Force potentiation in the MDX mouse

Large forces are the primary mechanism of injury in muscular dystrophy, and muscular dystrophy is especially damaging to type IIB muscle fibers. It was hypothesized that post-tetanic potentiation (PTP) would be down-regulated to prevent damage in Xlinked muscular dystrophy (mdx) mice since PTP increases force and PTP effects are greatest in IIB fibers. PTP experiments were performed on the extensor digitorum longus (EDL) of 50 day old mdx (YM) and C57BL/10 (YC) mice and 10 month old mdx (OM) and C57B1710 (OC) mice. Twitch and tetanic forces were lower in mdx than controls and lower in younger than older mice. Contrary to the hypothesis, PTP was higher in both mdx groups compared to controls. OM potentiated more than any other condition (OM: 29.8%, OC: 23.2%, YM: 21.9%, YC: 17.2%). In accordance with literature PTP increased in the older groups. To explain PTP changes, fiber typing and Western blots for myosin light chain kinase (MLCK) were performed. YM and YC had similar fiber type profiles (2% I, 58% IIX/D and 40% IIB). In accordance with literature but contrary to expected conditions for elevated PTP, OM had a slower fiber type profile (1.7% I, 69% IIX/D and 29% IIB) than OC (0.4% I, 61% IIX/D and 38% IIB). No differences were found in MLCK expression. It seems that PTP is up-regulated to maintain muscle function rather than being down-regulated to prevent muscle damage. Ca""^ transient and myosin phosphorylation measurements would be beneficial in explaining increased PTP seen in this study.

Rôle d'un ajout de vitamine E alimentaire dans la prévention de la myopathie du poulet de chair

Des études précédentes ont montré qu’une carence en vitamine E prédispose à la myopathie du poulet de chair. L’effet d’un ajout de vitamine E dans la diète commerciale sur la dégénérescence des fibres musculaires de la poitrine et de la cuisse a été étudié chez les poulets de chair. Des poulets mâles ROSS 308 (n = 1100) ont été assignés de façon aléatoire à deux traitements alimentaires (aliment commercial + 25 à 50 mg de vitamine E surajouté par kg vs aliment commercial + 0 mg de vitamine E supplémentaire). Les poulets ont été répartis sur 10 parquets (cinq répétitions par traitement). Le poids corporel et la consommation d’aliment ont été mesurés hebdomadairement. Aux jours j28, j35, j42 et j49, du sang a été prélevé pour mesurer le niveau de vitamine E et l’activité de la créatine kinase (CK). Les muscles Pectoralis superficialis et Adductor magnus ont été prélevés pour des analyses histologiques aux jours j28, j42 et j49; les fibres dégénérées ont été dénombrées sur chaque muscle prélevé. La concentration plasmatique de vitamine E était plus élevée dans le groupe supplémenté (P = 0.001). L’activité de la CK n’était pas différente dans les deux groupes (P = 0.20) mais très élevée, et n’était pas toujours en relation avec les dommages musculaires, à cause de grandes fluctuations de la CK entre les individus du même groupe. Le nombre de fibres endommagées était plus élevé dans le muscle Pectoralis superficialis (poitrine) que dans le muscle Adductor magnus (cuisse) dans les deux groupes; il y avait aussi moins de fibres dégénérées à j28 dans la poitrine des poulets qui ont reçus la diète supplémentée. Ces résultats suggèrent que l’ajout de vitamine E à la diète conventionnelle augmente le niveau de vitamine E dans le plasma et dans les tissus, diminue le nombre de fibres dégénérées dans la poitrine des jeunes poulets sans pour autant modifier la conversion alimentaire. La mesure de l’activité plasmatique de la CK ne saurait suffire à elle seule pour détecter précocement la myopathie nutritionnelle dans les élevages de poulets de chair.

Vulnérabilité cardiaque au stress au cours du remodelage ventriculaire pathologique : rôle de la mitochondrie et du pore de perméabilité transitionnelle (PTP)

L’objectif central de cette thèse de Doctorat était d’investiguer les dysfonctions mitochondriales qui surviennent précocement au cours de la phase compensée du remodelage ventriculaire pathologique et qui pourraient jouer un rôle causal dans la progression vers l’insuffisance cardiaque. Nos travaux antérieurs, réalisés à l’aide d’un modèle de surcharge volumique chronique induite par une fistule aorto-cavale (ACF) chez le Rat WKHA, ont montré qu’au cours du remodelage ventriculaire, les mitochondries développaient une vulnérabilité à l’ouverture du pore de perméabilité transitionnelle (PTP : un élément clé de la signalisation de la mort cellulaire) [1]. Ceci était observable au stade compensé du remodelage en absence des dysfonctions mitochondriales majeures typiquement observées dans le cœur insuffisant. Ces résultats nous ont amenés à suggérer que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP pourrait constituer un mécanisme précoce favorisant la progression de la cardiopathie. Dans l’étude 1 de cette thèse, nous avons tenté de tester cette hypothèse en induisant une ACF chez deux souches de rats affichant de très nettes différences au niveau de la propension à développer l’insuffisance cardiaque : les souches WKHA et Sprague Dawley (SD). Nos études in vitro sur organelles isolées et in situ sur l’organe entier ont permis de confirmer que, dans le cœur ACF, les mitochondries développent une vulnérabilité à l’ouverture du PTP et à l’activation de la voie mitochondriale de la mort cellulaire lorsqu’exposées à des stress pertinents à la pathologie (surcharge calcique, ischémie-reperfusion [I-R]). Cependant, bien que comparativement aux animaux WKHA, les animaux SD démontraient un remodelage ventriculaire plus rapide et prononcé et une progression précoce vers l’insuffisance cardiaque, aucune différence n’était observable entre les deux groupes au niveau des dysfonctions mitochondriales, suggérant quelles ne sont pas à l’origine de la progression plus rapide de la pathologie chez la souche SD, à tout le moins en réponse à la surcharge volumique. Nous avons par la suite déterminé, à l’aide des mêmes approches expérimentales, si cette vulnérabilité mitochondriale était observable dans une cardiopathie d’étiologie différente, plus spécifiquement celle qui est associée à la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD), une maladie génétique causée par une mutation de la protéine dystrophine. Nos études menées (études 2-4) sur de jeunes souris mdx (le modèle murin de la DMD) exemptes de tout signe clinique de cardiopathie n’ont révélé aucune différence au niveau des fonctions mitochondriales de base. Cependant, tout comme dans le modèle d’ACF, les mitochondries dans le cœur de souris mdx étaient significativement plus vulnérables à l’ouverture du PTP lorsque soumises à une I-R (étude 2). Par ailleurs, nous avons démontré que l’administration aiguë de sildénafil aux souris mdx induisait une abolition de l’ouverture du PTP et de ses conséquences signalétiques, une diminution marquée du dommage tissulaire et une meilleure récupération fonctionnelle à la suite de l’I-R (étude 3). Nous avons ensuite testé chez la souris mdx l’administration aiguë de SS31, un peptide anti-oxydant ciblé aux mitochondries, cependant aucun effet protecteur n’a été observé, suggérant que le tamponnement des radicaux libres est d’une utilité limitée si les perturbations de l’homéostasie calcique typiques à cette pathologie ne sont pas traitées simultanément (étude 4). Globalement, les travaux effectués au cours de cette thèse démontrent que la vulnérabilité à l’ouverture du PTP constitue une dysfonction précoce et commune qui survient au cours de remodelages ventriculaires pathologiques d’étiologies différentes. Par ailleurs, ces travaux suggèrent des stratégies d’intervention pharmacologiques ciblant ce processus, dont l’efficacité pour la prévention de l’insuffisance cardiaque demande à être établie.

Identification du gène Anoctamine 5 responsable d'une nouvelle forme récessive de dystrophie musculaire des ceintures

Les dystrophies musculaires des ceintures (ou limb-girdle muscular dystrophy, LGMD) sont un groupe hétérogène de dystrophies musculaires chez l’adulte et sont définies par une atrophie et une faiblesse progressive qui surviennent dans les muscles proximaux. Chez une cohorte canadienne-française, nous avons précédemment décrit une nouvelle forme récessive, désignée LGMD2L et marquée par une atrophie asymétrique du quadriceps, que nous avions cartographiée au chromosome 11p12-p13 grâce à des analyses de liaison. L’objectif de ce projet de thèse était de raffiner l’intervalle candidat, puis d’identifier et de caractériser le gène muté responsable de la LGMD2L. Grâce à une cartographie par homozygotie de polymorphismes de nucléotide simple (SNPs) réalisée sur une grande famille consanguine, nous avons redéfini l’intervalle candidat à une région du chromosome 11p14.3-p15.1. Par séquençage de l’ADN génomique et complémentaire au gène Anoctamine 5 (ANO5) inclus dans cet intervalle, nous avons identifié trois mutations, chez autant de familles: une substitution créant un site d’épissage aberrant, une insertion d’un nucléotide et une mutation faux-sens. Les deux premières mutations étaient associées à une hausse de la dégradation de l’ARN messager médiée par une troncation prématurée. Nous avons également identifié des mutations ANO5 chez une seconde dystrophie musculaire de type distal cartographiant au même locus que la LGMD2L, nommée MMD3, et dont la manifestation initiale était une faiblesse des mollets, mais qui pouvait progresser vers une atrophie des quadriceps. Une réparation membranaire défective avait été observée chez les fibroblastes de deux patients MMD3, suggérant un rôle pour ANO5 dans ce mécanisme. La localisation et la fonction d’ANO5 dans le muscle sont inconnues, mais cette protéine fait partie d’une famille conservée de protéines à huit domaines transmembranaires, les Anoctamines, dont certains membres sont des transporteurs chloriques activés par le calcium. Les résultats de nos études d’immunofluorescence suggèrent qu’ANO5 se localise peu au sarcolemme, mais plutôt à une structure intracellulaire qui suit la ligne Z des myofibrilles. De façon étonnante, cette localisation était préservée chez un patient LGMD2L porteur homozygote de la mutation d’épissage, en dépit du fait que cette dernière était considérée comme une mutation nulle. Néanmoins, nous avons identifié un épissage alternatif de l’exon 15 qui se produisait sur une proportion des transcrits porteurs de la mutation d’épissage, ce qui rétablirait le cadre de lecture, soulignant la complexité de la régulation de l’épissage d’ANO5 et laissant croire que la LGMD2L pourrait être causée par une perte de fonction partielle, et non complète, d’ANO5. Des études subséquentes par des groupes européens ont montré que les anoctaminopathies 5 sont une cause fréquente de dystrophies musculaires des ceintures chez l’adulte. Notre découverte de mutations au gène Anoctamine 5 a mis en évidence une nouvelle classe de protéines importantes pour la biologie du muscle et a ouvert la voie à de nouvelles pistes pour étudier les mécanismes par lesquels un défaut de réparation membranaire progresse en une dystrophie musculaire.

Développement d'un promoteur efficace et muscle spécifique pour la thérapie génique de la dystrophie musculaire de Duchenne

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Optimisation du vecteur adénoviral pour la thérapie génique de la dystrophie musculaire de Duchenne

La dystrophie musculaire de Duchenne (DMD) est une maladie très sévère, progressive et sans traitement vraiment efficace. Elle est caractérisée par l’absence fonctionnelle de la dystrophine, une protéine essentielle au maintien des muscles squelettiques. La thérapie génique est actuellement envisagée comme approche thérapeutique pour livrer la dystrophine dans les muscles. Les vecteurs adénoviraux de troisième génération (Helper-dependent adenoviral vector, HD) sont des véhicules de transfert génique très prometteurs pour traiter la DMD. Puisque les gènes adénoviraux ont été enlevés complètement du HD, ils sont peu toxiques, faiblement immunogéniques et ils possèdent un espace cargo suffisant pour transporter l’ADN codant complet de la dystrophine. Bien que le HD puisse fournir la dystrophine de façon thérapeutique chez des souris dystrophiques (mdx), l’expression du gène thérapeutique est progressivement perdue plusieurs mois suivant l’injection intramusculaire. Deux stratégies innovantes furent explorées dans cette thèse dans le but de stabiliser l’expression de la dystrophine. La première stratégie vise à l’intégration de l’ADN du HD dans les chromosomes cellulaires, ce qui pourrait le protéger contre son élimination progressive des muscles. Une intégrase site-spécifique issue du phage ΦC31 a été utilisée pour catalyser l’intégration d’un HD transportant un marqueur de sélection. Dans les cellules humaines et les myoblastes murins, l’activité de l’intégrase a été évaluée d’après son efficacité d’intégration (après sélection) et sa spécificité (dans les clones résistants). L’efficacité atteint jusqu’à 0,5 % par cellule et jusqu’à 76 % des événements d’intégration ont été réalisés de façon site-spécifique. Bien que des délétions aient été trouvées aux extrémités du vecteur, 70 % des clones analysés montraient une seule copie du vecteur intégré (le nombre attendu). Seulement une petite augmentation du nombre de brisures double-brin a été mesurée dans les myoblastes exprimant l’intégrase. En conclusion, l’intégration du HD est relativement efficace, spécifique et sécuritaire. Cette méthode est très prometteuse, car la dystrophine peut être livrée dans le muscle avec l’aide du HD et l’intégration de l’ADN du HD pourrait stabiliser son expression in vivo. La deuxième stratégie implique l’utilisation d’un nouveau promoteur musculospécifique (ΔUSEx3) pour réduire la toxicité induite liée à une expression trop étendue de la dystrophine. Dans cette étude, nous avons investigué l’effet du contexte viral sur l’activité du promoteur. Un HD et un vecteur lentiviral (LV) ont été construits avec le promoteur ΔUSEx3 pour contrôler l’expression d’un gène rapporteur. Les résultats démontrent que ΔUSEx3 confère une expression puissante, musculospécifique et stable (via le LV) in vitro. L’injection intramusculaire du HD a conduit à une expression puissante du transgène. Ces résultats contrastent avec ceux du LV, car après l’injection de ce dernier, l’expression était faible. La livraison du HD dans le muscle, mais aussi dans plusieurs organes démontre la musculospécificité de ΔUSEx3. Par conséquent, le contexte du vecteur et l’environnement musculaire modulent tous les deux l’activité de ΔUSEx3. Bien que ΔUSEx3 soit musculospécifique, d’autres études sont requises pour déterminer si le promoteur peut stabiliser l’expression de la dystrophine in vivo.

A mitochondrial perspective on striated muscle physiopathology: insights from sepsis, denervation, and dystrophinopathies.

La mitochondrie est de plus en plus reconnue pour sa contribution à la dégénerescence musculaire. Les dysfonctions mitochondriales, en plus de causer une défaillance énergétique, contribuent à la signalisation apoptotique, stimule la production de ROS et peuvent induire une surcharge calcique. Ces caractéristiques sont tous reliées à certains types de myopathies. Cette thèse met en lumières comment certaines dysfonctions mitochondriales peuvent intervenir dans la pathogenèse de diverses myopathies. Nous démontrons que les dysfonctions mitochondriales sont impliqués dans l’atrophie dû à la perte d’innervation. Par contre, la désensabilisation de l’ouverture du pore mitochondrial de transition de perméabilité, via ablation génétique de cyclophiline-D, ne prévient ni la signalisation apoptotique mitochondrial ni l’atrophie. Nous avons aussi observé des dysfonctions mitochondriales dans le muscle atteint de dystrophie musculaire de Duchenne qui furent améliorés suite à une transfection de PGC1-α, laquelle résulta aussi en une amélioration de la pathologie. Finalement, nous démontrons que le recyclage de mitochondrie par les voies de mitophagies et de contrôles de la qualité impliquant Parkin et possiblement d’autres voies de signalisation inconnues sont cruciales au recouvrement cardiaqe lors d’un choc septique.

Back muscles activity and scoliosis in ataxic and dystrophic patients

To investigate the role of muscles in the development of adolescent idiopathic scoliosis (AIS), our group was initially interested in Duchenne muscular dystrophy (DMD) diseases where a muscular degeneration often leads to scoliosis. Few years ago the studies with those patients provided interesting results but were obtained only from few patients. To increase that number, the present project was initiated but recruitment of new DMD patients from Marie-Enfant hospital was found impossible. As an alternative, patients with Friedreich’s ataxia (FA) were recruited since they also suffer from a muscular deficiency which often induces a scoliosis. So, 4 FA patients and 4 healthy controls have been chosen to closely match the age, weight and body mass indexes (BMI) of the patients were enrolled in our experiments. As in the previous study, electromyography (EMG) activity of paraspinal muscles were recorded on each side of the spine during three types of contraction at 2 different maximum voluntary contractions (MVC). Moreover, the volume and skinfold thickness of these muscles were determined from ultrasound images (US) in order to facilitate the interpretation of EMG signals recorded on the skin surface. For the 3 FA right scoliotic patients, EMG activity was most of the time larger on the concave side of the deviation. The opposite was found for the 4th one (P4, left scoliosis, 32°) for whom EMG activity was larger on the convex side; it should however be noted that all his signals were of small amplitude. This was associated to a muscle weakness and a large skinfold thickness (12 mm) vs 7 mm for the 3 others. As for the paraspinal muscle volume, it was present on the convex side of P1, P3 and P4 and on the concave side for P2. As for skinfold thickness over this muscle, it was larger on the concave side for P1 and P2 and the opposite for P3 and P4. At the apex of each curve, the volume and skinfold thickness differences were the largest. Although the study covers only a small number of FA patients, the presence of larger EMG signals on the concave side of a spinal deformation is similar to pre-scoliotic DMD patients for whom the deformation is in its initial stage. It thus seems that our FA patients with more EMG activity on their concave side could see progression of their spinal deformation in the coming months in spite of their already important Cobb angle.

Biology and characterisation of polyalanine as an emerging pathological marker

Dix-huit maladies humaines graves ont jusqu'ici été associées avec des expansions de trinucléotides répétés (TNR) codant soit pour des polyalanines (codées par des codons GCN répétés) soit pour des polyglutamines (codées par des codons CAG répétés) dans des protéines spécifiques. Parmi eux, la dystrophie musculaire oculopharyngée (DMOP), l’Ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3) et la maladie de Huntington (MH) sont des troubles à transmission autosomale dominante et à apparition tardive, caractérisés par la présence d'inclusions intranucléaires (IIN). Nous avons déjà identifié la mutation responsable de la DMOP comme étant une petite expansion (2 à 7 répétitions supplémentaires) du codon GCG répété du gène PABPN1. En outre, nous-mêmes ainsi que d’autres chercheurs avons identifié la présence d’événements de décalage du cadre de lecture ribosomique de -1 au niveau des codons répétés CAG des gènes ATXN3 (SCA3) et HTT (MH), entraînant ainsi la traduction de codons répétés hybrides CAG/GCA et la production d'un peptide contenant des polyalanines. Or, les données observées dans la DMOP suggèrent que la toxicité induite par les polyalanines est très sensible à leur quantité et leur longueur. Pour valider notre hypothèse de décalage du cadre de lecture dans le gène ATXN3 dans des modèles animaux, nous avons essayé de reproduire nos constatations chez la drosophile et dans des neurones de mammifères. Nos résultats montrent que l'expression transgénique de codons répétés CAG élargis dans l’ADNc de ATXN3 conduit aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et que ces événements sont néfastes. À l'inverse, l'expression transgénique de codons répétés CAA (codant pour les polyglutamines) élargis dans l’ADNc de ATXN3 ne conduit pas aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et n’est pas toxique. Par ailleurs, l’ARNm des codons répétés CAG élargis dans ATXN3 ne contribue pas à la toxicité observée dans nos modèles. Ces observations indiquent que l’expansion de polyglutamines dans nos modèles drosophile et de neurones de mammifères pour SCA3 ne suffit pas au développement d'un phénotype. Par conséquent, nous proposons que le décalage du cadre de lecture ribosomique -1 contribue à la toxicité associée aux répétitions CAG dans le gène ATXN3. Pour étudier le décalage du cadre de lecture -1 dans les maladies à expansion de trinucléotides CAG en général, nous avons voulu créer un anticorps capable de détecter le produit présentant ce décalage. Nous rapportons ici la caractérisation d’un anticorps polyclonal qui reconnaît sélectivement les expansions pathologiques de polyalanines dans la protéine PABPN1 impliquée dans la DMOP. En outre, notre anticorps détecte également la présence de protéines contenant des alanines dans les inclusions intranucléaires (IIN) des échantillons de patients SCA3 et MD.

Potranskrypcyjna regulacja ekspresji genu CELF1 - wpływ na patomechanizm dystrofii miotonicznej

Wydział Biologii: Instytut Biologii Molekularnej i Biotechnologii

TRIM32 regulates skeletal muscle stem cell differentiation and is necessary for normal adult muscle regeneration

Limb girdle muscular dystrophy type 2H (LGMD2H) is an inherited autosomal recessive disease of skeletal muscle caused by a mutation in the TRIM32 gene. Currently its pathogenesis is entirely unclear. Typically the regeneration process of adult skeletal muscle during growth or following injury is controlled by a tissue specific stem cell population termed satellite cells. Given that TRIM32 regulates the fate of mammalian neural progenitor cells through controlling their differentiation, we asked whether TRIM32 could also be essential for the regulation of myogenic stem cells. Here we demonstrate for the first time that TRIM32 is expressed in the skeletal muscle stem cell lineage of adult mice, and that in the absence of TRIM32, myogenic differentiation is disrupted. Moreover, we show that the ubiquitin ligase TRIM32 controls this process through the regulation of c-Myc, a similar mechanism to that previously observed in neural progenitors. Importantly we show that loss of TRIM32 function induces a LGMD2H-like phenotype and strongly affects muscle regeneration in vivo. Our studies implicate that the loss of TRIM32 results in dysfunctional muscle stem cells which could contribute to the development of LGMD2H.

Chronic systemic therapy with low-dose morpholino oligomers ameliorates the pathology and normalizes locomotor behavior in mdx Mice

The administration of antisense oligonucleotides (AOs) to skip one or more exons in mutated forms of the DMD gene and so restore the reading frame of the transcript is one of the most promising approaches to treat Duchenne muscular dystrophy (DMD). At present, preclinical studies demonstrating the efficacy and safety of long-term AO administration have not been conducted. Furthermore, it is essential to determine the minimal effective dose and frequency of administration. In this study, two different low doses (LDs) of phosphorodiamidate morpholino oligomer (PMO) designed to skip the mutated exon 23 in the mdx dystrophic mouse were administered for up to 12 months. Mice treated for 50 weeks showed a substantial dose-related amelioration of the pathology, particularly in the diaphragm. Moreover, the generalized physical activity was profoundly enhanced compared to untreated mdx mice showing that widespread, albeit partial, dystrophin expression restores the normal activity in mdx mice. Our results show for the first time that a chronic long-term administration of LDs of unmodified PMO, equivalent to doses in use in DMD boys, is safe, significantly ameliorates the muscular dystrophic phenotype and improves the activity of dystrophin-deficient mice, thus encouraging the further clinical translation of this approach in humans.

Codon and mRNA sequence optimization of microdystrophin transgenes improves expression and physiological outcome in dystrophic mdx mice following AAV2/8 gene transfer

Duchenne muscular dystrophy is a fatal muscle-wasting disorder. Lack of dystrophin compromises the integrity of the sarcolemma and results in myofibers that are highly prone to contraction-induced injury. Recombinant adenoassociated virus (rAAV)-mediated dystrophin gene transfer strategies to muscle for the treatment of Duchenne muscular dystrophy (DMD) have been limited by the small cloning capacity of rAAV vectors and high titers necessary to achieve efficient systemic gene transfer. In this study, we assess the impact of codon optimization on microdystrophin (ΔAB/R3-R18/ΔCT) expression and function in the mdx mouse and compare the function of two different configurations of codon-optimized microdystrophin genes (ΔAB/R3-R18/ΔCT and ΔR4-R23/ΔCT) under the control of a muscle-restrictive promoter (Spc5-12). Codon optimization of microdystrophin significantly increases levels of microdystrophin mRNA and protein after intramuscular and systemic administration of plasmid DNA or rAAV2/8. Physiological assessment demonstrates that codon optimization of ΔAB/R3-R18/ΔCT results in significant improvement in specific force, but does not improve resistance to eccentric contractions compared with noncodon-optimized ΔAB/ R3-R18/ΔCT. However, codon-optimized microdystrophin ΔR4-R23/ΔCT completely restored specific force generation and provided substantial protection from contraction-induced injury. These results demonstrate that codon optimization of microdystrophin under the control of a muscle-specific promoter can significantly improve expression levels such that reduced titers of rAAV vectors will be required for efficient systemic administration.

Delivery of AAV2/9-microdystrophin genes incorporating helix 1 of the coiled-coil motif in the C-terminal domain of dystrophin improves muscle pathology and restores the level of α1-syntrophin and α-dystrobrevin in skeletal muscles of mdx mice. Level of α1-Syntrophin and α-Dystrobrevin in Skeletal Muscles of mdx Mice

Duchenne muscular dystrophy is a severe X-linked inherited muscle wasting disorder caused by mutations in the dystrophin gene. Adeno-associated virus (AAV) vectors have been extensively used to deliver genes efficiently for dystrophin expression in skeletal muscles. To overcome limited packaging capacity of AAV vectors (<5 kb), truncated recombinant microdystrophin genes with deletions of most of rod and carboxyl-terminal (CT) domains of dystrophin have been developed. We have previously shown the efficiency of mRNA sequence–optimized microdystrophin (ΔR4-23/ΔCT, called MD1) with deletion of spectrin-like repeat domain 4 to 23 and CT domain in ameliorating the pathology of dystrophic mdx mice. However, the CT domain of dystrophin is thought to recruit part of the dystrophin-associated protein complex, which acts as a mediator of signalling between extracellular matrix and cytoskeleton in muscle fibers. In this study, we extended the ΔR4-23/ΔCT microdystrophin by incorporating helix 1 of the coiled-coil motif in the CT domain of dystrophin (MD2), which contains the α1-syntrophin and α-dystrobrevin binding sites. Intramuscular injection of AAV2/9 expressing CT domain–extended microdystrophin showed efficient dystrophin expression in tibialis anterior muscles of mdx mice. The presence of the CT domain of dystrophin in MD2 increased the recruitment of α1-syntrophin and α-dystrobrevin at the sarcolemma and significantly improved the muscle resistance to lengthening contraction–induced muscle damage in the mdx mice compared with MD1. These results suggest that the incorporation of helix 1 of the coiled-coil motif in the CT domain of dystrophin to the microdystrophins will substantially improve their efficiency in restoring muscle function in patients with Duchenne muscular dystrophy.

Blockade of ActRIIB signaling triggers muscle fatigability and metabolic myopathy

Myostatin regulates skeletal muscle size via the activin receptor IIB (ActRIIB). However, its effect on muscle energy metabolism and energy dependent muscle function remains largely unexplored. This question needs to be solved urgently since various therapies for neuromuscular diseases based on blockade of ActRIIB signaling are being developed. Here we show in mice that four months of pharmacological abrogation of ActRIIB signaling by treatment with soluble ActRIIB-Fc triggers extreme muscle fatigability. This is associated with elevated serum lactate levels and a severe metabolic myopathy in the mdx mouse, an animal model of Duchenne muscular dystrophy. Blockade of ActRIIB signaling down-regulates Porin, a crucial ADP/ATP shuttle between cytosol and mitochondrial matrix leading to a consecutive deficiency of oxidative phosphorylation as measured by in vivo Phophorus Magnetic Resonance Spectroscopy (31P-MRS). Further, ActRIIB blockade reduces muscle capillarization, which further compounds the metabolic stress. We show that ActRIIB regulates key determinants of muscle metabolism, such as Pparβ, Pgc1α, and Pdk4 thereby optimizing different components of muscle energy metabolism. In conclusion, ActRIIB signaling endows skeletal muscle with high oxidative capacity and low fatigability. The severe metabolic side effects following ActRIIB blockade caution against deploying this strategy, at least in isolation, for treatment of neuromuscular disorders.