La communication os-muscle dans la dystrophie musculaire : une interaction musculaire hors triade pour l'ostéoprotégérine

La dystrophie musculaire de Duchenne est caractérisée par une dégénérescence musculaire progressive accompagnée d’une fragilité osseuse exacerbée par la norme de soins actuelle. Au-delà de la relation mécanique qui unit leur croissance, maintenance ou dégénérescence, les muscles et les os interagiraient à l’échelle moléculaire via des sentiers signalétiques communs. La voie RANK/RANKL/OPG, un gouverneur du remodelage osseux, est au nombre de ces voies suite à la découverte de la triade en contexte musculaire, de la capacité des cellules musculaires à sécréter de l’OPG, de la localisation du récepteur RANK au sarcolemme et de l’effet inotropique de la délétionmusculaire de RANK sur l’atrophie induite par dénervation. Élément déterminant, le bénéfice musculaire d’un traitement au FL-OPG-Fc, protagoniste de la triade fusionnée à un fragment Fc, est supérieur aux stratégies pharmacologiques ou génétiques d’inhibitionde RANK/RANKL pour la souris dystrophique et suggère un effet biologique hors-triade. Malgré ces évidences morcelées et compte tenu de la structure du FL-OPG-Fc, un potentiel mécanisme d’action musculaire est inconnu. Ce mécanisme constitue l’idée originale de cette thèse et nécessite investigation à l’aide d’un modèle pré-clinique prédictif et fidèle au déroulement de la pathologie. Le but de cette thèse est 1) caractériser à différents stades de vie les propriétés fonctionnelles et contractiles d’un nouveau modèle dystrophique pré-clinique murin ainsi que les paramètres discriminants par rapport à la souris sauvage, 2) mettre à jour les connaissances sur la cohésion signalétique ainsi que le dialogue moléculaire bidirectionnel muscle-os en contexte de dystrophie musculaire et 3) investiguer la capacité du FL-OPG-Fc à interagir directement avec les cellulesmusculaires, en explorer la signalisation cellulaire puis vérifier la présence d’un effet bénéfique aigu sur la contractilité de muscles dystrophiques. Premièrement, nos recherches sur le nouveau modèle ont démontré que l’haploinsuffisance en utrophine dans la souris délétée en dystrophine n’a pas d’impact sur sa performance fonctionnelle et contractile à 1, 2 et 5 mois d’âge. Ces données ont permis d’établir que la souris déficiente en dystrophine était pertinente pour nos études,moyennant l’utilisation préférentielle de variables expérimentales discriminantes par rapport à la souris sauvage telles que la force maximale spécifique et la résistance aux contractions excentriques. Deuxièmement, en ce qui a trait aux voies communes et aux dialogues muscle-os en contexte de dystrophie musculaire, nos travaux de synthèse ont répertorié des interactions basées sur des myokines, ostéokines et cytokines de double origine déclenchant des sentiers signalétiques menant entre autres à l’inflammation, la fibrose, la synthèse ou la dégradation protéique. Collectivement, les sources citées par notre ouvrage soulignent l’importance de considérer les muscles et les os en tant qu’unité pour orienter les recherches précliniques vers le développement d’approches multifonctionnelles efficaces à traiter ces affections musculaires et osseuses de manière simultanée. Troisièmement, nos travaux de recherche ont montré que le FL-OPG-Fc peut directement associer et influencer le muscle squelettique grâce à son domaine de liaison à l’héparine tant pour les fibres saines que celles déficientes en dystrophine, et ce, au moins en partie de manière indépendante du récepteur RANK. Puis, cette liaison musculaire peut engendrer une cascade de signalisation cellulaire incluant les protéines FAK/Akt/CaMKII/PLN. Concrètement, nos résultats ont indiqué que le FL-OPG-Fc peut avoir un effet protecteur dans les cellules musculaires contre les dommages causés par une surcharge calcique. Finalement, le FL-OPG-Fc peut avoir un effet potentiateur sur les contractions tétaniques des muscles dystrophiques de phénotype rapide, effet nécessitant la présence du domaine de liaison à l’héparine pour s’opérer. Globalement, cette thèse apporte une contribution à l’avancement des connaissances sur le développement scientifique de modèles précliniques de DMD, sur les sentiers communs aux muscles et aux os, sur l’existence ainsi que le domaine de l’interaction du FL-OPG-Fc directement sur les cellules musculaires et sur une des voies de signalisation potentielles par laquelle le FL-OPG-Fc peut les influencer. Ces avancées biologiques repoussent les connaissances au sujet de la voie RANK/RANKL/OPG au sein de la communication muscle-os. Ces résultats peuvent également être mis en perspective de situations physiologiques comme la croissance, la maintenance et l’homéostasie, où ce dialogue pourrait s’exprimer dans la régulation réciproque du muscle et de l’os. Finalement, les connaissances générées au sujet de la protéine OPG pourront contribuer à la compréhension des rôles hors-triade de l’OPG répertoriés pour de multiples types cellulaires non-osseux

A short-term statin treatment changes the contractile properties of fast-twitch skeletal muscles

Background : Cumulative evidence indicates that statins induce myotoxicity. However, the lack of understanding of how statins affect skeletal muscles at the structural, functional, and physiological levels hampers proper healthcare management. The purpose of the present study was to investigate the early after-effects of lovastatin on the slow-twitch soleus (Sol) and fast-twitch extensor digitorum longus (EDL) muscles. Methods : Adult C57BL/6 mice were orally administrated with placebo or lovastatin [50 mg/kg/d] for 28 days. At the end of the treatment, the isometric ex vivo contractile properties of the Sol and EDL muscles were measured. Subtetanic and tetanic contractions were assessed and contraction kinetics were recorded. The muscles were then frozen for immunohistochemical analyses. Data were analyzed by two-way ANOVA followed by an a posteriori Tukey’s test. Results : The short-term lovastatin treatment did not induce muscle mass loss, muscle fiber atrophy, or creatine kinase (CK) release. It had no functional impact on slow-twitch Sol muscles. However, subtetanic stimulations at 10 Hz provoked greater force production in fast-twitch EDL muscles. The treatment also decreased the maximal rate of force development (dP/dT) of twitch contractions and prolonged the half relaxation time (1/2RT) of tetanic contractions of EDL muscles. Conclusions : An early short-term statin treatment induced subtle but significant changes in some parameters of the contractile profile of EDL muscles, providing new insights into the selective initiation of statin-induced myopathy in fast-twitch muscles

Physiological role of receptor activator nuclear factor-kB (RANK) in denervation-induced muscle atrophy and dysfunction

The bone remodeling and homeostasis are mainly controlled by the receptor-activator of nuclear factor kB (RANK), its ligand RANKL, and the soluble decoy receptor osteoprotegerin (OPG) pathway. While there is a strong association between osteoporosis and skeletal muscle dysfunction, the functional relevance of a particular biological pathway that synchronously regulates bone and skeletal muscle physiopathology remains elusive. Our recent article published in the American Journal of Physiology (Cell Physiology) showed that RANK is also expressed in fully differentiated C2C12 myotubes and skeletal muscles. We used the Cre-Lox approach to inactivate muscle RANK (RANKmko) and showed that RANK deletion preserves the force of denervated fast-twitch EDL muscles. However, RANK deletion had no positive impact on slow-twitch Sol muscles. In addition, denervating RANKmko EDL muscles induced an increase in the total calcium concentration ([CaT]), which was associated with a surprising decrease in SERCA activity. Interestingly, the levels of STIM-1, which mediates Ca2+ influx following the depletion of SR Ca2+ stores, were markedly higher in denervated RANKmko EDL muscles. We speculated that extracellular Ca2+ influx mediated by STIM-1 may be important for the increase in [CaT] and the gain of force in denervated RANKmko EDL muscles. Overall, these findings showed for the first time that the RANKL/RANK interaction plays a role in denervation-induced muscle atrophy and dysfunction

Muscle RANK is a key regulator of calcium storage, SERCA activity, and function of fast-twitch skeletal muscles

Receptor-activator of nuclear factor kB (RANK), its ligand RANKL and the soluble decoy receptor osteoprotegerin (OPG)are the key regulators of osteoclast differentiation and bone remodeling. Here we show that RANK is also expressed in fully differentiated myotubes and skeletal muscle. Muscle RANK deletion (RANKmko) has inotropic effects in denervated, but not in sham, extensor digitorum longus (EDL) muscle preventing the loss of maximum specific force while promoting muscle atrophy, fatigability and increased proportion of fast-twitch fibers. In denervated EDL muscles, RANK deletion markedly increased stromal interaction molecule 1 (Stim1) content, a calcium sensor, and altered activity of the sarco(endo)plasmic reticulum Ca2+ ATPase (SERCA) modulating Ca2+ storage. Muscle RANK deletion had no significant effects on the sham or denervated slow-twitch soleus (Sol) muscles. These data identify a novel role for RANK as a key regulator of calcium storage and SERCA activity, ultimately affecting denervated skeletal muscle function

L'effet des statines sur le muscle squelettique rapide

Les statines sont des inhibiteurs de l’enzyme HMG-CoA réductase, une étape limitant la biosynthèse du cholestérol [1]. Elles sont efficaces dans la prévention primaire et secondaire des maladies cardiovasculaires [2-7]. L’utilisation de statines est associée à des effets néfastes au niveau du muscle squelettique d’environ 15% des patients, condition qui est nommée; myopathie induite par les statines (MIS) [8-15]. Les hypothèses concernant la MIS abondent mais il semble que les causes soient multifactorielles et que l’orchestration soit toujours mal comprise. Dans un premier temps, la structure générale et la compartimentalisation cellulaire seront abordées. Par la suite seront traités les acteurs et étapes du couplage excitation-contraction. Par après, les types de fibres et la plasticité phénotypique seront décrits. Puis, les mécanismes d’hypertrophie et d’atrophie seront passés en revue. Finalement, la dernière section portera sur l’utilisation des statines et la myopathie associée. Suite à cette introduction, les expériences à l’étude seront présentées sous forme d’article scientifique. Ce manuscrit en préparation élucide l’effet du traitement aux statines sur les ATP-ases calciques du réticulum sarcoplasmique. Il touche en effet les caractéristiques fonctionnelles et moléculaires de ces pompes en ce qui concerne les muscles rapides et les cellules musculaires en culture. Il contribue donc à une meilleure compréhension de la problématique multifactorielle que représente la MIS, s’insérant dans le portrait des connaissances en comblant un manque probant d’informations

Physiological role of receptor activator nuclear factor-kB (RANK) in denervation-induced muscle atrophy and dysfunction

The bone remodeling and homeostasis are mainly controlled by the receptor-activator of nuclear factor kB (RANK), its ligand RANKL, and the soluble decoy receptor osteoprotegerin (OPG) pathway. While there is a strong association between osteoporosis and skeletal muscle dysfunction, the functional relevance of a particular biological pathway that synchronously regulates bone and skeletal muscle physiopathology remains elusive. Our recent article published in the American Journal of Physiology (Cell Physiology) showed that RANK is also expressed in fully differentiated C2C12 myotubes and skeletal muscles. We used the Cre-Lox approach to inactivate muscle RANK (RANKmko) and showed that RANK deletion preserves the force of denervated fast-twitch EDL muscles. However, RANK deletion had no positive impact on slow-twitch Sol muscles. In addition, denervating RANKmko EDL muscles induced an increase in the total calcium concentration ([CaT]), which was associated with a surprising decrease in SERCA activity. Interestingly, the levels of STIM-1, which mediates Ca2+ influx following the depletion of SR Ca2+ stores, were markedly higher in denervated RANKmko EDL muscles. We speculated that extracellular Ca2+ influx mediated by STIM-1 may be important for the increase in [CaT] and the gain of force in denervated RANKmko EDL muscles. Overall, these findings showed for the first time that the RANKL/RANK interaction plays a role in denervation-induced muscle atrophy and dysfunction

L’intolérance musculaire aux statines

L’hypercholestérolémie est un facteur de risque majeur dans le développement des maladies cardiovasculaires. L’enquête canadienne sur les mesures de santé de 2012-2013 révèle une dyslipidémie chez 38 % des répondants de 18 à 79 ans. Selon l’American College of Cardiology, l’American Heart Association, la Canadian Cardiovascular Society et le Canadian Working Group Consensus, les statines demeurent le traitement de choix en matière de dyslipidémie et de réduction des risques cardiovasculaires. Des interrogations demeurent cependant quant à leur usage et leur sécurité, à leurs potentiels effets secondaires musculaires, à leurs interactions avec l’entraînement et aux mécanismes proposés de myotoxicité cellulaire. L’objectif du présent article de synthèse est de dresser un portrait clair de la situation clinique et d’explorer des mécanismes d’actions possibles des statines induisant une myopathie. Une meilleure compréhension de la physiopathologie musculaire chez les utilisateurs de statines est absolument essentielle afin de développer des outils cliniques facilitant l’identification et le suivi des patients véritablement intolérants aux statines et de permettre la gestion optimale des risques cardiovasculaires tout en minimisant les impacts musculaires

Utrophin haploinsufficiency does not worsen the functional performance, resistance to eccentric contractions and force production of dystrophic mice.

The lack of dystrophin in Duchenne muscular dystrophy (DMD) compromises the integrity and function of muscle fibers. Skeletal muscles, except the diaphragm, do not undergo progressive degeneration in adult mdx mice due to compensatory mechanisms, including structural protein upregulation. New mouse models, including utrophin haploinsufficient mdx (mdx/utrn+/-) mice, may better recapitulate DMD. Our goal was to determine whether mdx/utrn+/- worsens the mdx phenotype and to characterize the course of the disease on muscle function and contractility at 1, 2, and 5 months of age, which encompass all stages of development relevant to DMD therapy. The functional performances of mdx/utrn+/- mice showed that they are not more affected than mdx/utrn+/+ mice based on downhill treadmill running parameters and subsequent recovery measured by open-field voluntary activity. WT mice ran the entire distance (450 m) on the treadmill, with an additional 561 m during the 4 h of open-field while mdx/utrn+/+ and mdx/utrn+/- mice completed, respectively, 236 m and 273 m on the treadmill and 341 m and 287 m during the open-field period. In addition, isolated ex vivo contractile properties and repeated eccentric contractions showed that mdx/utrn+/- does not significantly worsen the function of dystrophic EDL muscles, which are mainly composed of fast-twitch fibers that are preferentially affected in DMD. Twitch, absolute tetanic, and specific tetanic forces were very similar in dystrophic EDL muscles from mdx/utrn+/+ and mdx utrn+/- mice at 1, 2, and 5 months of age. Five-month-old mdx/utrn+/+ and mdx/utrn+/- mice lost roughly 50% of their force due to repeated eccentric contractions. Thus, histological, morphological, biochemical functional and contractile observations showed that utrophin haploinsufficiency has a very limited impact on mdx mice