Rôle des ligands TGF-beta dans la fonte musculaire : vers des approches thérapeutiques innovantes – TGFMyo

Approche expérimentale : Nous générerons des modèles murins génétiquement modifiés spécifiques au muscle, permettant l'activation inductible d'une forme mutante constitutivement active du récepteur TGFß de type I (ALK5) soit dans les myofibres adultes, soit dans les cellules souches musculaires adultes. Les analyses multi-omiques fourniront des signatures moléculaires associées à la fonte musculaire médiée par le TGFß. Des explorations plus poussées aideront à comprendre l'impact fonctionnel de ces dérégulations, et permettront d'identifier de nouveaux biomarqueurs de l'atrophie musculaire et de nouvelles cibles intéressantes pour prévenir l'atrophie musculaire. Notre approche translationnelle complémentaire profitera de la possibilité offerte par Oncodesign (société biopharmaceutique, France) de tester leurs nouveaux inhibiteurs des récepteurs TGFß (Nanocyclix®) dans notre paradigme. Nous avons déjà généré suffisamment de résultats préliminaires pour assurer la pertinence de nos modèles et la faisabilité du projet.

Caractérisation générale du phénotype des souris skmRCA : nous avons observé une atrophie musculaire progressive sans preuve de myopathie manifeste et de fibrose. Un changement dans la composition du type de fibres musculaires vers des fibres plus oxydatives a été observé.
Les souris skmRCA presentent une faiblesse musculaire impliquant un couplage excitation/contraction altéré.
Profil d'expression génique au stade pré-cachectique précoce (4 jours après TAM) et dans le muscle atrophié (4 semaines après TAM) : les premières signatures régulées à la baisse sont relatives à la contraction, à la glycolyse, au calcium, au métabolisme des acides gras, tandis que les signatures les plus régulées à la hausse sont relatives à la myogenèse, à la signalisation TNF-a, au système immunitaire, à la signalisation PI3K/AKT/mTOR, à la signalisation de l'apoptose et à l'autophagie. Au stade atrophié, parmi les voies/signatures biologiques les plus régulées à la baisse, nous avons identifié la contraction musculaire, la gestion du calcium, le processus métabolique de la réserve d'énergie, le processus catabolique des acides aminés cellulaires et le processus catabolique des glucides, tandis que les processus/signatures biologiques les plus régulés à la hausse étaient relatifs à l'activation de la réponse immunitaire, l'organisation de la matrice extracellulaire et le maintien des jonctions neuromusculaires. Ces signatures moléculaires et les gènes cibles les plus dérégulés forment une base solide pour nos investigations futures.
Fait intéressant, les myofibres ont montré des zones de fibres centrales appauvries en activité mitochondriale suggérant des altérations du métabolisme mitochondrial comme notamment observé dans le vieillissement musculaire. La microscopie électronique confirme la présence d'anomalies mitochondriales. Le contenu mitochondrial quantifié par PCR quantitative de l'ADN mitochondrial, montre une diminution de 25 % à 4 semaines après le traitement TAM, indiquant une altération de la biogenèse/maintenance mitochondriale. Nous avons mesuré la teneur en ATP altérée et observé une régulation positive progressive de la phosphorylation de l'AMPK indiquant un stress énergétique dans les muscles RCA. La diminution du rapport GSH (glutathion réduit) sur GSSG (glutathion oxydé), un marqueur du stress oxydatif, soutient l'augmentation du stress oxydatif dans le muscle RCA, mais une augmentation de l'oxydation des protéines n'a été observée ni à 4 semaines ni à 12 semaines après le traitement TAM.
Nous avons investigué tous les aspects prévus dans le WP1, nous terminons actuellement les analyses. Les données obtenues dans le WP1, notamment transcriptomique, métabolomique et lipidomique, fournissent des résultats préliminaires et essentiels pour les investigations des WP2, WP3, WP4.

L'analyse des muscles RCA nous a permis de déterminer de nouvelles signatures moléculaires de l'atrophie musculaire médiée par le TGFß. Parmi eux, nous avons identifié une forte dérégulation du métabolisme des polyamines (PA). La régulation à la baisse du métabolisme des AP est une voie émergente impliquée dans la régulation de la masse musculaire qui est notamment altérée dans les myopathies et au cours du vieillissement musculaire. Les traitements par AP pourraient donc représenter des options thérapeutiques intéressantes. Ainsi, nous émettons l'hypothèse que la signalisation TGFß est un régulateur direct/indirect de l'expression des gènes de synthèse des polyamines dans le muscle squelettique et que la dérégulation de la teneur en polyamines pourrait contribuer à l'atrophie/dysfonctionnement musculaire dans le modèle de souris RCA.
Nous proposons maintenant de cibler spécifiquement les candidats/voies de signalisation/voies métaboliques les plus intéressants identifiés par des approches transcriptomiques/métabolomiques comme modulateurs potentiels de l'atrophie pour comprendre leur contribution à la masse musculaire, au métabolisme musculaire et à la régulation de la fonction musculaire (comme proposé dans le WP4). Nous utiliserons des approches in vitro et in vivo pour moduler les niveaux de ces cibles et analyser les conséquences sur la croissance, le métabolisme et les propriétés contractiles des cellules musculaires. Nous nous concentrons d'abord sur la forte régulation à la baisse identifiée du métabolisme des polyamines (PA) dans les muscles RCA (forte diminution des niveaux de protéines des enzymes clés et diminution de 40 % de la teneur en spermidine). La régulation à la baisse du métabolisme des AP est une voie métabolique émergente impliquée dans la régulation de la masse musculaire, qui est notamment altérée dans les myopathies et au cours du vieillissement musculaire. Des investigations sont en cours pour (i) disséquer les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation négative de la biosynthèse des polyamines par le TGFb, (ii) étudier les conséquences musculaires d'une teneur réduite en polyamines (iii) étudier si le ciblage du métabolisme de l'AP est une option thérapeutique intéressante pour préserver la masse musculaire dans Muscles RCA.
Les souris RCA ont également fourni des données intéressantes concernant l'impact de l'atrophie «intrinsèque» des myofibres sur le microenvironnement musculaire (WP2) et l'homéostasie du corps entier (WP3). Nous avons observé que la réduction de la masse musculaire chez les souris RCA est associée à une augmentation progressive de la masse grasse, à une altération du métabolisme du glucose musculaire et à une altération de la teneur en lipides musculaires. Nous évaluerons ensuite les conséquences de l'activation chronique de la signalisation TGFb dans le muscle squelettique sur les capacités de régénération musculaire et l'homéostasie du corps entier comme détaillé dans WP2 et WP3.

12th international SCWD conference on muscle cachexia sarcopenia and muscle wasting (06/12/2019) (poster JSFM Marseille)

Contexte :
De nombreuses pathologies chroniques (maladies rénale et pulmonaire, l’insuffisance cardiaque, le cancer, les maladies neuromusculaires) ainsi que le vieillissement, s’accompagnent d’une perte intense de la masse musculaire. Cependant, malgré son importance clinique majeure, aucun traitement n’est encore approuvé pour limiter cette atrophie, affectant la qualité de vie des patients et leur survie. La fonte musculaire s’associe à une fonte du tissu adipeux et une dysfonction de multiples organes. Les ligands de la famille du TGFß (TGFß, myostatin, GDF11 and activins) sont des cytokines majeures impliquées dans le processus d’atrophie musculaire associé aux maladies chroniques et représentent aujourd’hui des cibles thérapeutiques prometteuses.
Challenge :
Jusqu’à présent, les rôles de la signalisation TGFß dans le muscle ont été principalement étudiés par des approches in vivo de gain ou de perte de fonction des ligands ou des récepteurs. Les conclusions de ces études sont cependant limitées par les effets systémiques des ligands TGFß et par l’importante redondance au sein des ligands et des récepteurs.
Hypothèse:
Notre hypothèse est que l’activation chronique de la signalisation TGFß dans le muscle entraîne non seulement un déséquilibre de la balance anabolisme/catabolisme conduisant à l’atrophie des fibres musculaires, mais altère aussi d’autres aspects de la biologie du muscle comme le métabolisme, l’homéostasie calcique, l’innervation, les capacités régénératives et la fonction endocrine. Ainsi, cibler des effecteurs intracellulaires de la signalisation TGFß ou des conséquences cellulaires de cette signalisation, représentent des pistes thérapeutiques pertinentes pour limiter l’atrophie.
Objectifs:
L’objectif principal de ce projet est d’établir une description moléculaire non biaisée, de l’impact de l’activation chronique de la signalisation TGFß, dans le muscle squelettique, afin d’identifier et de comprendre précisément les effets sur la masse et la fonction musculaire (WP1), la capacité régénérative du muscle (WP2) et les répercussions de ces dysfonctions sur l’organisme entier (WP3). Notre second objectif, translationnel (WP4), est d’identifier et de tester de nouvelles approches pour le traitement de l’atrophie musculaire, sur la base des effecteurs musculaires pertinents identifiés (WP1-3) et de nouveaux inhibiteurs pharmacologiques des récepteurs TGFß (nanocyclix) mis à disposition par la compagnie pharmaceutique Oncodesign.
Approches expérimentales :
Nous proposons de générer des nouveaux modèles murins permettant l’expression inductible d’un récepteur constitutivement activé de la signalisation TGFß soit (i) dans la fibre musculaire différenciée soit (ii) dans les cellules souches du muscle adulte (cellules satellites). Des approches multi-omics permettront d’obtenir de nouvelles signatures moléculaires de l’atrophie musculaire médiée par le TGFß, qui constitueront une base solide pour nos criblages in vitro en cellules musculaires, complétés par le test des nanocyclix (Oncodesign). Leur validation in vivo permettra d’identifier de nouveaux biomarqueurs et de nouvelles cibles thérapeutiques pour prévenir/limiter l’atrophie. Nous avons déjà généré suffisamment de résultats préliminaires pour assurer la pertinence de nos modèles et la faisabilité du projet.
Consortium
Le partenaire 1 est un expert reconnu de la biologie du muscle, maitrisant une palette de techniques et d’approches allant de la biologie moléculaire et l’expression des gènes à la physiologie en passant par la signalisation intracellulaire et le métabolisme. Le partenaire 2 est un spécialiste de la signalisation TGFß. Il a développé les outils innovants qui ont permis de générer les modèles murins pour le projet. La collaboration avec Oncodesign, ayant une grande expérience en criblage pharmaceutique, sera un atout précieux pour l’indentification de molécules thérapeutiques d’intérêt pour traiter ou prévenir l’atrophie musculaire.