Découverte de nouveaux mécanismes pathologiques soutenant de nouvelles opportunités thérapeutiques dans la dystrophie musculaire de Duchenne

Novel pathological mechanisms support new therapeutic opportunities in Duchenne Muscular Dystrophy

• Auteur / Autrice : Ai Vu hong
• Direction : David Israeli, Isabelle Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 30/06/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Approches génétiques intégrées et nouvelles thérapies pour les maladies rares (Evry, Essonne) - Approches génétiques intégrées et nouvelles thérapies pour les maladies rares / INTEGRARE
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Fisson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gillian Butler-Browne, Paolo Bernardi, Marco Spinazzi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gillian Butler-Browne, Paolo Bernardi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mitochondries

Muscles

Cholestérol

Myopathie de Duchenne

MicroARN

Mots clés libres

MicroRNA

Dlk1-Dio3

Metabolism

Résumé

La dystrophie musculaire de Duchenne est une myopathie conduisnat à une réduction de la durée de vie et pour laquelle il n'existe pas de traitement curatif. Elle résulte de mutations dans le gène DMD, qui code une protéine participant à la liaison entre le cytosquelette et la matrice extracellulaire dans les muscles squelettiques et cardiaques. Dans cette thèse, je présente trois études qui ont conduit à la découverte de nouveaux aspects pathophysiologiques dans DMD reliés au métabolisme.La première étude s'intitule “Cholesterol metabolism is a potential therapeutic target in DMD”. Nous avons séquencé les miRNA plasmatiques dans une cohorte comprenant 54 patients DMD comparés à 27 contrôles sains. Nous avons identifié 96 miARNs dérégulés, dont beaucoup n'avaient jamais été rapportés dans DMD. Nous avons développé une approche bioinformatique basée à la fois sur les cibles et les gènes hôtes des miARNs pour l'interprétation de leur dysrégulation. Cette analyse a prédit que la dysrégulation du métabolisme lipidique a un rôle central dans DMD. Des investigations chez la souris mdx ont montré une dérégulation des facteurs de transcription lié aux acides gras (SREBP1) ou au métabolisme du cholestérol (SREBP2), une perturbation de la voie de mévalonate, et une accumulation du cholestérol dans les muscles squelettiques. Un taux de cholestérol élevé a été également montré dans des biopsies des patients de DMD. Un traitement de souris mdx avec de la Simvastatine a normalisé ces perturbations et partiellement restauré des paramètres dystrophiques. Cette étude suggère que le métabolisme de cholestérol et la voie de mevalonate puissent être des cibles thérapeutiques potentielles dans DMD.Les deuxième et troisième études incluses dans cette thèse sont orientés sur l'étude des perturbations mitochondriales dans DMD suite à la démonstration d'une dérégulation de nombreux miRNAs résidant dans le locus DLK1-DIO3 (DD-miRNAs) chez les patients DMD. Dans l'étude intitulée “miR-379 links glucocorticoid treatment with the mitochondrial response in DMD”, nous nous sommes concentrés sur un DD-miRNAs particulier, le miR-379. En utilisant un modèle in vitro, nous avons identifié une nouvelle cascade de signalisation: miR-379 réprime l'expression d'EIF4G2, un facteur d'initiation de traduction qui favorise l'expression de protéine DAPIT. DAPIT est un composant de phosphorylation oxydative (OxPhos). Nous avons démontré que dans DMD, l'inhibition de DAPIT par la voie de signalisation identifiée aboutit à une réduction de la capacité d'OxPhos.Dans la dernière étude, intitulée “The DLK1-DIO3 cluster miRNAs regulate mitochondrial functions in the dystrophic muscle in DMD”, nous avons entrepris une approche plus globale. La combinaison d'une analyse bioinformatique et de la surexpression simultanée in vivo de 14 DD-miRNAs dans le muscle sain a suggéré que les DD-miRNAs peuvent moduler en coopération la capacité d'OxPhos. Une analyse transcriptomique a montré une importante similitude entre le muscle dystrophique et un muscle normal surexprmant ectopiquement les DD-miRNAs, suggèrant que les DD-miRNAs puissent médier l'adaptation mitochondriale dans DMD. L'inactivation de l'ensemble du cluster DD-miRNA dans des myotubes dérivés d'iPS a entraîné une augmentation de l'OxPhos.Ensemble, les deux études apportent des évidences de la modulation de l'activité mitochondriale dans le muscle dystrophique par les DD-miRNAs et soutiennent un modèle actualisé pour comprendre le dysfonctionnement mitochondriale dans DMD.Les études rapportées ici contribuent à une meilleure compréhension de ces aspects métaboliques et, par conséquent, pourraient favoriser le développement translationnel et l'amélioration des soins thérapeutiques dans le DMD.

Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) is a lethal muscle disease with no curative treatment. It is caused by mutations in the DMD gene, that encodes a protein participating in the linkage between the cytoskeleton and the extracellular matrix in skeletal and cardiac muscles. In this thesis, I am presenting 3 studies that led to the discovery of new pathophysiological aspects in DMD related to metabolism.The first study was entitled “Cholesterol metabolism is a potential therapeutic target in DMD”. We sequenced plasma miRNA in a DMD cohort comprising 54 DMD patients compared to 27 healthy controls. We identified 96 dysregulated miRNAs with many of them not previously reported in DMD. We developed an bioinformatics approach based on both targets and host genes of miRNAs for the interpretation of miRNA dysregulation. This analysis predicted that dysregulation of lipid metabolism has a central role in DMD. Further investigation in the mdx mouse revealed dysregulation of transcription factors of fatty acid (SREBP1) and cholesterol metabolism (SREBP2), perturbation of the mevalonate pathway, and accumulation of cholesterol in skeletal muscles. Elevated cholesterol was also found in biopsies of DMD patients. Treatment of mdx mice with Simvastatin normalized these perturbations and partially restored dystrophic parameters. This investigation supports the hypothesis that cholesterol metabolism and the mevalonate pathway are potential therapeutic targets in DMD.The second and third studies focussed on mitochondrial perturbations in DMD. We noticed the dysregulation in DMD patients of many miRNAs residing in the DLK1-DIO3 locus (DD-miRNAs). In the study entitled “miR-379 links glucocorticoid treatment with the mitochondrial response in DMD”, we selected one specific DD-miRNAs, miR-379. Using an in vitro model system, we identified a novel glucocorticoid-responsive signaling cascade: miR-379 represses the expression of EIF4G2, a translation initiation factor that promotes the expression of DAPIT protein. DAPIT is a component of Oxidative Phosphorylation (OxPhos) complex V. We demonstrated that in DMD, DAPIT inhibition by the identified signaling pathway results in reduced OxPhos capacity.In the last study, entitled “The DLK1-DIO3 cluster miRNAs regulate mitochondrial functions in the dystrophic muscle in DMD”, we undertook a more global approach. The combination of bioinformatics analysis and the in vivo simultaneous overexpression of 14 DD-miRNAs, in the healthy muscle suggested that DD-miRNAs may cooperatively modulate OxPhos capacity. Transcriptomic analysis revealed a high degree of similarity between the dystrophic muscle and a normal muscle that ectopically overexpressed the 14-DD-miRNAs, supporting that DD-miRNAs mediate mitochondrial adaptation in DMD. Knocking down the entire DD-miRNA cluster in iPS-derived myotubes resulted in increased mitochondrial activity and OxPhos.Together, the two last studies provide evidence for the modulation of mitochondrial activity in the dystrophic muscle by the upregulated DD-miRNAs and support an updated model for understanding mitochondrial dysfunction in DMD.The prevailing hypothesis for the dominant molecular mechanisms in DMD is of mechanical destabilization of the myofibers in the dystrophic muscle. Yet, accumulating evidence supports a critical role for metabolic and mitochondrial perturbations in DMD, in addition to mechanical destabilization. However, the nature of these metabolic perturbations has remained poorly understood. The studies reported here contribute to a better understanding of these metabolic aspects and, therefore, promote translational development and improved therapeutic care in DMD.