🧬GRANT 2023 - Financement du projet porté par le Dr. Alexandra TASSIN, PhD

Un axe DUX4 HIF1α dans la FSHD ?

OBJECTIF : comprendre la voie de réponse à l’hypoxie dans la FSHD pour une meilleure prise en charge des patients présentant des troubles respiratoires

FINANCEMENT AMIS FSH : projet financé à hauteur de 8 000 euros par l’association

PERIODE : à compter de septembre 2023 pour une durée de 12 mois

LIEU & EQUIPE DE RECHERCHE : Institut des Sciences et Technologies de la Santé, UMONS (Université de Mons, Belgique), sous la direction du Dr. Alexandra Tassin, PhD.

DESCRIPTIF :

HIF1α : chef d’orchestre de la réponse à l’hypoxie

DUX4 et HIF1α sont, tous deux, des facteurs de transcription, c’est-à-dire des protéines « chef d’orchestre », capables de lier l’ADN et d’activer ou de réprimer l’expression d’une centaine de gènes cibles.

Si un organe de notre corps ne reçoit pas tout l’oxygène dont il a besoin pour fonctionner correctement, il est en hypoxie. Celle-ci peut survenir en conditions physiologiques (exercice physique, haute altitude) ou pathologiques (troubles respiratoires). Fort heureusement, nos cellules ont des systèmes de contrôle permettant de déclencher des réponses compensatoires. En cas d’hypoxie, la protéine HIF1α est l’acteur principal de cette réponse, il entre dans le noyau de nos cellules pour y activer une série de gènes qui permettent la survie de la cellule en déficit d’oxygène.

Cette réponse permet, par exemple :

• d’améliorer l’apport d’oxygène aux cellules en augmentant le nombre
  • de globules rouges dans notre sang
  • de vaisseaux sanguins dans nos tissus

• de modifier la manière de produire de l’énergie dans les cellules en privilégiant les voies indépendantes de l’oxygène.

HIF1α et la régénération musculaire

Outre son rôle dans la réponse à l’hypoxie, HIFα intervient dans la « différentiation musculaire », le processus par lequel une cellule se spécialise en cellule de muscle (capable de se contracter par exemple). Ce mécanisme se déroule au cours du développement de l’embryon ou dans le muscle adulte lors de la régénération suite à une lésion. Celle-ci active des cellules souches en dormance dans le muscle (cellules satellites) qui vont proliférer (stade myoblastes) et se différentier en myocytes capables de fusionner entre eux pour former des myotubes.

Pourquoi étudier HIF1α dans la FSHD ? Une hypothèse et des questions de recherche.

Le point de départ du projet est une analyse statistique des données publiées par différents laboratoires sur les gènes activés dans les biopsies de muscles de patients [1]. Cette étude réalisée par l’équipe du Prof. P. Zammit démontre que le programme de réponse à l’hypoxie est activé dans les muscles FSHD Mais quelle en est la cause? Certes, certains patients ont des troubles respiratoires qui pourraient être à l’origine d’une activation de ce programme. Cependant, ceci ne concerne qu’un groupe particulier de patients. Or, l’activation du programme de réponse à l’hypoxie est caractéristique du muscle FSHD. Une autre explication est que DUX4 pourrait activer le programme de réponse à l’hypoxie de manière aberrante. L’hypothèse d’un lien entre DUX4 et HIFα est soutenue par une autre étude [2] présentant HIF1α comme le médiateur principal de la toxicité de DUX4. Dans ces conditions, HIF1α a été proposé comme cible thérapeutique pour la FSHD … A ce stade, différentes questions restaient ouvertes. Celles-ci sont à la base de notre projet (thèse de doctorat de Thuy-Hang Nguyen) :

• Quelles sont les conséquences d’une suractivation prolongée de HIF1α dans les cellules musculaires ?
• Quel est l’effet de DUX4 sur le programme de réponse à l’hypoxie ?
• Le lien entre DUX4 et HIF1α est-il le même à tous les stades du processus de différentiation musculaire ?
• Etant donné son rôle normal dans la régénération musculaire, inhiber HIF1α peut-il avoir des effets bénéfiques pour le muscle FSHD ?

Modèles et principaux résultats

Pour notre projet, nous avons utilisé des myoblastes humains cultivés et différentiés en culture in vitro. Ces myoblastes ont un gène DUX4 modifié qui est activé par l’ajout de doxycycline dans le milieu de culture (modèle développé par le Prof. M. Kyba).

Nous avons également utilisé un modèle de souris développé précédemment dans lequel nous injectons un ADN codant pour la protéine DUX4 dans un muscle d’une des pattes postérieures de l’animal ce qui cause une myopathie locale que l’on peut comparer au muscle sain non injecté de l’autre patte [3].

Grâce à ces modèles, nous avons pu apporter les conclusions suivantes :

• DUX4 inhibe l’expression d’HIF1α dans les myoblastes humains en prolifération ❶ mais l’active au stade myotubes ❷
• L’hypoxie induit HIF1α qui cause une différentiation précoce des myoblastes humains en myocytes ❸
• DUX4 réprime cette différenciation musculaire précoce induite par HIF1α ❹
• L’hypoxie augmente la fusion des myocytes en myotubes mais cet effet est indépendant de HIF1α ❺
• L’axe DUX4 -> HIF1α est conservé chez la souris ❻ mais ! inhiber l’expression d’HIF1α aggrave la lésion musculaire induite par DUX4.

Notre étude précise donc le lien entre DUX4, HIF1α et la voie de réponse à l’hypoxie. Vu la complexité de la FSHD, les chercheurs considèrent de plus en plus des approches de type « multi-thérapie » pour compléter les stratégies ciblant DUX4. Notre étude s’insère dans ce contexte. Certains chercheurs ont publié que HIF1α était nécessaire à la toxicité de DUX4 et ont proposé de bloquer sa production comme thérapie pour la FSHD. Cependant, nous avons découvert ici un rôle normal de HIF1α dans la régénération musculaire et montré dans un modèle de souris que bloquer sa production aggrave les lésions induites par DUX4. La voie de réponse à l’hypoxie est néanmoins perturbée dans la FSHD et doit être mieux comprise. Notre étude y contribue en montrant que HIF1α active la différentiation de myoblastes en prolifération mais n’intervient pas lors de la formation des myotubes. Nous apportons une base plus solide pour le développement de stratégies thérapeutiques alternatives pouvant cibler d’autres acteurs de la voie de réponse à l’hypoxie. En outre, une meilleure compréhension des modifications de cette voie est nécessaire pour une meilleure prise en charge des patients présentant des troubles respiratoires.

Ce projet a été réalisé en collaboration avec le Prof. Peter S. Zammit, Dr. C. Banerji et P. Heher (King's College London, UK) et la Prof. émérite. A. Belayew.

Ce projet a donné lieu aux publications suivantes

(1) Nguyen T-H, Conotte S, Belayew A, Declèves A-E, Legrand A, Tassin A. Hypoxia and Hypoxia-Inducible Factor Signaling in Muscular Dystrophies: Cause and Consequences. Int J Mol Sci. 2021;22:7220.

(2) Nguyen T-H, Limpens M, Bouhmidi S, Paprzycki L, Legrand A, Declèves A-E, Heher P, Belayew A, Banerji CR S, Zammit PS, Tassin A. The DUX4-HIF1α Axis in Murine and Human Muscle Cells: A Link More Complex Than Expected. En révision pour IJMS , version initiale accessible au lien https://www.preprints.org/manuscript/202211.0532/v2

(3) Nguyen T-H, Paprzycki L, Legrand A, Declèves A-E, Heher P, Limpens M, Belayew A, Banerji CRS, Zammit PS, Tassin A. Hypoxia enhances human muscle cell differentiation: involvement of HIF1α and impact of DUX4, the FSHD causal gene. Accepté pour publication (Nov 2023) dans Skeletal Muscle.

(4) Heher P, Ganassi M, Weidinger A, Engquist EN, Pruller J, Nguyen TH, Tassin A, Declèves A-E, Mamchaoui K, Banerji CRS, Grillari J, Kozlov AV, Zammit PS. Interplay between mitochondrial reactive oxygen species, oxidative stress and hypoxic adaptation in facioscapulohumeral muscular dystrophy: Metabolic stress as potential therapeutic target. Redox Biol. 2022;51:102251.

Merci aux Amis FSH !

Les Amis FSH nous ont apporté leur soutien tout au long de ce projet. Un premier financement a permis d’initier l’étude par un séjour scientifique dans le laboratoire du Prof. P. Zammit (Thuy-Hang Nguyen, doctorante en charge du projet, UMONS). En outre, les Amis FSH nous ont récemment octroyé un financement nous permettant de finaliser les expériences demandées lors du processus de « revue par les pairs » (peer-reviewing) pour les articles (2) et (3), élément indispensable à leur publication. Les expériences demandées consistaient principalement à confirmer nos résultats, notamment en employant des modèles cellulaires additionnels. Ces expériences sont réalisées par 2 jeunes chercheuses de notre laboratoire, Lise Paprzycki et Maelle Limpens. En Belgique, le projet a également été soutenu par l’ABMM (Association Belge contre les Maladies Neuromusculaire) et le FNRS (Fonds National de la Recherche Scientifique).