Régulation des domaines nucléaires par le réseau associé aux microtubules dans les muscles striés squelettiques

Regulation of myonuclear domains by microtubules network in skeletal muscle

• Auteur / Autrice : Alireza Ghasemizadeh
• Direction : Vincent Gache
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 14/11/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut NeuroMyoGène (Lyon ; 2016-2021)
• Jury : Président / Présidente : Carole Kretz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Gache, Carsten Janke, Pascal Maire, Joana Esteves De Lima, Laurence Paturle-Lafanechère
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Carsten Janke, Pascal Maire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Noyau cellulaire

Microtubules

Myogénèse

Croissance -- Aspect moléculaire

Muscles striés

Mots clés libres

Muscle squelettique

Domaines nucléaire

Microtubules

MACF1

SVBP

Protéine associée aux microtubules

Modification post-traductionnelle

Skeletal muscle

Myonuclear domains

Microtubules

MACF1

SVBP

Microtubules associated protein

Microtubules Post-translational modifications

Résumé

Le muscle squelettique est composé de milliers de cellules géantes, appelées les myofibres. Pour développer les myofibres, des cellules progénitrices mononucléées, appelées myoblastes, fusionnent et partagent leur cytoplasme et leur noyau avec les syncytiums en formation. Au sein de chaque myofibre, des centaines de noyaux sont régulièrement positionnés à la périphérie, à l'exception de zones spécialisées telles que les jonctions neuromusculaires (NMJs, pour neuromuscular junctions) où plusieurs noyaux sont regroupés. Cette organisation précise des noyaux donne naissance à des domaines nucléaires, qui sont des territoires théoriques supportés transcriptionnellement par chaque noyau pour garantir une activité transcriptomique coordonnée tout au long des myofibres. Les domaines nucléaires sont dérégulés dans différents types de myopathies où on observe des noyaux mal positionnés au long ou à l'intérieur des myofibres. Cependant, comment les domaines nucléaires sont régulés à la périphérie des myofibres et comment leur perturbation peut contribuer au développement de myopathies reste peu compris. Les microtubules (MT) sont des structures dynamiques qui passent par des cycles de polymérisation et de dépolymérisation sous l'influence de protéines associées (MAPs, pour microtubules associated proteins) ou des modifications post-traductionnelles (PTMs, pour post translational modifications). Au cours des premières étapes du développement des myofibres, les MT participent activement à la formation des domaines nucléaires en servant comme un guide pour les molécules motrices qui dispersent les noyaux le long de la myofibre en croissance. Plus tard, c'est l'assemblage des sarcomères musculaires qui vont pousser les noyaux dispersés à la périphérie des myofibres. Comment les noyaux sont maintenus à la périphérie des myofibres n'est pas clair, cependant, la présence d'une cage dense de MT autour des noyaux périphériques suggère que les MT et leur réseau de protéines associées peuvent contribuer au positionnement des noyaux également dans les myofibres matures. Dans cette étude, nous avons défié la dynamique des MT en modifiant son réseau des MAPs ou sa proportion des PTMs au cours de la myogenèse. En utilisant divers modèles in vitro et in vivo de sous expression ou knock-out, nous montrons que la dynamique des MT est réduite au cours de la myogenèse vers un réseau plus stable dans les myofibres matures. Nous rapportons également que l'augmentation de la dynamique des MT peut perturber directement les domaines nucléaires à la périphérie des myofibres, soit en augmentant la dynamique des noyaux soit en augmentant le nombre des noyaux par myofibre. Dans les deux cas, nous proposons des mécanismes expliquant comment chaque forme de perturbation des domaines nucléaires peut entraîner une réduction de la fonctionnalité musculaire.

Skeletal muscle is composed of thousands of giant cells, known as myofibers. To develop myofibers, progenitor mononuclear cells, called myoblasts, fuse together and share their cytoplasm and nucleus with the forming syncytia. Within each myofiber, hundreds of nuclei, also termed myonuclei, are regularly positioned at the periphery, with exception of specialized zones such as neuromuscular junctions (NMJs) where several myonuclei are clustered. This precise myonuclei organization gives rise to myonuclear domains, which are theoretical territories transcriptionally supported by each myonucleus to guarantee a spatial and coordinated transcriptomic activity all along myofibers. Myonuclear domains are challenged in different types of myopathies where mispositioned myonuclei can be observed along and within myofibers. Yet, how myonuclear domains are regulated at the periphery of myofibers and how their disruption may contribute to the development of myopathies remain poorly understood. Microtubules (MTs) are highly dynamic structures which go through cycles of polymerization and depolymerization under the influence of their microtubules-associated proteins (MAPs) or post-translational modifications (PTMs). During the early steps of myofibers development, MTs actively participate in myonuclear domains formation by serving as railways for motor molecules which disperse myonuclei along the growing myofiber. Later on, it is the assembly of muscular sarcomeres which will push the dispersed myonuclei to the periphery of myofibers. How myonuclei are held at the periphery of myofibers is not clear, however, the presence of dense MTs cage around the peripheral myonuclei suggests that MTs and their associated proteins network may contribute to myonuclei positioning also in mature myofibers. In this study, we challenged MTs dynamics by altering its MAPs network or its PTMs proportion during myogenesis. By using various in vitro and in vivo knock-down and knock-out models, we show that MTs dynamics is reduced during myogenesis toward a more stable network in mature myofibers. We also report that increasing MTs dynamics can directly disrupt myonuclear domains at the periphery of myofibers, either by increasing myonuclei dynamics or by increasing myonuclei content per myofiber. In both cases, we propose mechanisms explaining how each form of disrupted myonuclear domains results in reduced muscle functionality.