Développement de nouvelles stratégies pour limiter la perte de protéines musculaires médiée par MuRF1/ TRIM63

Developing new strategies to limit MuRF1/ TRIM63-mediated muscle protein loss

• Auteur / Autrice : Dulce Peris-Moreno
• Direction : Daniel Taillandier, Cécile Polge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et Biochimie
• Date : Soutenance le 20/12/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de nutrition humaine (Clermont-Ferrand)
• Jury : Président / Présidente : Manuel Rodriguez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Odile Fauvarque
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rubén Artero, Anne Bonnieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protéines musculaires

Sarcopénie

Muscles striés

Mots clés libres

MuRF1/TRIM63

Atrophie du muscle squelettique

UPS

Protéines sarcomériques

Dexaméthasone

UBE2L3 / UbcH7

UBE2J1 / NCUBE1

UBE2J2 / NCUBE2

Composés à petites molécules

MuRF1/TRIM63

Skeletal muscle atrophy

UPS

Sarcomeric proteins

Dexamethasone

UBE2L3/UbcH7

UBE2J1 / NCUBE1

UBE2J2 / NCUBE2

Small-molecule compounds

Résumé

Plusieurs conditions cataboliques (désuétude, cachexie, ou vieillissement) sont caractérisées par une perte de masse et de force musculaire principalement due à une augmentation de la protéolyse des muscles squelettiques. Lorsqu'elle se prolonge dans le temps, cette faiblesse musculaire contribue à la détérioration de la santé des patients, compromet les traitements et est associée à une mortalité accrue. Dans ce contexte, la protéolyse est principalement orchestrée par le système Ubiquitin Proteasome (UPS). Parmi les différents acteurs de l'UPS, MuRF1/TRIM63 est une ubiquitine-ligase E3 de type RING considérée comme un composant clé de ce processus et donc un candidat de choix pour des traitements pharmacologiques. Cependant, MuRF1/TRIM63 est dépourvue d'activité catalytique et dépend de la présence d'enzymes UBE2 (E2) pour cibler les protéines en vue de leur dégradation dépendante du protéasome. A ce jour, aucun traitement efficace pour prévenir ou limiter la fonte musculaire n'a été découvert. Ce projet de thèse visait donc à combler en partie cette lacune en comprenant les mécanismes de l'atrophie musculaire impliquant MuRF1/TRIM63, afin de développer des stratégies pour prévenir ou limiter la perte de protéines musculaires. En combinant des approches in vitro et in cellulo, nous avons caractérisé les interactions entre MuRF1/TRIM63 et certains de ses substrats majeurs (alpha-actine, chaîne lourde de la myosine [MyHC], etc.) Nous avons montré que l'identité du substrat affecte différentiellement l'interaction entre MuRF1 et plusieurs enzymes E2, UBE2L3, UBE2J1 et UBE2J2. Parmi les différentes enzymes E2, UBE2L3 est apparue comme la plus efficace dans les myotubes C2C12 cataboliques, un effet principal étant observé sur la dégradation des protéines contractiles (alpha-actine et MyHC). En conséquence, le knockdown d'UBE2L3 dans les muscles du Tibialis anterior a induit une hypertrophie chez les souris traitées à la dexaméthasone tandis que la surexpression d'UBE2L3 a aggravé l'atrophie musculaire. En ce qui concerne les UBE2J1 et UBE2J2, à l'heure actuelle, nous ne pouvons pas complètement exclure un rôle sur l'atrophie musculaire. Enfin, en réalisant un criblage à haut débit de composés à petites molécules, nous avons trouvé huit inhibiteurs protéine-protéine potentiels pour perturber les couples MuRF1-UBE2J1 ou MuRF1- UBE2J2. Nos résultats démontrent que les mécanismes impliqués dans la dégradation des protéines contractiles sont plus compliqués que prévu, avec une interaction entre MuRF1, une enzyme E2 et le substrat lui-même. Décrypter les mécanismes biochimiques exacts de la dégradation des protéines sarcomériques est donc obligatoire pour développer de futures stratégies thérapeutiques.

Several catabolic conditions (disuse, cachexia, or aging) are characterized by a loss of muscle mass and strength mainly due to an increase in skeletal muscle proteolysis. When sustained in time, this muscle weakness contributes to the deterioration of patient’s health, compromises treatments and is associated with increased mortality. In this context, proteolysis is mainly orchestrated by the Ubiquitin Proteasome System (UPS). Among the different actors of the UPS, MuRF1 / TRIM63 is a RING-type E3 ubiquitin-ligase considered is a key component in this process and thus a prime candidate for pharmacological treatments. However, MuRF1 / TRIM63 lacks any catalytic activity and depends on the presence of UBE2 (E2) enzymes for targeting proteins for proteasome- dependent degradation. To date, no efficient treatments to prevent or limit muscle wasting have been discovered. Therefore, this thesis project aimed to partly fill this gap by understanding the mechanisms of muscle atrophy implicating MuRF1/TRIM63, for developing strategies to prevent or limit muscle protein loss. By combining in vitro and in cellulo approaches, we characterized the interactions between MuRF1/TRIM63 and some of its major substrates (alpha-actin, myosin heavy chain [MyHC], etc.). We showed that the identity of the substrate differentially affects the interaction between MuRF1 and several E2 enzymes, UBE2L3, UBE2J1 and UBE2J2. Among the different E2 enzymes, UBE2L3 appeared to be the most efficient in catabolic C2C12 myotubes, a main effect being observed on the degradation of contractile proteins (alpha-actin and MyHC). Accordingly, UBE2L3 knockdown in Tibialis anterior muscles induced hypertrophy in dexamethasone-treated mice while overexpression of UBE2L3 aggravated muscle atrophy. Regarding UBE2J1 and UBE2J2, at this time, we cannot completely rule out a role on muscle atrophy. Lastly, performing High-Throughput Screening of small-molecule compounds we found eight potential protein-protein inhibitors for disrupting either MuRF1-UBE2J1 or MuRF1- UBE2J2 couples. Our results demonstrate that the mechanisms involved in contractile protein degradation are more complicate than previously anticipated with an interplay between MuRF1, an E2 enzyme and the substrate itself. Deciphering the exact biochemical mechanisms of sarcomeric protein degradation is thus mandatory for developing future therapeutic strategies.