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
