Signalisation et implication des phosphoinositides dans la myopathie myotubulaire liée à l'X

Deciphering phosphoinositides signaling in X-linked myotubular myopathy

• Auteur / Autrice : Melanie Mansat
• Direction : Julien Viaud, Karim Hnia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire
• Date : Soutenance le 04/04/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Biologie Santé Biotechnologies (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Muriel Laffargue
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvie Friant, Olivier Destaing, Cécile Gauthier-Rouvière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Myopathie atypique

Phospho-inositides

Mots clés libres

Myopathie myotubulaire

Phosphoinositides

CRISPR-CAS9

Cellules musculaires squelettiques

Myotubular myopathy

Phosphoinositides

CRISPR-CAS9

Skeletal muscle cells

Résumé

Les phosphoinositides (PIs) appartiennent à une famille de lipides membranaires qui jouent un rôle essentiel dans diverses fonctions cellulaires, comme en témoigne l’implication directe de nombreuses enzymes de leur métabolisme dans diverses pathologies humaines telles que des maladies génétiques ou des cancers. Leur métabolisme est extrêmement actif via l’action de PI-kinases et PI-phosphatases spécifiques. Sous l’effet de divers stimuli, la relocalisation de ces enzymes permet une génération ou un appauvrissement rapide et plus ou moins transitoire de certains PIs, permettant une coordination dans le recrutement de protéines impliquées dans divers mécanismes cellulaires tels que la migration, la différentiation, ou encore la prolifération. La protéine MTM1, membre de la famille des myotubularines, est une PI 3-phosphatase qui, in vitro, déphosphoryle le phosphatidylinositol 3-phosphate (PI3P) et le PI(3,5)P2 en PI et PI5P, respectivement. Cette enzyme est mutée dans la myopathie myotubulaire liée à l’X (XLMTM), une maladie rare congénitale grave caractérisée dès la naissance par une hypotonie, une importante faiblesse musculaire et une détresse respiratoire conduisant à la mort précoce des nourrissons. Dans la majorité des cas, une absence de la protéine est constatée. Durant ma thèse, je me suis intéressée à l’étude des rôles des produits et substrats de MTM1, et leurs impacts dans l’étiologie de la pathologie. Pour cela, j’ai utilisé la lignée de myoblastes murins C2C12, lignée ayant la capacité de se différentier en myotubes contractiles et reproduisant les différentes étapes de la myogenèse. Nous avons créé et caractérisé une lignée knockout pour Mtm1 via la technique CRISPR/Cas9 et montré que ces cellules reproduisent les défauts observés dans la pathologie tels que des noyaux mal positionnés, et des myotubes plus fins et petits. A l’aide de ce modèle, nous avons montré que MTM1 est une enzyme majeure pour la production de PI5P, et de façon surprenante (alors que MTM1 s’exprime au cours de la différentiation) mesuré une diminution en PI5P au cours de la différentiation. Nous mettons en évidence un mécanisme original où la coordination entre une PI-phosphatase et PI-kinase est impliquée dans la formation de structures importantes pour la fusion des myoblastes. L’ensemble de ces résultats correspondent à notre premier article. En parallèle, nous avons initié une étude sur les partenaires de MTM1 via l’approche de BioID et les résultats obtenus nous orientent vers un rôle important de MTM1 dans le trafic des intégrines, corrélant avec les défauts observés de localisation de l’intégrine-β1 dans la pathologie. Ces résultats sont intégrés au sein d’un deuxième article qui met en évidence que les altérations épigénétiques sont un mécanisme physiopathologique de la XLMTM, et que l’inhibition des histones désacétylases est une stratégie thérapeutique prometteuse pour cette maladie. En particulier, nous montrons que le traitement des cellules C2C12 knockout pour Mtm1 par l’acide valproïque permet de restaurer un phénotype normal avec un niveau d’expression et une localisation normale de l’intégrine-β1, corrélé avec une restauration des défauts d’adhésion observés. Le détail des protéines identifiées avec l’approche de BioID sont présentés en résultats complémentaires. D’autre part, au vu des rôles décrits de MTM1 et de ses produits et substrats dans le trafic vésiculaire, des travaux ont été réalisés sur sa perturbation en absence de MTM1 notamment via le suivi des protéines Rab et du PI3P et sont également présentés en résultats complémentaires. Ainsi, ce travail de thèse a permis de mettre en place un modèle cellulaire original pour l’étude de MTM1 et de poser les bases moléculaires du rôle de MTM1 et des PIs qu’il métabolise, mais il permet également d’apporter un volet mécanistique à une étude plus large sur la découverte de nouvelles pistes thérapeutiques.

Phosphoinositides (PIs) are a minor class of phospholipids that play an essential role in diverse cellular functions highlighted by the direct involvement of their metabolizing enzymes in human pathologies such as genetic diseases or cancers. Their metabolism is extremely active through the action of specific PI-kinases and PI-phosphatases. Under various stimuli, the relocalization of these enzymes allows a rapid and more or less transient generation or depletion of certain PIs, allowing the recruitment of proteins involved in various cellular mechanisms such as migration, differentiation, or proliferation. MTM1, a member of the myotubularin family, is a PI 3-phosphatase that in vitro dephosphorylates phosphatidylinositol 3-phosphate (PI3P) and PI(3,5)P2 into PI and PI5P respectively. This enzyme is mutated in X-linked myotubular myopathy (XLMTM), a rare severe congenital disease characterized at birth by hypotonia, severe muscle weakness and respiratory distress leading to early infant death. In the majority of cases of XLMTM, the expression of MTM1 is strongly reduced or absent. My thesis work focused on the roles of MTM1 products and substrates, and their impact in the etiology of the pathology. For this purpose, I used the C2C12 myoblastic cell line which has the ability to differentiate into contractile myotubes and to reproduce the different stages of myogenesis. We have created and characterized a knockout cell line for Mtm1 using the CRISPR/Cas9 strategy and shown that these cells reproduce the defects observed in the pathology such as nuclei misorganization, and thinner and smaller myotubes. Using this model, we showed that MTM1 is a major enzyme for PI5P production, and surprisingly (while MTM1 is expressed during differentiation), measured a decrease in PI5P level during differentiation. Thus, we hypothesized that PI5P could be metabolized to PI(4,5)P2 by PI5P 4-Kinases (PI5P4Ks), the only conversion pathway for PI5P known to date. Using biochemical, cell biology and microscopy approaches, we demonstrated the involvement of PI5P4Kα in the production of a minor pool of PI(4,5)P2 in particular membrane structures called ''podosome-like'' essential for myoblast fusion. These results reveal a coordination between a PI-phosphatase and a PI-kinase in the formation of cell structures important for myoblast fusion. In parallel, we have initiated a study on the identification of MTM1 partners through the BioID approach and the results point to an important role of MTM1 in integrin trafficking, correlating with the observed defects in β1-integrin localization in XLMTM. These results are integrated in a second paper which highlights epigenetic alterations as a pathophysiological mechanism of XLMTM, and that histone deacetylase inhibition is a promising therapeutic strategy for this disease. In particular, we show that treatment of Mtm1 knockout C2C12 cells with valproic acid restores a normal phenotype with a normal expression level and localization of integrin-β1, rescuing the observed adhesion defects. Details of the proteins identified with the BioID approach are presented in supplemental results. Moreover, in view of the described roles of MTM1 and its products and substrates, work has been carried out on the disruption of vesicular trafficking in the absence of MTM1. Thus, this thesis work allowed to set up an original cellular model to study MTM1 functions and underlined novel insights into the role of MTM1 and its products and substrates in membrane dynamic during muscle differentiation.