both groups. However, after exposure to the stressful situation, high anxious subjects have delayed physiological recovery. This suggests that physiological differences might emerge during the recovery period according to trait anxiety level. Thus, affective and physiological responses could depend on trait anxiety level. Furthermore, our results showed in individuals with homogeneous trait anxiety level that muscle tension induced by the stressful situation could differ depending on the muscles. This result suggests a relationship between the different muscular responses and the functional role of the muscles. Moreover, the results showed that state anxiety and these muscular responses decrease during a second exposure to the same stressful situation, except for the trapezius muscle which seems to have a particular reactivity to the stressor. However, adaptation of these muscular modifications and of state anxiety suggests that affective and muscular responses could be influenced by the characteristics of the situation (novelty and repetition).In conclusion, these findings highlight the importance of considering the environmental characteristics and the personality trait of individuals in research on stress responses

La dystrophie musculaire facioscapulohumérale (FSHD) est la troisième myopathie la plus fréquente en Europe. La maladie atteint progressivement les muscles du visage, des bras et des jambes. Les symptômes apparaissent dans la majorité des cas avant 20 ans et la maladie, souvent douloureuse, provoque fréquemment un handicap majeur qui nécessite de se déplacer en fauteuil roulant. J'ai démontré que la protéine KLF15 est surexprimée dans les tissus des patients FSHD et dans les myoblastes cultivés in vitro et prélevés sur des patients FSHD. Des résultats préliminaires indiquent que la surexpression du facteur KLF15 pourrait être expliquée par le stress oxydant induit par DUX4 et la surexpression de certains facteurs de myogenèse induits par DUX4c. J'ai démontré que KLF15 interagit directement avec les répétitions D4Z4 et contrôle leur fonction d'activation de transcription. Ainsi KLF15 sert de médiateur entre les répétitions D4Z4 et deux gènes dans la région 4q35: FRG2 et DUX4c ce que explique la surexpression de ces deux gènes dans la FSHD. La surexpression du gène DUX4c, homologue du DUX4, perturbe le programme de différentiation musculaire en activant certains facteurs de myogenèse (myomiRs ou microRNAs myogéniques). En somme, la découverte du rôle du facteur KLF15 dans la FSHD met en évidence une boucle de rétrocontrôle positif qui relie la surexpression du facteur KLF15 avec la surexpression des gènes codés dans la région 4q35. Le rôle central du facteur KLF15 dans ce nouveau modèle de la maladie permet d'envisager une nouvelle piste thérapeutique pour la dystrophie FSHD basé sur l'inhibition du facteur KLF15. / Facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD), a dominant hereditary disease with a prevalence of 7 per 100,000 individuals, is associated with a partial deletion in the subtelomeric D4Z4 repeat array on chromosome 4q. The D4Z4 repeat contains a strong transcriptional enhancer that activates promoters of several FSHD-related genes. We here report that the enhancer within the D4Z4 repeat binds the Krüppel-like factor KLF15. KLF15 was found to be upregulated during myogenic differentiation induced by serum starvation or by overexpression of the myogenic differentiation factor MYOD. When overexpressed, KLF15 activated the D4Z4 enhancer and led to overexpression of DUX4c (Double homeobox 4, centromeric) and FRG2 (FSHD region gene 2) genes, whereas its silencing caused inactivation of the D4Z4 enhancer. In immortalized human myoblasts the D4Z4 enhancer was activated by the myogenic factor MYOD, an effect that was abolished upon KLF15 silencing or when the KLF15 binding sites within the D4Z4 enhancer were mutated, indicating that the myogenesis-related activation of the D4Z4 enhancer was mediated by KLF15. KLF15 and several myogenesis-related factors were found to be expressed at higher levels in myoblasts, myotubes and muscle biopsies from FSHD patients than in healthy controls. We propose that KLF15 serves as a molecular link between myogenic factors and the activity of the D4Z4 enhancer, and thus contributes to the overexpression of the DUX4c and FRG2 genes during normal myogenic differentiation and in FSHD.

Les forces musculaires appliquées à l’os entraînent des contraintes produisant un effet ostéogénique. Cet aspect est à ce jour très mal connu. L’électromyostimulation est une alternative aux contractions musculaires volontaires et permet de mieux de contrôler les paramètres de l’effort. Après un rappel sur le tissu osseux et l’ostéoporose, la revue de littérature effectuée dans le cadre de cette thèse permet de cerner les aspects fondamentaux liés à l’application de la stimulation électrique. Deux axes de recherche sont proposés :Pour le Modèle animal 4 thématiques sont étudiées : 1-Identification des points moteursdu membre pelvien du rat, et mise en place d’un protocole de stimulation électrique.2-Evaluation in vivo des contraintes appliquées à l’os par stimulation électrique. 3-Evaluation de l’effet d’un mois de stimulation électrique sur la force et l’endurance musculaire.4-Détermination de l’effet d’un mois de stimulation électrique sur les caractéristiques mécaniques de l’os in vitro. L’application à l’homme concerne deux aspects de la mise en oeuvre d’une stimulation électrique : 1 l’évaluation de l’Influence de la fréquence de stimulation électrique sur la force et la fatigue musculaire.2- la caractérisation d’un protocole de stimulation électrique pour le renforcement musculaire et la prévention de l’ostéoporose.Les résultats obtenus montrent que la stimulation électrique musculaire sous les conditions d’application définies peut avoir un effet ostéogénique. La transposition de ces résultats à l’homme reste à faire cependant les protocoles de stimulation pouvant être utilisés ont été précisés. Cette technique thérapeutique préventive, non invasive pouvant être appliquée à des sujets vieillissant ou à mobilité réduite devrait permettre de minimiser l’ostéoporose. / The muscular strengths applied to the bone pull(entail) constraints producing an ostéogénique effect. This aspect is this day very badly known. The électromyostimulation is an alternative in the voluntary muscular contractions and allows of better to check(control) the parameters of the effort. After a reminder(abseiling) on the bone tissue and the osteoporosis, the magazine(review) of literature made within the framework of this thesis allows to encircle the fundamental aspects bound(connected) with care of the electric stimulation. Two areas of research are proposed:pour the animal model 4 themes are studied: 1 - identification of the driving points of the pelvien member(limb) of the raz, and organized by a protocol of stimulation in vivo électrique.2-evaluations of the constraints applied to the bone by electric stimulation. 3 - evaluations of the effect of a month of electric stimulation on the strength and the stamina musculaire.4-Détermination of the effect of a month of electric stimulation on the mechanical characteristics of the in vitro bone. The application to the man concerns two aspects of the implementation of an electric stimulation: 1 the evaluation of the Influence of the frequency of electric stimulation on the strength and the muscular 2-fatigue the characterization of a protocol of electric stimulation for the muscular intensification and the prevention of the osteoporosis. The obtained results(profits) show that the muscular electric stimulation under the defined conditions of application can have an ostéogénique effect. The transposition of these results(profits) to the man remains to make however the protocols of stimulation being able to be used were specified. This preventive, not invasive therapeutic technique which can be applied to aging subjects or to reduced mobility should allow to minimize the osteoporosis.

La modélisation du comportement mécanique de l'architecture musculo-squelettique sollicitée in situ constitue un enjeu tant en biomécanique, en réhabilitation, qu'en physiologie. Ceci nécessite d'évaluer des variables non directement mesurables comme les moments et les forces musculaires. Ces variables peuvent être estimées à partir de la conception de modèles biomécaniques qui nécessitent la formulation de certaines hypothèses et l'enregistrement de données expérimentales périphériques. Or, le système musculo-squelettique est redondant dans le sens où chaque degré de liberté est sous le contrôle de plusieurs actionneurs (muscles) aussi bien agonistes qu'antagonistes. L'utilisation conjointe de la modélisation biomécanique des systèmes musculaires et de l'optimisation numérique nous a permis de résoudre ce problème de redondance. Particulièrement dans ce travail, nous avons développé des techniques de modélisation et d'expérimentation permettant l'analyse des tensions des tendons mobilisant le doigt dans différentes situations de sollicitation. Ceci nous a permis de montrer que l'amplitude des moments passifs non musculaires ne devait pas être négligée dans les procédures de calcul. De plus, nous avons également utilisé de façon originale l'information EMG sous forme d'une contrainte d'inégalité dans les procédures d'optimisation. Ce travail a permis de mettre en évidence des résultats inédits concernant la distribution des tensions dans les tendons agonistes et antagonistes. Diverses adaptations du modèle sont discutées dans le document, la substitution de l'EMG invasif par de l'EMG de surface étant l'axe de recherche principal.

Les protéines SREBP-1, Sterol Response Element Binding Proteins, sont des régulateurs clés du métabolisme des lipides et du cholestérol. A ce titre, ils ont été largement étudiés dans le foie et le tissu adipeux. Les facteurs SREBP-1 sont également exprimés dans le muscle squelettique au sein duquel ils sont les principaux médiateurs des effets géniques de l'insuline.Les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit ont eu pour but de définir le rôle spécifique de SREBP-1 dans le muscle squelettique. L'étude transcriptomique de cellules musculaires humaines révèle plus de1500 gènes régulés par SREBP-1 dans le muscle squelettique humain, dont la moitié est réprimée. L'analyse fonctionnelle de ces gènes révèle l'implication de SREBP-1 dans des fonctions musculaires dépassant la cadre du métabolisme glucido-lipidique. Ainsi, SREBP-1 inhibe l'expression de plusieurs gènes impliqués dans la différenciation et le maintien du phénotype musculaire. En conséquence, la sur expression de SREBP-1 bloque la différenciation myogénique in vitro et induit une atrophie marquée in vitro, sur des myotubes différenciés et in Vivo, dans le muscle squelettique de souris.En parallèle, deux répresseurs transcriptionnels : BHLHB2 et BHLHB3 apparaissent, après étude de leur promoteur, comme deux nouvelles cibles directes de SREBP-1. Ainsi, 20% des gènes inhibés par SREBP-1sont des cibles de BHLHB2 et BHLHB3, de nombreux gènes muscle-spécifiques y compris. De plus, BHLHB2 apparaît, de la même façon que SREBP-1, comme un acteur essentiel dans l'action de l'insuline sur le muscle squelettique, et dans le développement de l'insulino-résistance musculaire chez les patients diabétiques de type2.Le blocage de la différenciation myogénique et l'atrophie induite par SREBP-1 in vitro étant reversées par l'inhibition de l'expression de BHLHB2 et BHLHB3, nous concluons que BHLHB2 et BHLHB3 sont responsables de l'effet répressif de SREBP-1 sur le phénotype musculaire.Ces résultats mettent donc en évidence un nouveau rôle pour les facteurs SREBP-1 dans la régulation de la myogenèse et le maintien de la masse musculaire. SREBP-1 intègrent ainsi la régulation métabolique au contrôle du phénotype musculaire

Les fractures de l'extrémité supérieure du fémur représentent un problème de santé publique. 90% des fractures du col fémoral résultent d'une chute du sujet sur la hanche. Pour étudier le rôle des muscles, une modélisation préliminaire en éléments finis de la hanche incluant ses tissus mous est proposée dans cette thèse. Cette modélisation a nécessité la mise au point d'une méthode originale de reconstruction des volumes musculaires et de quantification du tissu musculaire à partir d'un nombre réduit de coupes CT-scan. La méthode s'appuie sur une déformation sous contrainte d'un modèle paramétré pré-personnalisé de chaque muscle. Avec seulement quatre coupes par muscle, l'erreur d'estimation du volume est alors inférieure à 6% en comparant avec le volume reconstruit entièrement manuellement. L'étude de 98 sujets a alors permis d'établir les valeurs de références et la variabilité inter-individuelle pour ces données quantitatives et a également mis en évidence des invariants. La modélisation en éléments finis intègre les structures osseuses et les tissus mous, avec une gestion des contacts de surface entre les composants. Les lois matériaux utilisées pour les tissus mous sont de type hyperélastique incompressible isotrope. Les premières évaluations de ce modèle, soumis à une compression latérale en quasi-statique, ont permis de vérifier la cohérence du comportement du modèle pour dix sujets et de mettre en relief l'importance d'une modélisation personnalisée.

La plupart des modèles utilisés pour calculer les efforts articulaires sont génériques et ne tiennent pas compte de la morphologie du patient, qui influence non seulement les caractéristiques inertielles mais aussi les bras de levier des forces exercées. Ce travail de thèse propose d'améliorer ces modèles, en intégrant les caractéristiques géométriques et mécaniques personnalisées du sujet. Les essais cliniques comprenant une analyse de la marche, une stéréoradiographie avec le système biplan à faible dose d'irradiation EOS® et un examen d'IRM sont menés sur 10 sujets sains et 5 sujets en attente d'une reconstruction du ligament croisé antérieur. La géométrie osseuse et de l'enveloppe externe est reconstruite à partir des clichés stéréo-radiographiques. Le recalage des os dans le système d'analyse du mouvement permet une localisation précise du centre de la tête fémorale (CTF). Les paramètres inertiels personnalisés (BSP) des segments sont calculés et intégrés dans le modèle. L'impact de l'utilisation du CTF recalé et des BSP n'est pas négligeable, les écarts avec les moments obtenus par les méthodes conventionnelles pouvant atteindre respectivement 2 et 0.5%BW*Ht. Outre son intérêt clinique, la géométrie musculaire personnalisée constitue une donnée d'entrée essentielle aux modèles permettant de répartir les efforts en leurs composantes musculaires, ligamentaires et de contact. Nous présentons un protocole permettant de reconstruire les 13 principaux muscles impliqués dans le mouvement du genou à partir de 6 à 8 coupes IRM. Ces muscles sont reconstruits en une heure, avec des erreurs volumique et surfacique inférieures à 5% et 5mm (2RMS). Ce projet pose les bases pour la mise en place d'un modèle musculaire personnalisé, qui permettra de mieux comprendre l'apport de chaque structure aux efforts articulaires, fournissant ainsi un éclairage sur les pathologies et les stratégies compensatoires des patients.

L’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une maladie orpheline, progressive, incurable, caractérisée par un remodelage intense de la paroi des artérioles pulmonaires résistives conduisant à l’augmentation des résistances vasculaires pulmonaires. Des anomalies génétiques associées à des mutations du gène codant pour le récepteur de type 2 de morphogenèse osseuse (BMPR2) ont été mises en évidence chez près de 70% des formes héréditaires d’HTAP. Dans le présent travail et ce à l’aide de cultures cellulaires primaires réalisées à partir de biopsies pulmonaires collectées chez des patients souffrant d’HTAP idiopathique et des sujets contrôles, nous nous sommes intéressés aux mécanismes responsables de l’hyperplasie des cellules musculaires lisses présente dans l’HTAP, plus particulièrement à l’implication de la voie angiopoîétine (Ang)/Tie2 dans la communication intercellulaire existant entre cellules endothéliales (CE) et cellules musculaires lisses artérielles pulmonaires (CML-AP), ainsi qu’à la voie des BMP/BMPR2 chez des patients HTAP porteurs de mutations BMPR2. Contrairement aux expressions inchangées des Ang1 et Ang2, l’expression du récepteur endothélial Tie2 est augmentée tant au niveau pulmonaire que cellulaire dans l’HTAP. Les CML-AP isolées à partir de patients souffrant d’HTAP présentent in vitro un phénotype prolifératif accru et ce d’autant plus en présence de surnageants de culture collectés à partir de CE pulmonaires (CE-P). Cet effet prolifératif est d’autant plus intense que les CE-P proviennent de patients HTAP et qu’elles ont été préalablement stimulées par l’Ang1. La fluoxétine, un inhibiteur du transporteur de la sérotonine (5-HT) inhibe ces effets prolifératifs, alors que le bosentan, un antagoniste non sélectif des récepteurs A et B à l’endothéline (ET) n’a pas d’effet. De plus, l’activation du récepteur Tie2 induit la synthèse et la libération de 5-HT et d’ET1 par les CE-P isolées à partir de patients souffrant d’HTAP. La voie angiopoïétine/Tie2 joue donc un rôle central dans le dialogue croisé existant entre l’endothélium et le muscle lisse vasculaire pulmonaire et son activation contribue à la prolifération accrue des CML-AP responsable du remodelage vasculaire pulmonaire chez les patients souffrant d’HTAP idiopathique. L’expression du BMPR2 est diminuée tant au niveau pulmonaire, que cellulaire chez les patients souffrant d’HTAP et porteurs de mutations BMPR2. Dans ces CML-AP mutées, le BMP4 ne freine pas la prolifération et n’induit pas l’apoptose, normalement induites dans les cellules isolées à partir de contrôles et de patients souffrant d’HTAP non porteurs de mutations BMPR2. Ces particularités fonctionnelles sont associées à une activation de la voie p38MAPK et un défaut d’activation de la voie Smad. Parmi les 9 mutations BMPR2 étudiées, seule la mutation par délétion de 22 paires de bases dans le domaine transmembranaire ne présente pas ces particularités fonctionnelles. Des anomalies génétiques, telles les mutations BMPR2 concourent donc à une perte du contrôle de la prolifération cellulaire associé à l’activation de la voie p38MAPK, présentant les mutations BMPR2 étudiées, comme des facteurs de risque supplémentaires au développement de l’hyperplasie médiale dans l’HTAP.

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