Cell and non-cell autonomous regulations of metabolism on muscle stem cell fate and skeletal muscle homeostasis

par Marine Theret

Thèse de doctorat en Biologie cellulaire

Sous la direction de Rémi Mounier.

Soutenue le 20-11-2015

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris) , en partenariat avec Université Paris Descartes (établissement de préparation) et de Centre de génétique et de physiologie moléculaire et cellulaire (laboratoire) .

Le président du jury était Christine Perret.

Le jury était composé de Rémi Mounier, Christine Perret, Bernard Jasmin, Sandrine Horman, Naomi Taylor, Margaret Buckingham.

Les rapporteurs étaient Bernard Jasmin, Sandrine Horman.

  • Titre traduit

    Rôle des régulations intrinsèques et extrinsèques du métabolisme sur le devenir des cellules souches musculaires et sur le maintien de l’homéostasie du muscle squelettique


  • Résumé

    A l’état basal, les cellules souches musculaires sont quiescentes. Après blessure, ces cellules s’activent, s’amplifient et se différencient afin de réparer les myofibres lésées. Cependant, une petite population de ces cellules myogéniques activées ne va pas entrer dans la voie de la myogenèse, mais va retourner en quiescence par un phénomène appelé auto-renouvellement. Cette étape est cruciale afin de maintenir une réserve de cellules souches musculaires tout au long de la vie. Mais, les mécanismes cellulaires et moléculaires régulant ce phénomène sont peu décrits dans la littérature. La régénération musculaire est composée d’une série d’évènements complexes et bien orchestrés selon une cinétique précise. Le challenge de son étude est donc de pouvoir distinguer les évènements les uns des autres, tout en sachant qu’ils sont interconnectés. Bien que les cellules souches musculaires aient un fort potentiel de régénération, elles ont besoin d’interagir avec d’autres cellules au cours de la régénération, notamment avec les macrophages qui ont un rôle prépondérant dans ce processus. Après une blessure, les monocytes circulants sont recrutés sur le site de lésion et se différencient en macrophages inflammatoires. Ensuite, ces macrophages changent leur statut inflammatoire et acquièrent un profil anti-inflammatoire. Plusieurs études in vitro ont suggéré un rôle pour le métabolisme et son régulateur principal, la kinase activée par l’AMP (AMPK), dans la résolution de l’inflammation et dans le devenir des cellules souches adultes. Ainsi, j’ai étudié l’influence extrinsèque (via les macrophages) et intrinsèque du métabolisme sur le devenir des cellules souches musculaires au cours de la régénération. Pour cela, j’ai utilisé divers modèles déficients pour l’AMPK1 dans le macrophage, dans la cellule souche musculaire et dans la myofibre qui m’ont permis d’établir des cultures primaires de macrophages et de cellules musculaires. Dans un premier temps, grâce à ces outils, nous avons pu démontrer le rôle primordial de l’AMPK dans la résolution de l’inflammation au cours de la régénération musculaire et dans l’acquisition des fonctions anti-inflammatoires des macrophages. Dans ce contexte, l’activation de l’AMPK est dépendante de la kinase CAMKK et régule la phagocytose, principal phénomène cellulaire permettant le changement de statut inflammatoire des macrophages. Ce travail a été publié en 2013 dans le journal Cell Metabolism. Ensuite, j’ai mis en évidence un lien entre le métabolisme et le devenir des cellules souches musculaires. La suppression de l’AMPK dans les cellules souches musculaires augmente leur auto-renouvellement. Cette modification du devenir des cellules souches est due à un changement de métabolisme similaire à l’effet Warburg observé dans les cellules souches cancéreuses, qui s’effectue via la modulation de l’activité de l’enzyme Lactate Déshydrogénase, enzyme clé de la glycolyse. En conclusion, j’ai pu mettre en évidence deux nouveaux rôles de l’AMPK dans le devenir des cellules souches musculaires, établissant un lien de causalité entre métabolisme, inflammation et devenir des cellules souches.


  • Résumé

    During skeletal muscle regeneration, muscle stem cells activate and recapitulate the myogenic program to repair the damaged myofibers. A subset of these cells does not enter into the myogenesis program but self-renews to return into quiescence for further needs. Control of muscle stem cell fate choice is crucial to maintain homeostasis but molecular and cellular mechanisms controlling this step are poorly understood. A difficulty of understanding muscle stem cell self-renewal is that skeletal muscle regeneration is a coordinated and non-synchronized process. Various and dissociated molecular and cellular mechanisms regulate muscle stem cell fate. Indeed, skeletal muscle regeneration requires the interaction between myogenic cells and other cell types, among which the macrophages. Macrophages infiltrate the muscle and adopt distinct and sequential phenotypes. They act on the sequential phases of muscle regeneration and resolving the inflammation by skewing their inflammatory profile to an anti-inflammatory state. Some in vitro studies suggested a role for the metabolism and the AMP-activated protein Kinase (AMPK), the master metabolic regulator of cells, in both inflammation and stem cell fate. Thus, I investigated the role of metabolism on muscle stem cell fate within the muscle stem cells (cell autonomous regulations) and through the action of macrophages (non-cell autonomous regulations) during skeletal muscle regeneration. To analyze muscle stem cell fate, I used in vitro (macrophages and muscle stem cell primary cultures), ex vivo (isolated myofibers) and in vivo (using specific mice model deleted specifically for AMPK1 in the myeloid lineage, in muscle stem cells or in myofibers) experiments. First, I highlighted that macrophagic AMPK1is required for the resolution of inflammation during skeletal muscle regeneration and for the trophic functions of macrophages on muscle stem cell fate. Moreover, CAMKK-AMPK1 activation regulates phagocytosis, which is the main cellular mechanism inducing macrophage skewing. This work was published in 2013 in Cell Metabolism. Second, I demonstrated that depletion of myogenic AMPK1 tailors muscle stem cell metabolism in a LKB1 independent manner, orients their fate to the self-renewal by promoting metabolic switch from an oxidative to a glycolytic metabolism pathway, through the over activation of a new molecular target, which is a key enzyme for glycolysis: the Lactate Dehydrogenase. To conclude, during my thesis, I established two new crucial roles of AMPK1 in muscle stem cell fate choice, linking for the first time metabolism, inflammation and fate choice.

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