京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第24911号 / 農博第2574号 / 新制||農||1102(附属図書館) / 京都大学大学院農学研究科応用生物科学専攻 / (主査)教授 舟場 正幸, 教授 太田 毅, 教授 横井 伯英 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DGAM

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The Src homology 3 domain (SH3) and cysteine rich domain (C1) 3 (Stac3) gene is a novel gene copiously expressed in skeletal muscle. The objective of this research was to determine the role of Stac3 in development, specifically in skeletal muscle. We achieved this objective by evaluating the phenotypic effects of Stac3 gene inactivation on development in mice. At birth homozygous Stac3 null (Stac3-/-) mice died perinatally and remained in fetal position with limp limbs, but possessed otherwise normal organs based on gross and histological evaluations. The primary phenotypes displayed at term in Stac3-/- mice were reduced late gestational body weights, increased prevalence of myotubes with centrally located nuclei and severe deformities throughout all skeletal muscles. At embryonic day 18.5 (E18.5) Stac3-/- mice displayed a 12.7% reduction (P < 0.001) in weight compared to wild type (Stac3+/+) or heterozygous (Stac3+/-) littermates while at E15.5 body weights and morphology were similar. At birth (P0) and at E17.5, Stac3-/- mice had 59% and 24% (P < 0.001) more myotubes with centrally located nuclei, respectively, than Stac3+/- or Stac3+/+ littermates. Stac3-/- mice also displayed increased myotube and myofiber cross sectional area at P0 (P < 0.001) and E17.5 (P < 0.05) with disorganized fiber bundling. Overall, these data show Stac3 is necessary for development of viable offspring and suggest Stac3 plays a critical role in fetal development where its primary phenotype is exhibited in skeletal muscle. / Master of Science

In healthy individuals, satellite cells are partly responsible for muscle repair and preventing atrophy. Previous studies have linked the loss of muscle mass associated with aging to satellite cell dysfunction, postulating that satellite cell function diminishes with age. New evidence suggests that this may not be true as satellite cells collected from healthy aged participants appear indistinguishable from their healthy young counterparts. Satellite cell dysfunction appears to be more mechanistically linked to poor lifestyle factors such as low physical activity, improper diet, and increased adiposity. For this study, satellite cell function was evaluated against the effects of aging, diet, activity level, and adiposity. Satellite cells were collected from the vastus lateralis of sedentary (<2 hours/week activity) male donors categorized into young (18-30 years) and older (60-80 years) groups, as well as a young endurance trained group (18-30 years, 5+ hours/week of running/cycling). Cells were collected in young sedentary males before and after a four-week, high fat (55% of kcal), and hypercaloric (+1000 kcal over DEE) diet (HFHCD). Cells were also subjected to an in-vitro, high substrate media (HSM) challenge, then grown in media with a fivefold increase in glucose (25 mM) and an additional 400 uM of fatty acids (2:1 palmitate:oleate) before seven days of serum starved differentiation. The cells were evaluated for their proliferation rate, ability to differentiate (fusion index), rate of reactive oxygen species (ROS) production, and capacity for substrate oxidation (glucose and fatty acid). The young group exhibited a lower proportion of body fat than the older group (22.4%±8.1 vs. 28.3%±6.3). When compared to the older group, the young group also presented elevated oxidative efficiency (68%, p<0.05) and reduced pyruvate oxidation (-60%, p<0.05) in measures of muscle tissue homogenate. However, isolated satellite cells from the young and older group demonstrated no observable differences in any measures (proliferation rate, fusion index, ROS production, or substrate oxidation), other than increased oxidative efficiency in cells from older vs. younger donors. Cells from young endurance trained donors demonstrated faster proliferation rates (39%, p<0.05) and elevated early stage fusion (33%, p<0.05) when compared to cells from older individuals. Compared to pre-diet measures, cells collected post HFHCD revealed significantly reduced proliferation rates (-19%, p<0.05). When grown in HSM (as compared to control media), cells from young lean (<25% BF) and trained participants had blunted proliferation rates (-4.8% and -12.6%, p<0.05), fusion index scores (p<0.05), and ROS production rates. Cells collected from participants with higher adiposity (>25% BF) and those collected post HFHCD experienced increased proliferation and fusion when exposed to the HSM. This data suggests that donor activity level, adiposity, and diet but not age are mediating factors for satellite cell function. The cells appear to develop a preference for their in-vivo environment, as cells collected from the leaner and trained participants had their proliferation and fusion rates reduced when exposed to HSM. Conversely, exposure to the HSM accelerated the proliferation and fusion of cells collected from donors with higher body fat and those collected post HFHCD. / PHD

L'acide rétinoïque (AR) régule la myogénèse embryonnaire. Dans le cadre de ce projet de thèse, nous avons d'une part utilisé l'AR pour moduler la myogénèse embryonnaire, dans la perspective d'étudier les conséquences de cette modulation sur le potentiel ultérieur de croissance et identifier les mécanismes moléculaires mobilisés.D'autre part, nous avons étudié la fonction de deux gènes régulés par l'AR et susceptibles de participer au contrôle de la myogénèse embryonnaire.La première partie du travail a été réalisée sur les modèles truite et poisson-zèbre. Nous avons montré que chez la truite comme chez le poisson zèbre, une incubation dans l'AR entrainait une activation de l'expression de Fgf8et de la différenciation des fibres musculaires rapides. Toutefois, chez la truite, nous n'avons pas pu mettre en évidence de régulation des MRF, indiquant qu'une autre voie est utilisée pour activer la myogénèse chez cette espèce.Dans la seconde partie de ce travail, la fonction de deux gènes régulés par l'AR et exprimés dans le mésoderme a été étudiée chez le poisson-zèbre. Le gène vertnin est exprimé essentiellement dans le tailbud. Quand il est inactivé par injection d'un oligo nucléotide morpholino antisens, on observe une altération de la formation des somites (mais pas de modification apparente du processus de segmentation) et une altération de l'intégrité des fibres lentes. Les fibres lentes sont en effet irrégulièrement espacées et les espaces au niveau des myoseptes verticaux peuvent être anormalement larges et les jonctions myotendineuses mal formées. Le gène arrestine β2aest exprimé dans les somites néo-formés puis également dans le mésoderme présomitique et le tailbud. Son inactivation par injection d'OM antisens entraine l'apparition du phénotype U-type et une altération de la morphologie des fibres lentes avec des fibres qui se détachent des jonctions myotendineuses. / Retinoic acid (RA) regulates embryonic myogenesis. During this thesis project, we first used RA to modulate embryonic myogenesis in order to study consequences of this modulation on the future potential for growth and to identify the underlying molecular mechanisms. Second part deals with the characterisation of the function of two genes regulated by the RA which may be involved in the control of embryonic myogenesis.The first part of the work was performed on the trout and zebrafish models. We have shown that in trout as in zebrafish, incubation in RA produced an activation of Fgf8 expression and differentiation of fast muscle fibers.However in trout, we did not observed regulation of MRF expression indicating that an alternative pathway isused to activate myogenesis in this species.In the second part of this work, the function of two genes regulated by the RA and expressed in the mesodermwas studied in zebrafish. The vertnin gene is expressed primarily in the tailbud. When it is inactivated by injection of antisense morpholino oligonucleotide, there is an alteration in the somites morphogenesis (but no apparent change in the process of segmentation) and impairment of the integrity of the slow muscle fibers. Slowfibers are indeed irregularly spaced and the vertical myosepta can be abnormally large. In addition myotendinous junctions display some abnormal branches. The arrestin β 2a gene is expressed in last formed somites and then also in the presomitic mesoderm and the tailbud. Its inactivation by injection of antisense MO leads to the appearance of the U-type phenotype and alteration of the slow muscle fibers morphology which detach frommyotendinous junctions

Les ARN hélicases DDX5 et DDX17 sont des protéines « multi-tâches », elles sont impliquées dans de nombreuses étapes de la régulation du métabolisme des ARNs dont la transcription, l’épissage et la dégradation des ARNs. Lors de processus biologiques complexes tels que la myogénèse, les programmes d’expression génique sont profondément modifiés. Durant mon travail de thèse, j’ai contribué à montrer que DDX5 et DDX17 sont des protéines orchestratrices de la différenciation en coordonnant de manière directe et dynamique plusieurs niveaux de régulation génique. DDX5 et DDX17 contrôlent l’activité du facteur de transcription MyoD, régulateur majeur de la myogénèse ainsi que des microARNs spécifiques du muscle miR-1 et miR-206. Ceux-ci ciblent et régulent en retour l’expression de DDX5 et DDX17 mettant en place une boucle de rétro-contrôle négative induisant la diminution d’expression de ces deux protéines au cours de la différenciation. Enfin, cette diminution d’expression permet la mise en place d’un programme d’épissage participant à l’acquisition de phénotypes morphologiques des cellules différenciées. D’un point de vue mécanistique, il apparaît qu’un sous-groupe des événements d’épissage régulés durant la différenciation est contrôlé par la coopération de DDX5 et DDX17 avec le facteur d’épissage hnRNP H/F. D’autre part, DDX5 a aussi été impliqué dans un contexte pathologique du muscle. Cette hélicase interagit avec la mutation responsable de la Dystrophie Myotonique de type 1 (DM1). Durant ma thèse, j’ai produit des résultats préliminaires suggérant un rôle de DDX5 dans la mise en place des défauts d’épissage observés dans cette pathologie / RNA helicases DDX5 and DDX17 are “multi-tasks” proteins involved in nearly all aspects of RNA metabolism such as transcription, splicing and RNA degradation. During complex biological processes like myogenesis, gene expression programs are deeply modified. During my PhD, I contributed to show that DDX5 and DDX17 are orchestrators of differentiation by dynamically and directly orchestrating several layers of gene expression. DDX5 and DDX17 control the activity of the transcription factor MyoD, master regulator of myogenesis, as well as the expression of miR1/206, muscle-specific micro-RNAs. During myogenesis, these miRNAs downregulate the protein expression of DDX5 and DDX17 in a negative feedback loop, contributing to the switch of splicing programs observed in differenciated cells. Mechanistically, this splicing subprogram appear to be in part regulated by DDX5 and DDX17 in cooperation with hnRNP H/F splicing factors. Moreover DDX5 has been involved in a pathological muscular pathology : Myotonic Dystrophy type 1 (DM1). This helicase interact with the DM1 pathological mutation. During my PhD, I produced preliminary results suggesting a role for DDX5 in the establishment of the splicing defects observed in DM1

Chez les vertébrés, les muscles squelettiques du corps sont dérivés de la partie dorsale dessomites, le dermomyotome, structure transitoire mésodermique. Une première étape demyogenèse aboutit à la formation d’un muscle primitif, le myotome primaire, à partir desbordures du dermomyotome : ces cellules constituent les premières fibres musculaires, et formentl’architecture de base du futur muscle. Dans un second temps, une population de progéniteursmusculaires émerge de la région centrale du dermomyotome. Cette population est primordialedans la constitution du muscle. Elle prolifère, et une partie d’entre elle fusionne aux fibresexistantes pour donner les fibres multinucléées adultes. Finalement, une partie des progéniteursmusculaires reste indifférenciée jusqu’à l’âge adulte et compose la population de cellules souchesmusculaires, les cellules satellites. Ainsi, les progéniteurs musculaires contribuent audéveloppement musculaire tout au long du développement embryonnaire et foetal, mais égalementà la myogenèse post-natale avec les cellules satellites.Lors de ma thèse, je me suis intéressé à cette population de progéniteurs musculaires. Deux souspopulationsde progéniteurs musculaires ont précédemment été identifiées dans notre laboratoireau cours de l’embryogénèse précoce de poulet, l’une exprimant le facteur de transcription Pax7,l’autre co-exprimant Pax7 et le facteur de différenciation myogénique précoce Myf5. Face àl’absence de données concernant les progéniteurs musculaires, et à l’importance de cettepopulation pour la myogenèse, j’ai réalisé une étude systématique des progéniteurs musculairestout au long du développement embryonnaire et foetal de deux organismes modèles : le poulet etla souris. J’ai pu montrer que ces deux sous-populations coexistent tout au long dudéveloppement, depuis l’émergence des progéniteurs de la partie centrale du dermomyotome,jusqu’au moment où ces cellules deviennent des cellules satellites à la fin du développementfoetal. De manière très intéressante, j’ai pu montrer qu’au sein des progéniteurs musculaires, lapopulation principale co-exprime Pax7 et Myf5, et prolifère activement, alors que la populationPax7 est mineure et prolifère à un taux moins élevé. Cette dernière entre de manière importanteen quiescence à la fin du développement embryonnaire. Ces caractéristiques sont semblablesentre le poulet et la souris, et montrent que des stratégies cellulaires et moléculaires similairessont conservées au sein des amniotes. / Duringembryonicandfetallife,skeletalmusclegrowthisdependentupontheproliferationandthedifferentiationofapopulationofresidentmuscleprogenitors,fromwhichderivethemusclestemcellsof theadult,thesatellitecells.Underpoorlydefinedextrinsicandintrinsicinfluences,muscleprogenitorsproliferate,differentiateorenteraquiescentstatetobecomereservesatellitecells.Despitetheir primordialrole,surprisinglylittleisknownonthehomeostasisofresidentprogenitorsduringembryogenesis.Preliminarystudiesinchickandmousedescribingthekeyprogenitorpopulationscontributingtomusclegrowthduringembryogenesishaveledtodifferingresultsthatcouldbeduetotechnicalissuesortofundamentaldifferencesbetweenanimalmodels.Toaddressthisquestion,we haveundertakenacomprehensiveanalysisofthestateofdifferentiationandproliferationofmuscleprogenitorcellsfromthetimeoftheiremergencewithinthedermomyotomeuntillatefetallife,whenthey adoptasatellitecell-likepositionunderthebasallamina.Thiswasdonebyimmunostainingagainstkeyplayersofmyogenicdifferentiation,inmuscleschosenfromdifferentregionsofthebodyintwo modelorganisms,thechickandmouse.This studyidentifiedtwoco-existingpopulationsofprogenitorsduringembryonicandfetallifeinboth chickandmouse:aminor,slow-cyclingpoolofundifferentiatedresidentprogenitorswhichexpress Pax7,co-existingwithamajorfast-cyclingpopulationthatco-expressPax7andtheearlymyogenicdifferentiationmarkerMyf5.Wefoundthattheoverallproliferationrateofbothprogenitorsdrasticallydecreasedwithembryonicage,asanincreasinglylargeportionofslowandfast-cyclingprogenitorsenteredquiescenceduringdevelopment.Together,thisdatasuggeststhatthecellularstrategiesthatdrivemusclegrowthduringembryonicand fetallifeareremarkablyconservedinamniotesthroughoutevolution.Theyrelyonthetightregulationofproliferation,entryinquiescence,andmodulationofthecellcycle’slengthforbothoftheco-existingpopulationsofmuscleprogenitorstomaintainthehomeostasisofgrowingmusclesduringdevelopment.