Myogenèse - Myogenesis
La myogenèse est la formation du tissu musculaire squelettique , en particulier au cours du développement embryonnaire .
Les fibres musculaires se forment généralement par fusion de myoblastes précurseurs en fibres multinucléées appelées myotubes . Au début du développement d'un embryon , les myoblastes peuvent soit proliférer, soit se différencier en un myotube. Ce qui contrôle ce choix in vivo n'est généralement pas clair. S'ils sont placés en culture cellulaire, la plupart des myoblastes proliféreront si suffisamment de facteur de croissance des fibroblastes (FGF) ou un autre facteur de croissance est présent dans le milieu entourant les cellules. Lorsque le facteur de croissance s'épuise, les myoblastes cessent de se diviser et subissent une différenciation terminale en myotubes. La différenciation des myoblastes se déroule par étapes. La première étape, implique la sortie du cycle cellulaire et le début de l'expression de certains gènes.
La deuxième étape de différenciation implique l'alignement des myoblastes les uns avec les autres. Des études ont montré que même les myoblastes de rat et de poussin peuvent se reconnaître et s'aligner les uns sur les autres, suggérant une conservation évolutive des mécanismes impliqués.
La troisième étape est la fusion cellulaire proprement dite . A ce stade, la présence d' ions calcium est critique. La fusion chez l'homme est facilitée par un ensemble de métalloprotéinases codées par le gène ADAM12 et une variété d'autres protéines. La fusion implique le recrutement d' actine à la membrane plasmique , suivi d'une apposition étroite et de la création d'un pore qui s'élargit ensuite rapidement.
De nouveaux gènes et leurs produits protéiques qui sont exprimés au cours du processus font l'objet d'une recherche active dans de nombreux laboratoires. Ils incluent:
- Facteurs d'amplification des myocytes (MEF), qui favorisent la myogenèse.
- Le facteur de réponse sérique (SRF) joue un rôle central au cours de la myogenèse, étant requis pour l'expression des gènes striés de l'alpha-actine. L'expression de l' alpha-actine squelettique est également régulée par le récepteur aux androgènes ; les stéroïdes peuvent ainsi réguler la myogenèse.
- Facteurs régulateurs myogéniques (MRF) : MyoD, Myf5, Myf6 et Myogenin.
Aperçu
Il existe un certain nombre d'étapes (énumérées ci-dessous) du développement musculaire, ou myogenèse. Chaque étape a divers facteurs génétiques associés dont l'absence entraînera des défauts musculaires.
Étapes
| Étape | Facteurs génétiques associés |
|---|---|
| Délaminage | PAX3 , c-Met |
| Migration | c-met/ HGF , LBX1 |
| Prolifération | PAX3, c-Met, Mox2, MSX1 , Six1/4, Myf5 , MyoD |
| Détermination | Myf5 et MyoD |
| Différenciation | Myogénine , MCF2 , Six1/4, MyoD, Myf6 |
| Formation musculaire spécifique | Lbx1, Meox2 |
| Cellules satellites | PAX7 |
Délaminage
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Facteurs génétiques associés : PAX3 et c-Met
Des mutations dans PAX3 peuvent entraîner un échec de l'expression de c-Met. Une telle mutation entraînerait une absence de migration latérale.
PAX3 médie la transcription de c-Met et est responsable de l'activation de l'expression de MyoD - l'une des fonctions de MyoD est de promouvoir la capacité de régénération des cellules satellites (décrite ci-dessous). PAX3 est généralement exprimé à ses niveaux les plus élevés au cours du développement embryonnaire et est exprimé à un degré moindre au cours des stades fœtaux ; il est exprimé dans les cellules hypaxiales en migration et les cellules dermomyotomes, mais n'est pas du tout exprimé lors du développement du muscle facial . Les mutations de Pax3 peuvent entraîner diverses complications, notamment les syndromes de Waardenburg I et III ainsi que le syndrome de surdité craniofaciale-main . Le syndrome de Waardenburg est le plus souvent associé à des troubles congénitaux impliquant le tractus intestinal et la colonne vertébrale, une élévation de l'omoplate, entre autres symptômes. Chaque étape a divers facteurs génétiques associés sans lesquels se traduira par des défauts musculaires.
Migration
Facteurs génétiques associés : c-Met / HGF et LBX1
Des mutations de ces facteurs génétiques entraînent une absence de migration.
LBX1 est responsable du développement et de l'organisation des muscles du membre antérieur dorsal ainsi que du mouvement des muscles dorsaux dans le membre après la délamination . Sans LBX1, les muscles des membres ne se formeront pas correctement ; des études ont montré que les muscles des membres postérieurs sont gravement affectés par cette suppression alors que seuls les muscles fléchisseurs se forment dans les muscles des membres antérieurs à la suite de la migration des muscles ventraux.
c-Met est un récepteur de tyrosine kinase nécessaire à la survie et à la prolifération des myoblastes en migration. Un manque de c-Met perturbe la myogenèse secondaire et, comme dans LBX1, empêche la formation de la musculature des membres. Il est clair que c-Met joue un rôle important dans le délaminage et la prolifération en plus de la migration. PAX3 est nécessaire pour la transcription de c-Met.
Prolifération
Facteurs génétiques associés : PAX3 , c-Met , Mox2 , MSX1 , Six, Myf5 et MyoD
Mox2 (également appelé MEOX-2) joue un rôle important dans l'induction du mésoderme et la spécification régionale . L'altération de la fonction de Mox2 empêchera la prolifération des précurseurs myogéniques et provoquera une structuration anormale des muscles des membres. Plus précisément, des études ont montré que la taille des membres postérieurs est considérablement réduite, tandis que des muscles spécifiques des membres antérieurs ne se forment pas.
Myf5 est nécessaire pour une bonne prolifération des myoblastes. Des études ont montré que le développement musculaire des souris dans les régions intercostales et paraspinales peut être retardé en inactivant Myf-5. Myf5 est considéré comme le premier gène de facteur régulateur exprimé dans la myogenèse. Si Myf-5 et MyoD sont tous deux inactivés, il y aura une absence totale de muscle squelettique. Ces conséquences révèlent en outre la complexité de la myogenèse et l'importance de chaque facteur génétique dans le bon développement musculaire.
Détermination
Facteurs génétiques associés : Myf5 et MyoD
L'une des étapes les plus importantes de la détermination de la myogenèse nécessite que Myf5 et MyoD fonctionnent correctement pour que les cellules myogéniques progressent normalement. Des mutations dans l'un ou l'autre des facteurs génétiques associés amèneront les cellules à adopter des phénotypes non musculaires.
Comme indiqué précédemment, la combinaison de Myf5 et MyoD est cruciale pour le succès de la myogenèse. MyoD et Myf5 sont tous deux membres de la famille des facteurs de transcription des protéines myogéniques bHLH (basic helix-loop-helix). Les cellules qui fabriquent des facteurs de transcription bHLH myogéniques (y compris MyoD ou Myf5) sont engagées dans le développement en tant que cellule musculaire. Par conséquent, la suppression simultanée de Myf5 et MyoD entraîne également une absence totale de formation des muscles squelettiques . La recherche a montré que MyoD active directement son propre gène ; cela signifie que la protéine produite se lie au gène myoD et poursuit un cycle de production de protéine MyoD. Pendant ce temps, l'expression Myf5 est régulée par Sonic hedgehog , Wnt1 et MyoD lui-même. En notant le rôle de MyoD dans la régulation de Myf5, l'interdépendance cruciale des deux facteurs génétiques devient claire.
Différenciation
Facteurs génétiques associés : Myogénine , Mcf2 , Six, MyoD et Myf6
Des mutations de ces facteurs génétiques associés empêcheront les myocytes de progresser et de mûrir.
La myogénine (également connue sous le nom de Myf4) est requise pour la fusion des cellules précurseurs myogéniques avec des fibres nouvelles ou déjà existantes. En général, la myogénine est associée à l'amplification de l'expression de gènes déjà exprimés dans l'organisme. La suppression de la myogénine entraîne une perte presque complète des fibres musculaires différenciées et une perte sévère de la masse musculaire squelettique dans la paroi latérale/ventrale du corps.
Myf-6 (également connu sous le nom de MRF4 ou Herculin) est important pour la différenciation des myotubes et est spécifique au muscle squelettique. Des mutations de Myf-6 peuvent provoquer des troubles tels que la myopathie centronucléaire et la dystrophie musculaire de Becker .
Formation musculaire spécifique
Facteurs génétiques associés : LBX1 et Mox2
Dans la formation musculaire spécifique, les mutations des facteurs génétiques associés commencent à affecter des régions musculaires spécifiques. En raison de sa grande responsabilité dans le mouvement des muscles dorsaux dans le membre après délaminage, la mutation ou la suppression de Lbx1 entraîne des défauts dans les muscles extenseurs et postérieurs. Comme indiqué dans la section Prolifération, la délétion ou la mutation de Mox2 provoque une structuration anormale des muscles des membres. Les conséquences de cette structuration anormale incluent une réduction sévère de la taille des membres postérieurs et une absence complète des muscles des membres antérieurs.
Cellules satellites
Facteurs génétiques associés : PAX7
Les mutations de Pax7 empêcheront la formation de cellules satellites et, à leur tour, empêcheront la croissance musculaire postnatale.
Les cellules satellites sont décrites comme des myoblastes quiescents et des sarcolemmes des fibres musculaires voisines . Ils sont cruciaux pour la réparation des muscles, mais ont une capacité de réplication très limitée. Activées par des stimuli tels qu'une blessure ou une charge mécanique élevée, les cellules satellites sont nécessaires à la régénération musculaire chez les organismes adultes. De plus, les cellules satellites ont la capacité de se différencier également en os ou en graisse. De cette façon, les cellules satellites jouent un rôle important non seulement dans le développement musculaire, mais aussi dans le maintien des muscles à l'âge adulte.
Muscle squelettique
Au cours de l' embryogenèse , le dermomyotome et/ou le myotome dans les somites contiennent les cellules progénitrices myogéniques qui évolueront vers le muscle squelettique potentiel. La détermination du dermomyotome et du myotome est régulée par un réseau de régulation génique qui comprend un membre de la famille T-box , tbx6, ripply1 et mesp-ba. La myogenèse squelettique dépend de la régulation stricte de divers sous-ensembles de gènes afin de différencier les progéniteurs myogéniques en myofibres. Les facteurs de transcription basiques hélice-boucle-hélice (bHLH), MyoD, Myf5, myogénine et MRF4 sont essentiels à sa formation. MyoD et Myf5 permettent la différenciation des progéniteurs myogéniques en myoblastes, suivis de la myogénine, qui différencie le myoblaste en myotubes. MRF4 est important pour bloquer la transcription des promoteurs spécifiques du muscle, permettant aux progéniteurs des muscles squelettiques de croître et de proliférer avant de se différencier.
Il y a un certain nombre d'événements qui se produisent afin de propulser la spécification des cellules musculaires dans le somite. Pour les régions latérales et médiales du somite, les facteurs paracrines induisent les cellules du myotome à produire la protéine MyoD, les faisant ainsi se développer en tant que cellules musculaires. Un facteur de transcription ( TCF4 ) des fibroblastes du tissu conjonctif est impliqué dans la régulation de la myogenèse. Concrètement, il régule le type de fibre musculaire développée et ses maturations. De faibles niveaux de TCF4 favorisent à la fois une myogenèse lente et rapide, favorisant globalement la maturation du type de fibre musculaire. Cela montre ainsi la relation étroite du muscle avec le tissu conjonctif au cours du développement embryonnaire.
La régulation de la différenciation myogénique est contrôlée par deux voies : la voie phosphatidylinositol 3-kinase /Akt et la voie Notch /Hes, qui fonctionnent de manière collaborative pour supprimer la transcription MyoD. La sous-famille O des protéines forkhead ( FOXO ) joue un rôle essentiel dans la régulation de la différenciation myogénique car elles stabilisent la liaison Notch/Hes. La recherche a montré que le knock-out de FOXO1 chez la souris augmente l'expression de MyoD, modifiant la distribution des fibres à contraction rapide et lente.
Fusion musculaire
Les fibres musculaires primaires proviennent des myoblastes primaires et ont tendance à se développer en fibres musculaires lentes. Les fibres musculaires secondaires se forment alors autour des fibres primaires au moment de l'innervation. Ces fibres musculaires se forment à partir de myoblastes secondaires et se développent généralement sous forme de fibres musculaires rapides. Enfin, les fibres musculaires qui se forment plus tard proviennent de cellules satellites.
Deux gènes importants dans la fusion musculaire sont Mef2 et le facteur de transcription twist . Des études ont montré que les KO pour Mef2C chez la souris entraînent des anomalies musculaires dans le développement des muscles cardiaques et lisses, en particulier lors de la fusion. Le gène twist joue un rôle dans la différenciation musculaire.
Le gène SIX1 joue un rôle essentiel dans la différenciation musculaire hypaxiale dans la myogenèse. Chez les souris dépourvues de ce gène, une hypoplasie musculaire sévère a affecté la plupart des muscles du corps, en particulier les muscles hypaxiaux.
Synthèse des protéines et hétérogénéité de l'actine
Il existe 3 types de protéines produites au cours de la myogenèse. Les protéines de classe A sont les plus abondantes et sont synthétisées en continu tout au long de la myogenèse. Les protéines de classe B sont des protéines initiées au cours de la myogenèse et poursuivies tout au long du développement. Les protéines de classe C sont celles synthétisées à des moments spécifiques au cours du développement. De plus, 3 formes différentes d' actine ont été identifiées au cours de la myogenèse.
Sim2 , un facteur de transcription BHLH-Pas , inhibe la transcription par répression active et affiche une expression accrue dans les masses musculaires des membres ventraux au cours du développement embryonnaire du poulet et de la souris. Il y parvient en réprimant la transcription de MyoD en se liant à la région amplificatrice et en prévenant la myogenèse prématurée.
L' expression de Delta1 dans les cellules de la crête neurale est nécessaire à la différenciation musculaire des somites , via la voie de signalisation Notch . Le gain et la perte de ce ligand dans les cellules de la crête neurale entraînent une myogenèse retardée ou prématurée.
Technique
L'importance de l' épissage alternatif a été élucidée à l'aide d'une analyse par microarray de la différenciation des myoblastes C2C12 . 95 événements d'épissage alternatif se produisent au cours de la différenciation C2C12 dans la myogenèse. Par conséquent, un épissage alternatif est nécessaire dans la myogenèse.
Approche systémique
L'approche systémique est une méthode utilisée pour étudier la myogenèse, qui manipule un certain nombre de techniques différentes telles que les technologies de criblage à haut débit , les analyses cellulaires à l'échelle du génome et la bioinformatique , pour identifier différents facteurs d'un système. Cela a été spécifiquement utilisé dans l'étude du développement du muscle squelettique et l'identification de son réseau de régulation.
L'approche systémique utilisant le séquençage à haut débit et l' analyse des puces ChIP a été essentielle pour élucider les cibles des facteurs de régulation myogéniques tels que MyoD et la myogénine, leurs cibles interdépendantes et comment MyoD agit pour modifier l'épigénome dans les myoblastes et les myotubes. Cela a également révélé l'importance de PAX3 dans la myogenèse, et qu'il assure la survie des progéniteurs myogéniques.
Cette approche, utilisant un test de transfection à haut débit basé sur des cellules et une hybridation in situ sur montage entier , a été utilisée pour identifier le régulateur myogénétique RP58 et le gène de différenciation des tendons, l'homéobox Mohawk.