Dynamique cellulaire et moléculaire des cellules souches musculaires lors du déclin de l'hyperplasie musculaire chez la truite – FishMuSC

Pour comprendre pourquoi l'hyperplasie musculaire diminue au cours de la croissance, nous avons combiné plusieurs approches expérimentales.

Nous avons d'abord isolé des cellules mononucléées à partir du muscle blanc de truites juvéniles de différentes tailles, allant de 10 grammes à 1,5 kilogramme. Après avoir éliminé les débris et les globules rouges, nous avons compté les cellules vivantes et les avons préparées pour une analyse de l'expression des gènes à l'échelle de la cellule unique (snRNA-seq). Cette approche nous a permis d'identifier et de caractériser les différents types de cellules présents dans le muscle, puis de suivre l'évolution de leur activité au fur et à mesure de la diminution de l'hyperplasie. Nous avons également comparé les données obtenues chez la truite à celles disponibles chez l'être humain afin de mettre en évidence les mécanismes conservés entre les espèces.

Pour tester la capacité des cellules à former de nouvelles fibres, nous avons transplanté des cellules mononucléées de muscle provenant de truites exprimant la GFP dans le muscle de jeunes truites receveuses. Trois semaines plus tard, nous avons analysé la formation de nouvelles fibres dans la zone transplantée en quantifiant les fibres exprimant la GFP issues des cellules greffées.

Parallèlement, nous avons réalisé une étude histologique du muscle de truites de différentes tailles afin de mesurer la taille des fibres et le nombre de cellules souches musculaires. Les tissus ont été colorés afin de distinguer les membranes des fibres et d'identifier les cellules souches musculaires. Les images obtenues ont ensuite été analysées automatiquement afin de quantifier la taille des fibres et la répartition des cellules.

L’ensemble de ces méthodes nous a permis de dresser une carte détaillée des populations de cellules musculaires, de leur localisation et de leur capacité à produire de nouvelles fibres au cours de la croissance.

Nous avons étudié l'évolution du muscle de la truite au cours de sa croissance, en particulier la formation de nouvelles fibres musculaires (appelée hyperplasie). En analysant des truites pesant entre 10 g et 2 kg, nous avons observé que le nombre total de fibres musculaires augmentait fortement jusqu’à 500 g, puis se stabilisait. Parallèlement, la proportion de petites fibres (inférieures à 25 µm de diamètre), signe d'une activité hyperplasique, chute rapidement, passant de 34 % chez les truites de 10 g à moins de 6 % chez celles de 500 g. La densité des cellules souches musculaires (MuSC), qui sont essentielles à la création de nouvelles fibres, diminue également avec le poids : elle est dix fois plus faible chez les truites de 500 g que chez celles de 10 g.

Nous avons transplanté des cellules musculaires issues de truites de 10 g dans des truites receveuses pesant entre 10 g et 2 kg. Ces cellules ont formé de nouvelles fibres chez les truites receveuses de 10 g ou 100 g, mais beaucoup moins chez les truites de plus de 500 g. Inversement, les cellules provenant de truites de plus de 500 g avaient une capacité myogénique très réduite, même lorsqu’elles étaient placées dans un environnement favorable (chez un jeune receveur). Ces résultats suggèrent que la diminution de l’hyperplasie est due à la fois à une perte de la capacité myogénique des MuSC et de leur niche.

Pour distinguer les effets de l’âge de ceux du poids, nous avons comparé des truites du même âge (12 mois) mais de poids très différents (20 g contre 1 kg) grâce à une restriction alimentaire. Conclusion : ce n'est pas l'âge, mais bien le poids, qui détermine la capacité des cellules à produire de nouvelles fibres.

Parallèlement, nous avons procédé à une analyse de l'expression des gènes dans les cellules musculaires afin de dresser un atlas complet. Nous avons identifié 15 types de cellules différents, dont des cellules myogéniques (impliquées dans la formation des fibres musculaires) et mésenchymateuses. Au cours de la croissance, la proportion de MuSC reste stable, tandis que celle des myoblastes chute fortement et que les cellules vasculaires augmentent. Des analyses plus poussées révèlent deux voies de différenciation partant des MuSC pour aboutir à des cellules différenciées : la première, composée de cellules très prolifératives (marquées par le mki67), est présente uniquement dans le muscle hyperplasique ; la seconde, présente tout au long de la croissance, est constituée de cellules qui s'engagent directement dans la différenciation. Ces changements traduisent une transition progressive d'un muscle capable de créer de nouvelles fibres à un muscle qui ne se développe que par hypertrophie des fibres.

Enfin, nous avons observé une réorganisation de la matrice extracellulaire qui entoure les cellules musculaires et joue un rôle clé dans leur comportement. Avec la croissance, cette matrice se transforme, contribuant à freiner l'hyperplasie et à favoriser l'hypertrophie.

Cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre comment les muscles se développent et se régénèrent chez tous les vertébrés. Nous avons identifié deux trajectoires transcriptomiques distinctes dans le développement des fibres musculaires : l'une liée à la formation de nouvelles fibres (hyperplasie) et l'autre à l'hypertrophie des fibres existantes. Nous avons également mis en évidence l’existence d’une population de cellules souches particulières exprimant à la fois des gènes marqueurs myogéniques et fibrogéniques, ce qui témoigne de leur bipotentialité. Ces résultats fournissent un cadre permettant d'explorer la manière dont les programmes intrinsèques des cellules souches et leur environnement, appelé « niche », évoluent conjointement au cours de la croissance.

La question se pose de savoir si ces modifications des cellules souches sont réversibles ou constituent un destin irréversible vers l'hypertrophie.

Nos observations montrent également que l’environnement musculaire subit de profondes modifications avec la croissance, car la matrice extracellulaire se réorganise et influence le comportement des cellules souches. Comprendre comment les signaux provenant des cellules vasculaires et des cellules du tissu conjonctif influencent la formation des fibres permettra d'améliorer la compréhension des mécanismes de régulation de l'hyperplasie et de l'hypertrophie.

Au-delà de la biologie du développement, ces résultats pourraient avoir des implications pour la médecine régénérative. Le modèle de la truite, qui est capable de produire massivement de nouvelles fibres après l’éclosion, permet d'étudier l'épuisement des cellules souches et la transformation de leur niche dans un contexte physiologique. Cela pourrait aider à comprendre les mécanismes du vieillissement musculaire ou des maladies musculaires chez les mammifères, et inspirer des stratégies pour améliorer la régénération musculaire. La comparaison de ces résultats avec ceux d'autres poissons présentant des stratégies de croissance différentes permettrait également de mieux comprendre l'évolution du compromis entre croissance continue et maintien des cellules souches.

Le muscle squelettique est principalement constitué de fibres musculaires formées au cours du développement embryonnaire et fœtal. A l'exception de la régénération musculaire suite à une lésion, la formation de fibres (hyperplasie) cesse autour de la naissance chez les mammifères et peu après l'éclosion chez le poisson zèbre. L'hyperplasie musculaire nécessite la prolifération et la différenciation de cellules souches musculaires, également appelées cellules satellites, situées dans une niche distincte, entre la lame basale et la membrane plasmique de la fibre. Une fois différenciées, ces cellules fusionnent soit avec les fibres existantes pour générer des cellules plus grandes (hypertrophie), soit ensemble pour former de nouvelles fibres (hyperplasie). Les poissons d'intérêt agronomique ont une croissance musculaire post-larvaire continue, associée à la formation persistante de nouvelles fibres musculaires issues des cellules souches musculaires (cellules satellites). Néanmoins, la croissance musculaire hyperplasique diminue à la fin de la phase de croissance exponentielle, et les mécanismes moléculaires et cellulaires de l'arrêt de l'hyperplasie musculaire ne sont pas encore connus. Étant donné que le maintien d’un fort taux d’hyperplasie conditionne le potentiel de croissance de l’animal, l'objectif de ce projet est d’analyser la dynamique cellulaire et moléculaire des cellules souches musculaires lors du déclin de l'hyperplasie musculaire chez la truite. Pour atteindre cet objectif nous allons étudier pendant le déclin de l’hyperplasie, (i) l’évolution des caractéristiques des populations de cellules satellites, (ii) l’évolution du nombre de cellules satellites et (iii) la capacité myogénique des cellules satellites. Dans ce projet, l'utilisation d'un modèle biologique original (protocole de transplantation utilisant la truite mlc2-GFP) et de technologies innovantes permettant une investigation approfondie (RNAscope®, imagerie 3D et single cell RNAseq) offre une opportunité unique de comprendre la dynamique cellulaire et moléculaire des cellules souches musculaires lors du déclin de l'hyperplasie musculaire chez la truite.