2 - Activité d`enseignement et de recherche. Supports de cours à

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MECANIQUE ET BIOMECANIQUE
Caractéristiques contractiles et fatigue
4H
Anne Bonnieu, UMR866-DCC INRA, « Remodelage musculaire »
HYPERTROPHIE
CARACTERISTIQUES CONTRACTILES
MECANISMES DE SIGNALISATION
1ère partie du cours
BASES PHYSIOLOGIQUES DE L’HYPERTROPHIE
MUSCULAIRE
A- Généralités
B- Rappels: Structure/fonctions du muscle
C- Plasticité musculaire
- adaptations qualitatives du muscle à l’exercice: types de fibres
- adaptations quantitatives du muscle à l’exercice: masse
musculaire et cellule satellite
- débat: hypertrophie et/ou hyperplasie?
2nd partie du cours
VOIES SIGNALETIQUES ET HYPERTROPHIE MUSCULAIRE
A- Généralités: croissance du muscle
B- Muscle et pathologies
fonte musculaire vs hypertrophie/essais thérapeutiques
C- Rappels: voies signalétiques et adaptation à l’exercice
D- Voies signalétiques et hypertrophie musculaire
voie IGF/Akt
voie myostatine
Pourquoi étudier la croissance du
muscle (squelettique)?
• La perte et la faiblesse musculaire sont des troubles trés
communs; et incluent des dystrophies musculaires, la
cachexie et les maladies liées à l’âge
• Pas de traitements générallement acceptés, et donc cela
représente un fardeau pour les patients et en santé
publique
• €€€€- développer des stratégies pour augmenter la masse
musculaire représente un enjeu pour l’industrie
pharmaceutique ainsi que pour les producteurs de bétail
Vos muscles et vous
• Un muscle est composé d’un
ensemble de fibres musculaires
• Les fibres musculaires sont des
cellules multinucléées
postmitotiques qui contiennent
des éléments contractiles: les
myofibrilles
• Les fibres musculaires sont
générées au cours du
développement embryonnaire via
la différenciation des myoblastes
• Hypertrophie = traditionnellement
croissance du muscle via
augmentation du diamètre des
fibres. Résulte d’une expression
protéique augmentée
http://www.getbodysmart.com/ap/muscletissue
http://muscle.ucsd.edu/musintro/Myofiber.shtml
Cellules Satellites et hyperplasie
• Cellules souches du muscle adulte
• Entre la lame basale et le sarcolemme de la fibre musculaire
Prédominant, si ce n’est le seul type cellulaire qui contribue à la
régénération musculaire (muscle adulte)
Morgan, JE et al, The International Journal of Biochemistry & Cell Biology 35 (2003) 1151–1156
Muscle et pathologies
•Le muscle est le siège de l’atteinte primaire
•Le muscle est altéré dans une atteinte secondaire
•Le muscle est impliqué dans la physiopathologie de la maladie
•Le muscle est une « victime » thérapeutique
5 millions de patients ont une atteinte musculaire!
Mécanismes physiopathologiques à élucider
Insuffisance des thérapeutiques
Perte de masse musculaire avec l’âge
45
%
m
u
s
c
l
e
40
men
35
women
m
a
s
s
30
25
20
40
60
80
age
Janssen, J Appl Physiol 2000
Facteurs impliqués dans la fonte musculaire
Activité physique
Prise alimentaire
Taux hormonal :
Insuline, GH, IGF-I …
Sarcopénie: description clinique
• Perte de poids
• Fatigue
• Inactivité
•
prise alimentaire
• Difficultés dans la marche et l’équilibre
Conséquences de la chute
De la Masse musculaire et de la force
• Difficultés dans les activités de chaque jour
• perte d’autonomie
•
Morbidité
•
Mortalité
Cachexie:
= mauvaise constitution physique
Forme d’atrophie musculaire associée avec
un état d’affaiblissement et d’amaigrissement
extrême, lors d’une dénutrition ou de la phase
terminale de certaines maladies
Maladies musculaires dégénératives
Muscle normal
Muscle dégénéré
Muscle sain
Atrophie musculaire
Nécrose musculaire
- Primaire: les myopathies
- Secondaire: cancer, sida
Les dystrophies musculaires
Famille de maladies génétiques
musculaire
dégénerescence
DMD / BMD Emery-Dreifuss
Limb-Girlde
D ’après EMJ 1998, 317, 991-995
FSH
Distal
Les dystrophies musculaires
Trés hétérogènes moléculairement et cliniquement
DMD
.
Cause
absence de dystrophine
.
Cause
Délétion ADN sur chr.4. Gènes ?
Prévalence
1/3500 garçon
Prévalence
1/20.000
Symptômes
Petite enfance (2 ans)
Fonte musculaire rapide
Mort: 20-30ans
Symptômes
Adulte (20 ans)
Fonte musculaire progressive
Handicap lourd
FSHD
La myopathie de Duchenne (modèle animal: la souris MDX)
Muscle sain
Muscle DMD
Coloration HE
Dystrophine
Conséquence d’une déficience en Dystrophine (1): le calcium
Muscle Dystrophique
Instabilité membranaire
Défaut de structure
Perte de l’homéostasie calcique
Activation des protéases
Dégradation protéique
nécrose
Conséquence d’une déficience en Dystrophine (2): les cellules satellites
Tissu dystrophique
Nécrose
Régénération
Satellites
Non activée
activée
Fibrose - Adipose
Destruction des fibres
Thérapies et maladies musculaires dégénératives
Muscle normal
Thérapie pharmacologique
Ex: - Induction hypertrophie =
Stratégie pour pallier à perte
Musculaire
- traitement antioxydant
Muscle dégénéré
Thérapie génique
Introduction du gène dystrophine
Réparation du gène dystrophine
Thérapie cellulaire
A noter:
Manipuler les voies signalétiques impliquées dans le remodelage
musculaire (ex: hypertrophie, atrophie) = moyen pour
- traîter des maladies musculaires
- contrecarrer atrophie musculaire (maladie, vieillisement…)
Dans le domaine du dopage, une dérive: utiliser des médicaments que la
communauté médicale développe à des fins thérapeutiques
- augmenter performance physique des athlètes (utilisation de nouvelles
substances dopantes) …
En médecine sportive, un enjeu est la lutte contre le dopage car = menace
pour l’intégrité du sport, mais aussi pour la santé publique
- Ex: manipulation de la voie signalétique de la myostatine
Voies signalétiques et remodelage
musculaire
Déterminants cellulaires et moléculaires de
l’atrophie et hypertrophie du muscle
squelettique
Biologie cellulaire et moléculaire de la plasticité
musculaire
Comment les muscles s’adaptent à l’exercice?
• Notions:
- transduction du signal induit par l’exercice
- régulation génique dans le muscle squelettique
Transduction du signal intra-cellulaire
• Cascades d’évènements qui ont pour cible à la fois le métabolisme
(effet rapide) et l’expression de gènes (effet + lent)
l’ensemble modifiant le phénotype
Ca++ = second messager dans muscle squelettique
Ca++
calcineurine
Ca++-dépendante
protéine kinase C
Ca++-calmoduline(pKC)
dépendantes protéine kinases
(CaMK)
Détermination du phénotype musculaire
Voie de la calcineurine (endurance)
- activée par exercice prolongé chez l’homme
- protéine Ser-thr phosphatase activable via Ca++/ calmoduline
- voie bloquée par la cyclosporine A
- déphosphoryle NFAT, translocation vers noyau où agit avec
MEF2 + p300
- contribue à la transition Rapide vers Lent
Activation du programme musculaire lent (effet direct sur gènes
via facteurs de transcription)
Sous-groupe de gènes impliqués dans phénotype lent
• traduit oscillations de [Ca++] induites par exercice en une réponse
transcriptionnelle
Signaux
Ca 2+
Calcineurin
P
Kinases
P
P
P
Classe II HDAC
NFAT
NFAT
PGC-1
Classe II HDAC
MEF2
Gènes de remodelage musculaire
Rôle des CaMKs et de la PKC
PKC
Rôle pivot de PGC-1α:
Signaux
expression coordonnée des
génomes nucléaire et
mitochondrial
Ca 2+
CaMK
Calcineurin
NFAT
MEF2
PGC1-α
noyau
mitochondrie
Facteurs de transcription
Génome
nucléaire
Génome
mitochondrial
MEF2
Expression
protéique
Conclusions : adaptation à l’exercice…
• Due à plusieurs voies de signalisation
• Intégration de l’information dans la cellule
• Contrôle de gènes groupés en cluster
• Implique une réponse nucléaire et mitochondriale des cellules
satellites
Hypertrophie Musculaire
Modèles
Signalisation...
Modèles
• Hypertrophie provoquée par l’exercice
Ex: hypertrophie par surcharge
• Hypertrophie provoquée par agent pharmacologique
Ex:le clenbutérol (β2-agoniste)
• Modèles génétiques de l’hypertrophie
Ex: Souris Tg IGF-1, souris KO myostatine
• Hypertrophie provoquée par l’ablation des muscles agonistes
Ex: hypertrophie du plantaris provoqué par l’ablation du soléaire
et gastrocnémien (jumeau)
• Atrophie provoquée par l’immobilisation
Ex:modèle d’hypokinésie par: - repos au lit,- membre platré,suspension de l’animal…
IGF-1 and IGFR
• Insulin like Growth Factor (facteur de croissance
mimétique de l’insuline) – à l’origine produit par le foie,
mais est aussi exprimé dans le muscle squelettique
(isoforme spécifique du muscle)
• L’expression d’IGF-1 est augmentée via une
augmentation de charge du muscle (i.e. exercice
chronique) dans des modèles animaux et chez l’homme
• IGFR: récepteur tyrosine kinase qui se dimérise et
s’autophosphoryle en réponse à la fixation d’IGF-1
La voie
IGFR
La surexpression d’IGF-1 induit une hypertrophie et une
régénération soutenues dans le muscle squelettique
sénescent
Musaro et al, Nat Genet. 2001
Feb;27(2):195-200.
Thérapie génique par l’IGF-1
Souris injectée par un virus
portant le gène de l’IGF-1
Myostatine
• Aussi connu comme facteur de croissance et de
différenciation 8 (GDF-8: growth &
differentiation factor 8 )
• Membre de la famille des TGF-β (transforming
growth factor β )
• Régulateur négatif de la masse musculaire: exp de
KO mstn chez la souris
• Produit sous forme de propeptide qui est maturé
pour produire la forme mature de la myostatine
Les membres de
la famille TGFβ
TGF-β family members
Lee S-J, Annu Rev Cell Dev Biol. 2004;20:61-86.
Precursor
La voie
Myostatine
Pro-peptide
Mature
Pro-peptide
Mature
SS
Proteolytic
processing
Latent complex
Active myostatin
Mature
Pro-peptide
Mature
SS
SS
Proteolytic cleavage
of the pro-peptide
Mature
Pro-peptide
Mature
Pro-peptide
Receptor
binding
Receptor
activation
II
II
I
Plasma membrane
I
II
I
Smad2
ActR-IIB receptors
Type I and II
Smad3
Smad7
P
Co-activators
Co-repressors
Transcription factors
Nucleus
Gene expression
Smad2
Smad3
Smad4
Smad 4
Activated
SMAD
complex
P
La souris Mstn -/- présente une hypertrophie
Lee S-J, Annu Rev Cell Dev Biol.
2004;20:61-86.
Le phénotype “Double Muscled” chez le bovin
résulte d’une mutation de la myostatine
Mutation chez le bœuf culard
Lee S-J, Annu Rev Cell Dev Biol. 2004;20:61-86.
Un enfant supermusclé
• New England Journal of
Medicine: étude d’un cas
(June,2004)
• Enfant avec musculature
anormalement développée au
niveau des cuisses, des
mollets et des bras
• La mère était une ancienne
athlète professionnelle,
aucune information sur le père
• Le grand-père travaillait dans
la construction, avait la
réputation de soulever de
grosses charges
Le patient est homozygote pour une mutation dans un site
d’épissage
• Les deux allèles ont une mutation dans intron1 dans un site
donneur d’épissage ce qui entraîne un épissage 108bp plus aval
(au niveau d’un site cryptique)
• L’ARNm résultant inclut une région de 108bp entre exon 1 et 2
qui contient un codon stop
La myostatine régule la croissance et la taille du muscle adulte
2003: Grobet et al, Inactivation post-natale de la myostatine,
Induit une hypertrophie du muscle adulte
Ex: dn mstn sous contrôle d’un promoteur d’un gène musculaire
Propriété intéressante car possibilité en manipulant la voie myostatine de
moduler la masse musculaire chez l ’adulte
Mais comment agit la myostatine sur la masse musculaire adulte?
La Myostatine régule négativement l’activation des
cellules satellites (et leur renouvellement)
McCroskery et al J. Cell Biol. 2003 162 (6) : 1135-1147.
Le rôle de la
myostatine dans
le
développement et
la régénération de
la fibre
musculaire
MyoD
La surexpression de myostatine induit
une atrophie musculaire
Zimmers, TA et al, 24 MAY 2002 VOL 296 SCIENCE
Conséquences d’une inhibition de myostatine ?
Sur d’autres tissus: adipeux, cardiaque, osseux
Sur la force musculaire et la performance
Changements dans la répartition du muscle et du tissu adipeux
•
Ultrasonographie révèle que l’aire
de section transversale du
quadriceps chez le patient est 7,2 au
dessus de la valeur moyenne de
section chez un individu contrôle de
même sexe et âge
•
L’épaisseur du tissu adipeux souscutané est 2,88 en dessous de la
moyenne des contrôles
•
Pas de différence dans le diamètre
du fémur, pas de fibrose musculaire
•
Electrocardiogramme et doppler
échocardiographie sont normaux
Effet de la myostatine sur le tissu adipeux:
direct ou indirect?
La myostatine inhibe la différenciation adipocytaire
Rôle dans l’adipogenèse
Mais il existe des intéractions métaboliques entre le tissu adipeux et
le muscle,
il est donc possible que l’effet d’une absence de myostatine sur
le tissu adipeux refléte un effet indirect via le muscle squelettique???
Myostatine manipulations:
Applications cliniques
Stratégies potentielles dans le dopage
Efficacité démontrée d’une
immunothérapie anti-myostatine
chez l’animal
Souris adulte
Bogdanovitch et al,2002; Whittemore et al, 2003
2008- A phase I/IItrial of MYO-029 in adult subjects with
muscular dystrophyKathryn R. Wagner, MD, PhD 1 , James L. Fleckenstein, MD , Anthony A. Amato, MD , Richard J. Barohn, MD ,
Katharine Bushby, MD , Diana M. Escolar, MD , Kevin M. Flanigan, MD , Alan Pestronk, MD , Rabi Tawil, MD , Gil
I. Wolfe, MD , Michelle Eagle, PhD, MSc, MCSP, SRP , Julaine M. Florence, PT, DPT , Wendy M. King, PT , Shree
Pandya, MS, PT , Volker Straub, MD , Paul Juneau, MS , Kathleen Meyers, RN, BSN , Cristina Csimma, PharmD,
MHP , Tracey Araujo, MSPharm , Robert Allen, MD , Stephanie A. Parsons, PhD , John M. Wozney, PhD , Edward
R. LaVallie, PhD , Jerry R. Mendell, MD
*
2
5
6
3
7
10
8
5
9
5
14
13
9
8
12
14
14
4
11
13
13
14
11
10 participating centers in the United States and the United Kingdom. Approximately 136
subjects with BMD, FSHD, or LGMD in each cohort with MYO-029 dose escalation: Cohort 1 received
1mg/kg; Cohort 2 received 3mg/kg; and Cohort 3 received 10mg/kg.
Biological Activity....No improvement in total, upper body, or lower body strength was
seen for any dystrophy subgroup at any dose.... Percentage change in muscle volume of
the arms and legs.....were not significantly different from control subjects in any
treatment group.
Wyeth Won't Develop MYO-029 for MD Wyeth Pharmaceuticals of
Madison, N.J., has announced it will not continue development of its
experimental compound MYO-029 for muscular dystrophy.
“We're disappointed that MYO-029 will not be moving forward," said Sharon Hesterlee, MDA vice
president of translational research.
"But I doubt this is the end of the line for myostatin inhibition.
MDA is looking at other ways to block myostatin and, of course, other strategies to improve muscle
health.”
Bilan et discussion
Chez la souris, les effets d’une inhibition de
myostatine sont hautement variables et dépendent:
• du type de pathologie musculaire
• du groupe de muscles examinés
• de l’âge de l’animal
Malgré tout, bonne méthode pour augmenter la
taille du muscle
Un muscle plus gros est-il meilleur?
Quid de la force musculaire et de la performance?
Test d’agrippement (appareil Rotarod)
Mesure globale et gossière
Temps d’endurance
Contractilité, force du muscle
Mesure individuelle
Force de contraction
Force tétanique maximale
Chez la souris mstn -/l’absence de myostatine
compromet la
production de force
L’absence de myostatine est
associée avec une diminution
des capacités oxydatives du
muscle de souris mstn -/-
Amthor et al, PNAS 2007
La myostatine régule la morphologie et les propriétés
mécaniques des tendons
Bilan et discussion
L’amélioration de la force du muscle en réponse à
une inhibition de myostatine est controversée.
La disparité des résultats s’explique par:
• La méthode utilisée pour évaluer la force
• L’approche expérimentale ayant conduit à
l’inhibition de myostatine
• Autres études nécessaires…
Mosher D.S. et al, 2007 PLOS Genet
Futures questions & implications
pour l’homme
• Myostatine, un déterminant génétique de la force
et de la vitesse, deux attributs de la performance
athlétique?
– Corrélation entre ajout de muscle et fonction améliorée
• Est-ce qu’un gros muscle c’est mieux?
– Peu de mutations répertoriées chez l’homme…
– Question de l’impact de myostatine dans muscle
cardiaque, tissu osseux…
• Est-ce que des variations de myostatine corrèlent
avec la performance athlétique chez l’homme?
– Un cas d’hypermusculature chez un enfant
– Autres gènes impliqués? (cf bovins culards sans
mutations de myostatine)
Follistatine
• Protéine sécrétée qui inhibe plusieurs membres de
la famille TGF-β, incluant GDF-11/BMP-11
• Circule avec le propeptide myostatine dans un
complexe qui inclut deux autres protéines: FLRG
(follistatin related gene) and GASP-1 (GDF
associated serum protein)
• Contrecarre l’effet inhibiteur de myostatine sur la
différenciation musculaire
• La surexpression de follistatine dans les muscles
induit un phénotype hypermusclé similaire à celui
des souris Mstn -/• Possibilité de manipulation pharmacologique:
inhibiteurs des HDAC
L’activation de follistatine via les
inhibiteurs des HDAC induit une
hypertrophie et hyperplasie musculaire
Iezzi S. et al, 2004 Developmental Cell 6:673-684
La surexpression de
follistatine augmente la
masse musculaire chez
des souris myostatine -/-
Lee SJ (2007) PLOS ONE
Perspectives
Recherche de nouveaux facteurs contrôlant la masse
musculaire
Recherche de nouveaux facteurs ou voies signalétiques
Intéragissant avec la myostatine = nouvelles stratégies
pour moduler la masse musculaire
Conclusion & discussion
• Bon pour de gros muscles:
– IGF-1, IGFR, phosphorylation d’Akt et ses cibles
– Follistatine
– Inhibition de myostatine
• Mauvais pour de gros muscles:
– Les facteurs de transcription FOXO, MuRF1 et MAFbx
– Myostatine
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