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Identification of the pathological alterations underlying respiratory failure in myotonic dystrophy transgenic mice

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AbstractMyotonic dystrophy type 1 (DM1), also known as Steinert's disease, is an inherited autosomal dominant disease. DM1 is characterized by myotonia, muscular weakness and atrophy, but it has a multisystemic phenotype. The genetic basis of the disease is the abnormal expansion of CTG repeats in the 3' untranslated region of the DM protein kinase (DMPK) gene on chromosome 19. The size of the expansion correlates to the severity of the disease and the age of onset.Respiratory problems have long been recognized to be a major feature of the disease and are the main factor contributing to mortality ; however the mechanisms are only partly known. The aim of our study is to investigate whether respiratory failure results only from the involvement of the dystrophic process at the level of the respiratory muscles or comes also from abnormalities in the neuronal network that generates and controls the respiratory rhythm. The generation of valid transgenic mice displaying the human DM1 phenotype by the group of Dr. Gourdon provided us a useful tool to analyze the brain stem respiratory neurons, spinal phrenic motoneurons and phrenic nerves. We examined therefore these structures in transgenic mice carrying 350-500 CTGs and displaying a mild form of the disease (DM1 mice). The morphological and morphometric analysis of diaphragm muscle sections revealed a denervation of the end-plates (EPs), characterized by a decrease in size and shape complexity of EPs and a reduction in the density of acetylcholine receptors (AChRs). Also a strong and significant reduction in the number of phrenic unmyelinated fibers was detected, but not in the myelinated fibers. In addition, no pathological changes were detected in the cervical motoneurons and medullary respiratory centers (Panaite et al., 2008). These results suggest that the breathing rhythm is probably not affected in mice expressing a mild form of DM1, but rather the transmission of action potentials at the level of diaphragm NMJs is deficient.Because size of the mutation increases over generations, new transgenic mice were obtained from the mice with 350-500 CTGs, resulting from a large increase of CTG repeat in successive generations, these mice carry more than 1300 CTGs (DMSXL) and display a severe DM1 phenotype (Gomes-Pereira et al., 2007). Before we study the mechanism underlying the respiratory failure in DMSXL mice, we analyzed the peripheral nervous system (PNS) in these mice by electrophysiological, histological and morphometric methods. Our results provide strong evidence that DMSXL mice have motor neuropathy (Panaite et al., 2010, submitted). Therefore the DMSXL mice expressing severe DM1 features represent for us a good tool to investigate, in the future, the physiological, structural and molecular alterations underlying respiratory failure in DM1. Understanding the mechanism of respiratory deficiency will help to better target the therapy of these problems in DM1 patients. In addition our results may, in the future, orientate pharmaceutical and clinical research towards possible development of therapy against respiratory deficits associated with the DM1.RésuméLa dystrophic myotonique type 1 (DM1), aussi dénommée maladie de Steinert, est une maladie héréditaire autosomique dominante. Elle est caractérisée par une myotonie, une faiblesse musculaire avec atrophie et se manifeste aussi par un phénotype multisystémique. La base génétique de la maladie est une expansion anormale de répétitions CTG dans une région non traduite en 3' du gène de la DM protéine kinase (DMPK) sur le chromosome 19. La taille de l'expansion est corrélée avec la sévérité et l'âge d'apparition de DM1.Bien que les problèmes respiratoires soient reconnus depuis longtemps comme une complication de la maladie et soient le principal facteur contribuant à la mortalité, les mécanismes en sont partiellement connus. Le but de notre étude est d'examiner si l'insuffisance respiratoire de la DM1 est dû au processus dystrophique au niveau des muscles respiratoires ou si elle est entraînée aussi par des anomalies dans le réseau neuronal qui génère et contrôle le rythme respiratoire. La production par le groupe du Dr. Gourdon de souris transgéniques de DM1, manifestant le phénotype de DM1 humaine, nous a fourni un outil pour analyser les nerfs phréniques, les neurones des centres respiratoires du tronc cérébral et les motoneurones phréniques. Par conséquence, nous avons examiné ces structures chez des souris transgéniques portant 350-500 CTG et affichant une forme légère de la maladie (souris DM1). L'analyse morphologique et morphométrique des sections du diaphragme a révélé une dénervation des plaques motrices et une diminution de la taille et de la complexité de la membrane postsynaptîque, ainsi qu'une réduction de la densité des récepteurs à l'acétylcholine. Nous avons aussi détecté une réduction significative du nombre de fibres nerveuses non myélinisées mais pas des fibres myélinisées. Par ailleurs, aucun changement pathologique n'a été détecté pour les neurones moteurs médullaires cervicaux et centres respiratoires du tronc cérébral (Panaite et al., 2008). Ces résultats suggèrent que le iythme respiratoire n'est probablement pas affecté chez les souris manifestant une forme légère du DM1, mais plutôt que la transmission des potentiels d'action au niveau des plaques motrices du diaphragme est déficiente.Comme la taille du mutation augmente au fil des générations, de nouvelles souris transgéniques ont été générés par le groupe Gourdon; ces souris ont plus de 1300 CTG (DMSXL) et manifestent un phénotype sévère du DM1 (Gomes-Pereira et al., 2007). Avant d'étudier le mécanisme sous-jacent de l'insuffisance respiratoire chez les souris DMSXL, nous avons analysé le système nerveux périphérique chez ces souris par des méthodes électrophysiologiques, histologiques et morphométriques. Nos résultats fournissent des preuves solides que les souris DMSXL manifestent une neuropathie motrice (Panaite et al., 2010, soumis). Par conséquent, les souris DMSXL représentent pour nous un bon outil pour étudier, à l'avenir, les modifications physiologiques, morphologiques et moléculaires qui sous-tendent l'insuffisance respiratoire du DM1. La connaissance du mécanisme de déficience respiratoire en DM1 aidera à mieux cibler le traitement de ces problèmes aux patients. De plus, nos résultats pourront, à l'avenir, orienter la recherche pharmaceutique et clinique vers le développement de thérapie contre le déficit respiratoire associé à DM1.

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