Contrôle de la masse et du phénotype musculaires en hypoxie : leçons tirées de modèles de croissance du muscle squelettique chez le rongeur

Control of muscle mass and phenotype in hypoxia : lessons drawn from muscle growth models in rodent

• Auteur / Autrice : Thomas Chaillou
• Direction : Xavier Bigard, Michele Beaudry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement
• Date : Soutenance le 08/12/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches du Service de santé des armées (La Tronche, Isère ; 1988-2009)
• Jury : Président / Présidente : Henri Benoit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Bigard, Michele Beaudry, Laurent Schaeffer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Francaux, Damien Freyssenet

Mots clés

Mots clés libres

Altitude

Hypertrophie de surcharge

Régénération musculaire

De signalisation Akt/mTOR

Atrogènes

Cellules satellites

Altitude

Overload-induced hypertrophy

Muscle regeneration

Akt/mTOR signaling pathway

Atrogenes

Satellite cells

Résumé

Le muscle squelettique s'adapte en réponse à diverses influences en modulant sa masse et ses propriétés contractiles et métaboliques. Il est ainsi rapporté que l'hypoxie sévère a un effet délétère sur la masse et les capacités oxydatives du muscle, et pourrait ralentir la maturation du phénotype contractile au cours du développement post-natal. Cependant, les mécanismes de contrôle de cette plasticité musculaire ne sont pas clairement identifiés. Le but de ce travail était de déterminer le rôle de l'hypoxie environnementale sur le contrôle de la masse et l'adaptation du phénotype du muscle en croissance (hypertrophie de surcharge du plantaris après ablation de ses muscles agonistes et régénération du soléaire après lésions étendues induites par la notexine). L'exposition hypoxique limite transitoirement l'hypertrophie induite par la surcharge fonctionnelle, tandis qu'elle accentue la fonte musculaire en réprimant la formation et la croissance des néo-fibres au cours des étapes précoces de la régénération. Ces résultats seraient en partie expliqués par la désactivation partielle de la principale voie de protéosynthèse, la voie mTOR, par un mécanisme indépendant d'Akt. Parmi les inhibiteurs endogènes de mTOR étudiés (REDD1, BNIP-3 et l'AMPK), nous montrons que l'activation prononcée de l'AMPK en hypoxie pourrait réprimer l'activité de mTOR au cours de la régénération, alors que le mécanisme responsable de l'inhibition de mTOR n'a pas pu être identifié dans le modèle de surcharge. Le système protéolytique ubiquitine/protéasome-dépendant, évalué à partir de l'expression des atrogènes MURF1 et MAFbx, pourrait également expliquer en partie l'altération de l'hypertrophie de surcharge en hypoxie. Nos résultats soulignent par ailleurs que l'activité des cellules satellites serait réprimée au cours des premiers jours de régénération musculaire, conduisant à réduire la formation et la croissance des myotubes. Malgré cette perturbation précoce de la croissance musculaire, l'exposition prolongée en hypoxie ne limite pas l'hypertrophie de surcharge et la récupération de la masse du muscle lésé. Ceci démontre que les signaux anaboliques induits dans ces deux situations de croissance musculaire l'emportent très largement sur les signaux cataboliques de l'hypoxie. L'analyse des propriétés métaboliques et contractiles met en évidence que l'hypoxie altère les capacités oxydatives du muscle en croissance, mais les mécanismes impliqués dans cette réponse adaptative restent à identifier. Par ailleurs, l'hypoxie ne constitue pas un stimulus métabolique suffisant pour altérer la transition du phénotype contractile du muscle en surcharge et la récupération complète du phénotype contractile du muscle lésé. Elle contribue uniquement à ralentir très modérément et transitoirement l'adaptation phénotypique du muscle en surcharge, et à modifier le profil contractile du muscle durant la phase de dégénérescence musculaire.

Skeletal muscle adapts to various influences, by modulating both its mass and contractile and metabolic properties. It was reported that severe hypoxia impairs muscle mass and oxidative capacities and could reduce the fast-to-slow fiber transition during post-natal development. However, mechanisms involved in muscle plasticity during hypoxia exposure are not clearly identified. This work aimed to determine the role played by ambient hypoxia on the control of muscle mass and muscle phenotype during muscle growth (functional overload-induced hypertrophy of plantaris after removal of its synergist muscles and regeneration of soleus after extensive injury induced by notexin injection). Hypoxia exposure transiently minimizes the overload-induced hypertrophy, while it enhances the muscle-mass loss by repressing the formation and growth of nascent fibers during the early steps of regeneration. These results could be partly due to an impairment of the mTOR signaling activation, the main pathway involved in protein synthesis, independently of Akt. Among the endogenous repressors of mTOR studied (REDD1, BNIP-3 and AMPK), we show that the marked activation of AMPK in hypoxia could repress mTOR activity during regeneration, whereas the mechanism involved in mTOR inhibition remains unknown in the overload model. The ubiquitin/proteasome-dependant system, assessed from expression of the two atrogenes MURF1 and MAFbx, could also partly explain the hypoxia-induced alteration of muscle hypertrophy. Nevertheless, our findings show that activity of satellite cells could be repressed during the first days of regeneration, leading to reduce formation and growth of myotubes. Although muscle growth is early impaired, prolonged hypoxia exposure does not limit the overload-induced hypertrophy and the muscle mass recovery of injured muscle. This demonstrates that anabolic signals induced in these models of drastic muscle growth widely prevail on hypoxia-induced catabolic signals. The analysis of metabolic and contractile properties shows that hypoxia alters oxidative capacities in growing muscle, but mechanisms involved in this adaptive response remain to be elucidated. Moreover, hypoxia is not a sufficient metabolic stimulus to impair the fast-to-slow fiber transition in overloaded muscle, and the complete recovery of the contractile phenotype in injured muscle. It only contributes to transiently and modestly slow down the fast-to-slow fiber shift in overloaded muscle, and to modify the contractile profile of muscle during the degeneration phase.