Direct activation of endogenous Calcineurin A : biological impact of selective peptide aptamers

• Main Author: Dibenedetto, Silvia
• Other Authors: Lyon, École normale supérieure
• Language: en
• Published: 2011
• Subjects: Calcineurine; Aptamère peptidique; Atrophie musculaire; Thérapeutique; Peptide aptamer; Muscle atrophy; Calcineurin; Therapy; Regeneration; Aptamero peptidico; Atrofia muscolare; Calcineurina; Terapia
• Online Access: http://www.theses.fr/2011ENSL0691/document

Des approches thérapeutiques visant à la stimulation de la régénération et/ou à l’inhibition des processus de dégénérescence neuromusculaire pourraient constituer des stratégies efficaces pour préserver le tonus musculaire des patients et augmenter ainsi leur espérance de vie. L’activation de la Calcineurine A (CnA), une phosphatase des sérines et thréonines, contrôle une large gamme de réseaux régulateurs dans le muscle squelettique, notamment en stimulant l’expression de gènes spécifiques des fibres musculaires lentes (de type I). La CnA est considérée comme un acteur clé de la réponse hypertrophique et du processus de régénération dans le muscle squelettique. L’activation de la CnA est ainsi considérée comme une stratégie potentielle pour stimuler la régénération musculaire dans les cas de myopathie. Nous avons identifié un aptamère peptidique qui active la CNA in vitro et in vivo. Dans un modèle murin d’atrophie musculaire induite par dénervation, l’aptamère a montré de significatives capacités thérapeutiques. L’effet curatif de l’aptamère a notamment été observable par une augmentation générale de la surface des muscles traités, mais aussi par un accroissement de la surface individuelle des fibres musculaires.Une augmentation du niveau de NFAT nucléaire dans ces fibres a été observée, en cohérence avec les capacités d’activation de la CnA par notre aptamère. Par ailleurs, une autre observation faite dans les muscles traités avec l’aptamère a été l’augmentation de noyaux centraux, caractéristiques de la présence de nouvelles fibres. Finalement, l’identification du site d’interaction entre la CnA et notre aptamère, permise par l’utilisation de plusieurs formes tronquées de la phosphatase, a offert un aperçu du mécanisme d’action de l’aptamère à l’échelle moléculaire. Dans l’ensemble, les études présentées ici ont offert la première démonstration qu’une activation directe de la CnA endogène a un impact significatif sur les processus cellulaires, résultant en la stimulation de la régénération musculaire et l’amélioration de l’état physiopathologique chez les modèles animaux utilisés. === Therapeutic approaches leading to the stimulation of regeneration, and/or inhibition of degeneration processes in neuromuscular disorders are believed to offer valid therapeutic strategies that would preserve muscle tone and contribute to the quality of life while lengthening patient life span. Activation of CalcineurinA (CnA), a threonine-serine phosphatase, controls gene regulatory programs in skeletal muscle by stimulating slow muscle fiber (type I) gene expression. This phosphatase has been also identified as a key mediator in the hypertrophic response and in skeletal muscle regeneration. Activation of CnA is, therefore, considered as a potentially interesting means of stimulating muscle regeneration in myopathies. We have identified a peptide aptamer that activates CnA in vitro, in cells and in vivo. In a mouse model for denervation-induced muscle atrophy, CnA-activating peptide aptamers show significant positive impact. This is reflected in larger overall muscle cross-sectional surface area due to an increased number of fibers and larger individual fiber surface area. Insight into the biological mechanism is afforded by observation of increased levels of nuclear NFAT transcription factor in these fibers, in agreement with peptide aptamer-mediated activation of CnA. Furthermore, a significant increase in central nuclei, characteristic of the presence of new fibers, is observed in muscles treated with the peptide aptamers specifically activating CnA. Identification of the specific binding site of the peptide aptamer on CnA was achieved using several truncations of the phosphatase, offering insight into the molecular mechanism of action. Together, these studies offer the first proof that direct activation of endogenous CnA has a measureable impact on cellular responses resulting in stimulation of muscle regeneration and enhancement of pathophysiological state in selected animal models. === Specifici approcci terapeutici diretti alla stimolazione della rigenerazione e/o dell’inibizione dei processi degenerativi in patologie neuromuscolari, sono considerati come strategie efficaci per preservare il tono muscolare e aumentare in questo modo la speranza di vita dei pazienti. L’attivazione della Calcineurin A (CnA), una treonina/serina fosfatasi, controlla una vasta gamma di vie di trasduzione nel muscolo scheletrico, stimolando in particolare l’espressione dei geni specifici delle fibre muscolari lente (tipo 1). La Cna rappresenta un elemento chiave nella risposta ipertrofica e nel processo di rigenerazione muscolare. Per questo motivo, l’attivazione della CnA é considerata come un’approccio terapeutico interessante per stimolare la rigenerazione muscolare nelle miopatie. Nel nostro laboratorio, abbiamo identificato un aptamero peptidico che attiva la CnA sia in vitro che in vivo. In un modello murino di atrofia muscolare indotta tramite denervazione, l’aptamero petidico risulta avere delle significative potenzialità terapeutiche. Tale effetto si riflette in un aumento della superficie totale delle sezioni trasversali dei muscoli trattati, dovuto all’aumento sia del numero delle fibre che alla loro superficie individuale. L’effetto dell’aptamero peptidico sull’attivazione della CnA , nelle fibre trattate in vivo é dimostrata dall’osservazione della localizzazione prevalentemente nucleare del fattore di trascrizione NFAT, principale substrato della CnA. Un notevole aumento di nuclei centrali, caratteristica principale del processo di rigenerazione muscolare, é inoltre osservato in queste fibre. L’identificazione del sito d’interazione dell’aptamero peptidico e la proteina tramite l’utilizzo di vari costrutti della CnA ha permesso di avanzare delle ipotesi sul meccanismo d’azione dell’aptamero a livello molecolare. In conclusione, gli studi esposti in questa tesi rappresentano la prima dimostrazione che la diretta attivazione della CnA endogena ha un notevole effetto sulla stimolazione della rigenerazione muscolare e porta al miglioramento dello stato fisio-patologico nei modelli murini utilizzati.