Littérature scientifique sur le sujet « Myopathie de Duchenne – Physiopathologie »

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est une maladie génétique neuromusculaire provoquée par des mutations du gène codant pour la dystrophine situé sur le chromosome Xp21. L'absence de cette protéine membranaire engendre une dégénérescence progressive des cellules, une augmentation de la concentration du calcium intracellulaire, des dommages oxydatifs, inflammatoires et ultimement une fibrose musculaire. Les patients souffrent également de plusieurs autres anomalies dont les plus importantes sont la cardiomyopathie et l'ostéoporose. Il n'y a actuellement aucune stratégie curative pour la DMD. Les corticostéroïdes sont prescrits pour prolonger la mobilité et l'espérance de vie, mais sont associés à une ostéotoxicité élevée. Bien qu'il existe une association entre l'ostéoporose et la dégénérescence musculaire, nous avons été les premiers à étudier le rôle du récepteur-activateur du facteur nucléaire kB (RANK), son ligand RANKL et du récepteur soluble ostéoprotégérine (OPG), principaux régulateurs du remodelage osseux, dans le contexte des maladies musculaires. Nos travaux antérieurs montrent que les myotubes différenciés secrètent l'OPG, expriment le récepteur RANK à leurs surfaces et dans le contexte de DMD l'expression de l'ARNm de RANK est 4 fois plus élevée dans les muscles de souris dystrophiques comparativement aux muscles sains. L'objectif de la présente thèse vise à exploiter cette voie afin de comprendre le mécanisme d'action de ces cytokines sur la physiopathologie musculaire et d'établir une stratégie thérapeutique pour la DMD en traitement unique ou combinée aux glucocorticoïdes. Dans un premier temps, nous avons investigué l'impact de la neutralisation systémique à long terme de RANKL sur l'intégrité et la fonction musculaire et osseuse dans un modèle sévère de dystrophie déficient en dystrophine/haploinsuffisant en utrophine. Ensuite, nous avons étudié les rôles physiopathologiques de l'OPG sur les tissus musculaires en caractérisant la fonction musculaire de souris déficientes en OPG. Finalement, nous avons débuté une étude sur l'effet de neutralisation systémique de RANKL sur l'ostéoporose associée à un traitement au deflazacort, un glucocorticoïde prescrit pour la DMD. Ainsi nous avons démontré que le traitement à long terme à l'anti-RANKL améliore la fonction et l'intégrité musculaire et osseuse chez les souris dystrophiques et protège contre l'ostéoporose induite par les glucocorticoïdes. À l'opposé, l'absence d'OPG induit, possiblement via RANKL, une faiblesse osseuse et musculaire et une atrophie sélective des fibres musculaires les plus puissantes. Ces avancées repoussent les connaissances au sujet de la voie RANK/RANKL/OPG au sein de la communication muscle-os et appuient l'anti-RANKL comme perspective thérapeutique chez les patients atteints de la DMD.

La myopathie de Duchenne, DMD, est la plus grave et la plus fréquente des dystrophies musculaires. La fonction des muscles respiratoires joue un rôle clé dans cette pathologie puisque dans 70% des cas, le décès du patient survient à la suite d'une défaillance respiratoire. Ces dernières années, des progrès importants ont été réalisés concernant les différentes thérapeutiques de cette pathologie. Pour appréhender les effets de tout essai thérapeutique, notre premier objectif a été d'apprécier l'évolution longitudinale de la fonction respiratoire de sujets atteints de DMD. Cette étude longitudinale montre qu'à un stade précoce, la pression maximale inspiratoire (PImax), reflet de la force des muscles inspiratoires, est un meilleur marqueur de l'atteinte respiratoire, mais qu'à un stade avancé, les paramètres ventilatoires fournissent plus d'informations au sujet de la progression de la maladie et sont plus faciles à mesurer. Ces résultats ont un intérêt clinique important dans le suivi des enfants DMD. Cependant, avant d'appliquer une thérapeutique chez le patient DMD, il faut tester son efficacité sur le modèle anima de cette pathologie, la souris mdx. Notre second objectif a donc été d'étudier l'évolution des paramètres respiratoires de la souris mdx en fonction de l'âge au repos et en réponse à un stimulus hypercapnique qui représente la force des muscles respiratoires. Nous montrons que la réponse à l'hypercapnie diminue avec l'âge parallèlement aux changements histologiques des muscles respiratoires. Parmi les thérapeutiques pharmacologiques, les donneurs de NO, comme la L-Arginine, entraînent une amélioration de la fonction contractile du diaphragme. Cependant, l'augmentation du NO peut entraîner des effets bénéfiques mais aussi délétères. Notre troisième objectif a donc été d'évaluer les effets d'un traitement à la L-Arginine sur les mécanismes cellulaires impliqués dans le processus physiopathologique. Cette étude montre que l'augmentation du NO est associée à une amélioration du phénotype dystrophique du diaphragme de la souris mdx, de la réponse au stress mécanique et de l'homéostasie calcique, sans aucun effet délétère sur la respiration mitochondriale, le stress oxydant et l'apoptose. Ce travail est un pré-requis indispensable compte tenu des nouvelles thérapeutiques qui pourront être appliquées dans un avenir proche.

Le protéasome est un complexe multi-enzymatique jouant un rôle majeur dans le maintien de Phoméostasie des protéines. Il constitue une nouvelle cible thérapeutique d'intérêt dans de nombreuses pathologies notamment les myopathies. Nous avons développé des nouvelles séries d'inhibiteurs du protéasome 20S eucaryote inhibant réversiblement l'enzyme, sans création de lien covalent avec la thréonine 1 des centres actifs en suivant trois stratégies. La stratégie pseudopeptidique n'avait pas été développée sur cette enzyme ; des inhibiteurs pseudopeptidiques et lipopeptidiques ont été obtenus. Dans une deuxième approche, des analogues cycliques et linéaires d'un inhibiteur naturel réversible, le TMC-95A, ont été synthétisés et étudiés, conduisant à des molécules actives au niveau submicromolaire. Certaines d'entre elles ont été trouvées efficaces sur un modèle cellulaire de dystrophie musculaire des ceintures, la LGMD-1C. Un effet cytotoxique a aussi été observé sur des lignées cellulaires cancéreuses. La troisième voie a consisté à étudier des molécules issues du criblage in silico d'une collection de molécules organiques. L'ensemble de ces travaux a ainsi abouti à l'identification de molécules originales, le plus souvent faciles à synthétiser, agissant sélectivement sur le protéasome et pouvant inhiber une, deux ou trois activités de l'enzyme. Elles ouvrent des perspectives pour des applications thérapeutiques
Currently, there are no safe and effective medicines available to treat muscle atrophy. The ATP-dependent ubiquitin proteasome System is implicated in muscle atrophy and limb-girdle muscular atrophy (LGMD-1C) and in Duchenne muscular dystrophy (DMD). Reversible and action-controlled proteasome inhibitors might contribute to anti-atrophy drug discovery by blocking degradation pathways activated during atrophy of skeletal muscles. They may also be used in the treatment of DMD and LGMD-1C. Our aim is the design, synthesis and enzymatic study of novel proteasome inhibitors acting in a reversible manner and without creating a covalent bond between the targeted enzyme and the inhibitor. Rational design of inhibitors notably by using molecular modelling. These inhibitors are either pseudopeptides and modified peptides built to facilitate specific binding to an unique targeted site and to resist to protease hydrolysis, or mimics of the natural inhibitor TMC-95A. Carry out detailed analysis of the effect of the newly synthesized molecules on proteasome activities: inhibition, activation, allosteric effects. Characterisation of regulatory non-catalytic sites (photolabeling, 2D electrophoresis, western blot, masss spectrometry) in order to design novel molecules that target them. In order to identify new hits screening in silico of a virtual library. The new inhibitors are putative candidates to treat LGMD-1C, LGMD-2D, DMD and muscle wasting

La souris mdx est le principal modele animal de la dystrophie musculaire de duchenne (dmd), une pathologie humaine hereditaire caracterisee par une degenerescence progressive et irreversible du muscle squelettique, dont l'origine est la deficience genetique d'une proteine nommee dystrophine. La dystrophine appartient au cytosquelette sous-sarcolemmal de la cellule musculaire squelettique et est au centre d'un systeme proteique multi-moleculaire. Ce systeme coexiste avec deux systemes comparables dont l'un depend de la spectrine, une proteine dont le role est majeur dans le cytosquelette de l'erythrocyte, et l'autre s'apparente au systeme ubiquitaire de type jonction adherente. Ces systemes assureraient notamment l'integration membranaire des filaments d'actine cytosquelettiques et la connexion transmembranaire de la cellule a la matrice extracellulaire. L'objet principal de ce travail concerne l'organisation tridimensionnelle ultrastructurale du cytosquelette sous-sarcolemmal de la cellule musculaire squelettique de la souris normale et de la souris mdx. La visualisation de face en microscopie electronique sur repliques ombrees de larges plages du cytosquelette associe au sarcolemme a ete realisee sur des myotubes en culture et des fibres musculaires adultes isolees, apres clivage cellulaire par sandwich a la polylysine. Cette methode nous a permis de decrire le cytosquelette sous-sarcolemmal et d'y individualiser deux niveaux principaux: le reseau cortical, majoritairement compose de filaments d'actine et s'etendant a distance du sarcolemme, et le reseau sous-membranaire, en partie integre a la membrane. Nous avons pu montrer que l'organisation generale du cytosquelette mdx n'apparait pas modifiee par l'absence de dystrophine. La localisation ultrastructurale de proteines cytosquelettiques, par immunomarquage a l'or colloidal, met en evidence la presence de la dystrophine et de la spectrine au niveau du reseau sous-membranaire dans le muscle normal. Ces proteines, en etroite relation avec les filaments d'actine, apparaissent alternativement sous une forme filamenteuse ou compactee. Leur elasticite pourrait permettre l'adaptation du cytosquelette sous-sarcolemmal a la contraction musculaire. Sur le cytosquelette du muscle mdx deficient en dystrophine, nos resultats suggerent que l'utrophine, l'homologue autosomique de la dystrophine surexprimee dans le muscle dystrophique, est effectivement liee in situ a des filaments d'actine et qu'une surexpression de la spectrine et de la vinculine, une proteine de jonction adherente, a egalement lieu. Le maintien de l'organisation du cytosquelette sous-sarcolemmal dystrophique pourrait dependre de la surexpression compensatrice de ces differents systemes multi-moleculaires cytosquelettiques

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est la conséquence de la perte de la dystrophine, une protéine cytosquelettique indispensable au maintien mécanique et fonctionnel du sarcolemme. Notre équipe a largement étudié les entrées cationiques dans les lignées murines et a montré : 1- une augmentation anormale des influx dépendant des stocks calciques (SOCE) dans les myotubes (MT) déficients en dystrophine (dys-), 2- que les influx SOCE sont médiés par les canaux TRPC1 et TRPC4, 3- que la dérégulation des SOCE dans les MT dys- est corrigée grâce à la surexpression de l'α1-syntrophine. Au jour d'aujourd’hui, il existe peu d'éléments dans la littérature quant à la caractérisation des entrées SOCEs dans les cellules musculaires humaines et dans la DMD. Ce travail de thèse s'articule autour de deux parties : Le modèle murin, dans lequel nous avons montré un rôle indispensable de STIM1 et Orai1 dans la mise en place des entrées SOCEs et l'implication de la voie Ca2+/PLC/PKC dans l'augmentation anormale de ces entrées dans les MT murins dys-. Le modèle humain primaire, dans lequel nous avons mis en évidence : 1- une augmentation anormale des influx SOCEs dans les MT DMD et établit le profil d'expression des différentes protéines nécessaires à la mise en place de ces entrées ; 2- l'implication de la voie Ca2+/PLC/PKC dans la dérégulation des SOCEs dans les MT humains DMD et le rôle de l'α1-syntrophine dans la régulation de ces entrées dans les MT humains ; 3- la dérégulation de l'homéostasie calcique dans la DMD qui se produit par l'intermédiaire des entrées cationiques dépendantes de TRPV2 dans les cellules musculaires dystrophiques
Duchenne muscular dystrophy (DMD) is the consequence of the loss of dystrophin, a cytoskeletal protein essential for the mechanical and functional maintenance of the sarcolemma. Our group has extensively studied store-operated cation influx (SOCE) in mouse cell lines and highlighted: 1- an abnormal increase in SOCE in dystrophin-deficient (dys-) mouse myotubes (MT), 2- That SOCE are mediated by TRPC1 and TRPC4, 3- that SOCE deregulation in dys- MT is corrected by overexpression of α1-syntrophin. As of today, there is little evidence in the literature regarding the characterization of SOCE in human muscle cells and in human DMD. This thesis work is divided in two parts : In the murine model, we demonstrated an essential role of STIM1 and Orai1 in the establishment of SOCE and highlighted the involvement of Ca2+/PLC/PKC pathway in the abnormal increase of cation entry in dystrophin-deficient mouse myotubes.In primary human model, we showed: 1- an abnormal increase of SOCE in DMD MT and established the expression profile of various proteins necessary for the implementation of this influx; 2- the involvement of Ca2+/PLC/PKC in SOCE deregulation in human DMD MT and the role of α1-syntrophin in the regulation of cation entry in human MT; 3- the deregulation of calcium homeostasis in DMD that occurs through TRPV2. This work proposes a new regulatory pathway, Ca2+/PLC/PKC, for SOCE in skeletal muscle cells and provides the first elements of the disruption of calcium homeostasis in DMD human myotubes due to the absence of SOCE's regulation by the α1-syntrophin and to the overactivation of TRPV2 channels

La myopathie à agrégats tubulaires (TAM) est une maladie génétique qui se caractérise par la présence d’agrégats tubulaires dans les biopsies musculaires de patients. Notre équipe a identifié pour la première fois des mutations dans STIM1 comme étant à l’origine de cette maladie. STIM1 (stromal interaction molecule 1) est le senseur calcique du réticulum sarco/endoplasmique (RE/RS). En effet, en cas de diminution du calcium (Ca2+) dans le RE/RS, STIM1 se déplie, oligomérise et migre à proximité de la membrane plasmique (MP) pour activer le canal calcique ORAI1 et permettre le remplissage des stocks. Ce mécanisme est le «store-operated Ca2+ entry» (SOCE). D’autres équipes ont rapporté une mutation dans STIM1 (p.R304W) conduisant à une TAM associée à d’autres symptômes, ou encore syndrome de Stormorken. Ainsi, ce travail a eu pour but d’étudier et de comparer l’impact des mutations TAM et Stormorken à différents niveaux du SOCE. Nous avons ainsi montré que les mutations TAM et Stormorken conduisent à une augmentation de l’expression de STIM1, à la formation de clusters constitutifs de STIM1 à proximité de la MP, ainsi qu’au recrutement du canal ORAI1 et à l’activation de la voie du NFAT, dépendante du Ca2+
Tubular aggregate myopathy (TAM) is a genetic disorder characterized by tubular aggregates in muscle biopsies of patients. Our team identified for the first time mutations in STIM1 as causative of this disease. STIM1 (stromal interaction molecule 1) is the main calcium (Ca2+) sensor of the endo/sarcoplasmic reticulum (ER/SR). Following Ca2+ depletion of the ER/SR, STIM1 unfolds, oligomerizes and migrates close to the plasma membrane (PM) to activate the Ca2+ channel ORAI1, leading to Ca2+ entry. This mechanism is the «store-operated Ca2+ entry» (SOCE). Several teams report a mutation in STIM1 (p.R304W) leading to TAM associated with other symptoms, described as Stormorken syndrome. Therefore, this work aims to assess and compare the impact of TAM and Stormorken mutations at different stages of the SOCE pathway. We show that TAM and Stormorken mutations lead to an increase expression of the protein, a constitutive STIM1 clustering near the PM, to ORAI1 constitutive recruitment and to the activation of a Ca2+ -dependent pathway: the NFAT pathway

La dystrophie musculaire de Duchenne, est une maladie qui résulte d’une mutation dans le gène codant pour la dystrophine. Cette mutation entraine l'absence de la protéine dystrophine dans les fibres musculaires et mène à une dégénérescence des différents muscles ce qui engendre une défaillance cardiorespiratoire suivie d’un décès prématuré. La récente découverte du système CRISPR/Cas9 ouvre de nouvelles perspectives pour le développement d’un traitement curatif pour la DMD. A l’aide d’un ARNg, reconnaissant une séquence cible protospacer localisée à proximité d’un PAM (protospacer adjacent motif), l’endonucléase Cas9 génère une coupure double brin dans l’ADN. Il a été démontré que l’utilisation d’une paire d’ARNgs ciblant des introns permettait de générer de larges délétions et de restaurer un cadre de lecture propice à l’expression d’une dystrophine tronquée dans des cellules de patients DMD. Cependant, cette approche ne prend pas en considération la structure de la dystrophine qui résulte de cette délétion. Il a été suggéré que chez les patients atteints de la dystrophie musculaire de Becker, produisant une dystrophine tronquée mais fonctionnelle, la sévérité de la maladie serait reliée au type de délétion et à la structure de la dystrophine qui en résulte. Il semble donc pertinent de travailler au développement d’une approche qui prend aussi en considération la structure des répétitions de type spectrine. D’autre part, le système CRISPR/Cas9 envahit progressivement toutes les sphères des sciences de la vie et soulève par la même occasion des questions de sécurité pour les patients. En effet, la possibilité de mutations hors-cible ou d’une réponse immunitaire dirigée contre ces endonucléases pourrait freiner l’application clinique de ces outils. Ainsi nous avons envisagé différentes approches qui contribueraient à limiter des tels effets pouvant s’avérer néfastes pour les patients. Nos résultats montrent qu’il est possible d’utiliser la Cas9 de S.aureus ainsi qu’une paire d’ARNgs ciblant des exons pour induire une délétion dans l’ADN génomique. Cette délétion permet la formation d’un exon hybride qui restaure non seulement le cadre de lecture du gène de la dystrophine[1], mais contribue aussi à la formation d’une répétition de type spectrine hybride correctement phasée. Lors de nos expérimentations, nous avons été capables d’induire la production de dystrophine in vitrosur des lignées de cellules de quatre patients DMD et in vivodans un modèle de souris dystrophique. Ensuite, avec la technologie du Feldan Shuttle nous avons montré qu’il était possible d’induire l’édition du gène de la dystrophine (gène humain ou murin) en livrant directement des complexes ribonucléoprotéiques dans le muscle d’une souris dystrophique. Cette édition a permis d’induire l’expression de protéine dystrophine dans les fibres musculaires, mais cette approche reste pour le moment réduite à des applications localisées. Enfin, nous avons démontré que l’inactivation de l’activité autocatalytique du ribozyme N79 serait une stratégie envisageable pour contrôler l’expression d’une endonucléase. Présentement, ce système n’a fait ses preuves que lors d’expérimentations in vitro, mais il ouvre la porte au développement de nouveaux moyens de contrôler pharmacologiquement l’édition du génome par le système CRISPR/Cas9. Finalement, l’ensemble de ces travaux contribuent à une meilleure compréhension des défis à relever pour mettre au point un traitement curatif pour la dystrophie musculaire de Duchenne, de façon plus efficace et sécuritaire.
Duchenne Muscular Dystrophy is one of the most severe genetic disease. It is caused by a mutation in the dystrophin gene. Such mutation is responsible for the absence of the dystrophin protein in the muscles thus leading to muscle wasting and to a premature death following cardiorespiratory failure. The discovery of the CRISPR/Cas9 systems opened the path for the establishment of curative treatments for genetic diseases, such as DMD. A Cas9 endonuclease can generate a double strand break in the DNA at a targeted locus through a guide RNA that specifically recognize a DNA protospacer sequence located closed to a protospacer adjacent motif (PAM). Recent work published by others demonstrated that the use of a pair of sgRNAs targeting introns permitted to create a genomic deletion that restores the DMD gene reading frame thus leading to de novosyn thesis of a truncated dystrophin protein. However, such deletion does not consider the resulting structure of the central part of the dystrophin. In Becker muscular dystrophic patients, a truncated dystrophin protein is synthesized but the severity of the disease could be related to the structure of this protein. Consequently, it seems relevant to develop a therapeutic approach that considers the structure of the spectrin-like repeat that forms the central rod-domain of the dystrophin protein. Further more, while CRISPR/Cas9 is on the rise it also raises safety issues for patients. Indeed, off-target mutations and immune response directed against such endonuclease can occur thus preventing the possibility of starting clinical trials. Consequently, there is an increasing need to develop safer approaches that may counter such undesirable effects. Our results demonstrated the feasibility of inducing a large genomic deletion with the Cas9 from S. aureus with a pair of sgRNAs targeting exons. Such deletion allows the formation of a hybrid exon that could, in addition to restoring the expression of the dystrophin protein, restore the correct structure of the spectrin-like repeat in its central rod-domain. We have been able to demonstrate such dystrophin expression in vitroand in vivoin four different DMD patient cell lines and in a dystrophic mouse model, respectively. Next, we envisioned the delivery of Cas9/sgRNA ribonucleoprotein complexes using the Feldan Shuttle technology. We provided proof-of-principle that such delivery permits the editing of the dystrophin gene in the TA of mouse models. Following the editing, dystrophin protein expression was restored in the treated muscles of a dystrophic mouse model. Since this approach remains restricted to in situ treatments, further development should be addressed to allow systemic delivery of Cas9/sgRNA. Finally, we provided evidence that the self-catalytic activity of the ribozyme N79 can be controlled using toyocamycin. Even if it only demonstrated its efficacy in vitro, this system opens the path to the development of a different tool for the pharmacological induction of endonuclease protein expression. Finally, this work contributes to the improvement of our understanding for the establishment of a potent and safe therapy to find a cure for DMD.