Photo : myotube formé in vitro après 5 jours de différenciation (microtubules en vert, noyaux en rouge) (© V. Gache, UMR S 787 Inserm).

Maturation des fibres du muscle squelettique et positionnement des noyaux

Les fibres des muscles squelettiques sont les principales cellules des vertébrés spécialisées dans la contraction, et sont responsables de tous les mouvements volontaires de l’organisme. Chaque fibre composant le muscle squelettique est un syncytium issu de la fusion de nombreuses cellules spécialisées : les myoblastes. Ces cellules, dont le potentiel prolifératif est élevé, ont la capacité de sortir du cycle cellulaire au début de la différenciation en exprimant de manière coordonnée les protéines spécifiques du muscle. Les myoblastes deviennent alors des myocytes, cellules spécialisées ayant acquis la particularité de pouvoir fusionner entre elles et de conduire à la formation de myotubes contenant plusieurs noyaux. Ces myotubes sont caractérisés par un positionnement central des noyaux qu’ils contiennent. Au cours de la maturation des myotubes, des unités contractiles appelées sarcomères vont se former par l’association précise de réseaux d’actines et de moteurs moléculaires, les myosines, permettant la contraction des fibres musculaires. Ces myotubes matures deviennent des myofibres et localisent les noyaux à la périphérie, près de la membrane. Ces myofibres sont les briques élémentaires du muscle [1, 2].

In vivo, tandis que dans les fibres matures les noyaux se localisent à la périphérie, ils sont alignés au centre de la fibre régénérée (Figure 1A, B) [3]. Afin d’étudier ce phénomène, nous avons reproduit en laboratoire les premières étapes de la formation des fibres musculaires, et nous avons suivi les déplacements des noyaux au cours du temps. Nous avons pu observer qu’à la suite de la fusion d’un myocyte avec un myotube, le noyau du myocyte migre rapidement vers le centre du myotube. Par la suite, ces noyaux s’alignent le long du syncytium (Figure 1C). Ces observations nous ont conduits à identifier différentes étapes dans le positionnement des noyaux lors de la formation et la maturation des fibres musculaires (Figure 1D). La mauvaise localisation des noyaux dans les fibres est une caractéristique majeure de nombreuses maladies musculaires, et plus particulièrement des myopathies centronucléaires [4, 5].

Figure 1. Positionnement des noyaux dans les fibres musculaires. A, B. Muscles et noyaux in vivo : exemple d’une coupe transversale d’un muscle sain (A) ou d’un muscle en régénération (B) . Les noyaux apparaissent en bleu. Le contour des fibres apparaît en rouge grâce à un marquage par anticorps fluorescent dirigé contre la laminine. C. Alignement des noyaux dans des myotubes formés in vitro : photographies en contraste de phase tirées d’une vidéo focalisée sur un myotube (haut ; les nombres indiquent le temps en min) et schémas du positionnement des noyaux dans les myotubes (bas). D. Prédiction des différentes localisations des noyaux au cours de la maturation de la fibre musculaire.

MAP7 et Kif5B sont responsables de l’alignement des noyaux dans les fibres musculaires

Afin de déterminer les mécanismes responsables du positionnement des noyaux dans les muscles, nous avons criblé, chez des embryons de drosophiles, des mutations entraînant un changement de localisation des noyaux dans les fibres musculaires. Une mutation affectant le gène Ensconsin est responsable d’un changement de localisation des noyaux dans les muscles des larves de drosophiles, mais n’affecte pas l’élongation ou l’attachement du muscle [6]. L’inhibition de l’expression du gène MTAP7 (microtubule associated protein 7, l’homologue du gène Ensconsin chez les mammifères) codant pour la protéine MAP7 [7] conduit à l’agrégation des noyaux au centre des myotubes formés in vitro à partir de cellules de souris spécialisées. Ces résultats montrent une conservation du rôle de la protéine MAP7/Ensconsin dans le positionnement des noyaux dans les fibres musculaire à la fois chez les insectes (drosophile) et chez les mammifères (souris).

Pour identifier des partenaires de la protéine MAP7/Ensconsin ayant un effet similaire, nous avons ensuite réalisé un criblage double hybride chez la levure. Ce dernier a révélé la possible interaction de MAP7 avec la kinesin family member 5B (Kif5b ou Khc) [8]. Ces deux protéines étaient déjà suspectées d’interagir pour se lier aux microtubules dans un système in vitro [9]. L’absence de cette kinésine in vivo dans les muscles de larves de drosophiles, ou in vitro dans les myotubes formés à partir de cellules de souris, entraîne l’agrégation des noyaux de la même manière qu’en l’absence de MAP/Ensconsin. L’interaction de ces deux protéines a été démontrée in vitro dans des expériences d’immunoprécipitation. Le rôle de cette interaction dans la localisation des noyaux dans les fibres a été confirmé par l’expression d’une protéine chimérique, qui mime l’interaction des deux protéines et est capable de réaligner les noyaux dans les fibres musculaires en l’absence de MAP7 dans les muscles formés in vitro [6]. Ces résultats ont permis d’élaborer un modèle dans lequel l’interaction de MAP7 avec Kif5b permet de stabiliser les microtubules émanant de la membrane des noyaux des fibres musculaires de façon antiparallèle [10], et de permettre ainsi l’alignement et l’espacement des noyaux dans les fibres (Figure 2).

Figure 2. Modèle de l’alignement des noyaux. Dans un myotube contenant plusieurs noyaux (N), les microtubules émanant des différents noyaux forment des réseaux antiparallèles reliés entre eux par le complexe MAP7/Kif5b. D’un côté, MAP7 se lie à un microtubule (MT) et Kif5b se lie à un autre microtubule de manière antiparallèle. Au contraire de MAP7, Kif5b a la possibilité de se déplacer vers l’extrémité des microtubules établissant ainsi un jeu de forces entre différentes paires de microtubules antiparallèles. Ce jeu de forces est impliqué dans l’espacement et l’alignement des noyaux dans les myotubes.

Implication physiologique du positionnement des noyaux dans les muscles

L’impact du mauvais positionnement des noyaux dans les fibres musculaires sur leur efficacité a été analysé in vivo chez la larve de drosophile en testant sa motilité. Ces expériences ont montré une baisse significative de la motilité des larves exprimant une forme mutée de la protéine MAP7/Ensconsin par rapport aux larves contrôles. Dans ces larves, seule la localisation des noyaux dans les muscles est affectée, suggérant une importante corrélation entre positionnements aberrants des noyaux dans les muscles et réduction de l’efficacité de la fonction musculaire [6].

Applications thérapeutiques

Les patients atteints de maladies musculaires, telles que les myopathies centronucléaires, ont des difficultés motrices. Dans ces pathologies, un mauvais positionnement des noyaux dans les fibres musculaires est observé. Il n’est pas encore clair si les défauts de localisation des noyaux dans les fibres sont une cause de la faiblesse musculaire ou le résultat d’un dysfonctionnement des fibres. Toutefois, nos résultats montrent une corrélation entre le bon positionnement des noyaux dans les fibres et la fonction des muscles. Nous suggérons qu’une correction des défauts de positionnement des noyaux musculaires chez des patients atteints de myopathies pourrait entraîner une amélioration de leur fonction musculaire. ◊

Liens d’Intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Références

© 2012 médecine/sciences – Inserm / SRMS

Liste des figures

Figure 1. Positionnement des noyaux dans les fibres musculaires. A, B. Muscles et noyaux in vivo : exemple d’une coupe transversale d’un muscle sain (A) ou d’un muscle en régénération (B) . Les noyaux apparaissent en bleu. Le contour des fibres apparaît en rouge grâce à un marquage par anticorps fluorescent dirigé contre la laminine. C. Alignement des noyaux dans des myotubes formés in vitro : photographies en contraste de phase tirées d’une vidéo focalisée sur un myotube (haut ; les nombres indiquent le temps en min) et schémas du positionnement des noyaux dans les myotubes (bas). D. Prédiction des différentes localisations des noyaux au cours de la maturation de la fibre musculaire.

Dans le texte

Figure 2. Modèle de l’alignement des noyaux. Dans un myotube contenant plusieurs noyaux (N), les microtubules émanant des différents noyaux forment des réseaux antiparallèles reliés entre eux par le complexe MAP7/Kif5b. D’un côté, MAP7 se lie à un microtubule (MT) et Kif5b se lie à un autre microtubule de manière antiparallèle. Au contraire de MAP7, Kif5b a la possibilité de se déplacer vers l’extrémité des microtubules établissant ainsi un jeu de forces entre différentes paires de microtubules antiparallèles. Ce jeu de forces est impliqué dans l’espacement et l’alignement des noyaux dans les myotubes.

Dans le texte