Telomere integrity in post-mitotic skeletal muscle cells : tissue homeostasis and role of FOXO3a on telomere protection

Description

Among the processes leading to aging, telomere shortening is the only one normally programmed during development in many vertebrates. This is due to the replication problem observed at each round of replication. Telomeres are composed of DNA repeats (T2AG3), a specific protein complex (shelterin), a non-coding RNA (TERRA) and a set of factors having functions in DNA repair and of replication. In humans, the shelterin complex is composed of six proteins including TRF2 (telomere repeat-binding factor 2) which allows the formation of a DNA loop (t-loop), hiding the ends of the DNA from unwanted activation of the DNA damage response (DDR). Since differentiated post-mitotic cells do not divide, the role of telomeres in these cells has long been overlooked. So during my thesis, I was interested in the role of telomeres in differentiated skeletal muscle cells.In the first part of my PhD project, I contributed to a work showing that the expression of TRF2 decreased in human skeletal muscle cells, this decrease starting in young adults. Subsequently, I studied the consequences of inhibiting the expression of the gene encoding TRF2 (TERF2) in differentiated skeletal muscle cells. Contrary to what one might have expected, inhibition of TRF2 does not expose telomeres to a deprotection toward DDR. This is observed in cultured human muscle cells (myotube) and in muscle cells from a mouse model where the TERF2 gene is specifically invalidated in differentiated skeletal muscle cells. Notwithstanding, these TRF2-deprived muscle cells develop a mitochondrial dysfunction phenotype with an increase in oxidative context, which is explained, at least in part, by a role of TRF2 in the expression of the mitochondrial sirtuin SIRT3.In the second part of my PhD work, I studied the mechanisms of telomere protection in myotubes deprived of TRF2. I was able to demonstrate a non-canonical role of the longevity factor FOXO3a in the protection of muscle cell telomeres lacking in TRF2.Finally, in the third part of my PhD work, I characterized the mouse model of inhibition of Terf2 specifically in mature muscle fiber. This inhibition causes, in females, a delay in the aging of skeletal muscle cells associated with a slight increase in muscle strength and a lengthening of their longevity.In summary, my results revealed in differentiated skeletal muscle cells a telomere protection mechanism involving a non-canonical role of FOXO3a, a connection between the shelterin factor TRF2 and the functioning of the mitochondria as well as a paradoxical function of TRF2 in muscle aging and mouse longevity. I discuss these findings by putting them in the context of a development-aging continuum.

Abstract (French)

Parmi les processus conduisant au vieillissement, le raccourcissement des télomères est le seul clairement programmé au cours du développement dans de nombreux vertébrés. Ceci est dû au problème de réplication observé à chaque division cellulaire. Les télomères sont composés par des répétitions d'ADN (T2AG3), d'un complexe de protéines spécifique (shelterin), d'un ARN non-codant (TERRA) et d'un ensemble de facteurs ayant des fonctions dans les mécanismes de réparation et de réplication. Chez l'humain, le complexe shelterin est composé de six protéines dont TRF2 (telomere repeat-binding factor 2) qui permet la formation d'une boucle d'ADN (t-loop), qui cache l'extrémité des chromosomes d'une activation non voulue de la réponse à l'ADN endommagé. Étant donné que les cellules post-mitotiques différentiées ne se divisent pas, le rôle des télomères dans ces cellules a été longtemps négligé. Donc pendant ma thèse, je me suis intéressée au rôle des télomères dans les cellules musculaires squelettiques différentiées.Dans la première partie de mon projet, j'ai contribué à un travail déterminant que l'expression de TRF2 diminue dans le muscle squelettique humain, cette diminution commençant chez le jeune adulte. Par la suite, j'ai étudié les conséquences d'une inhibition de l'expression du gène codant pour TRF2 (TERF2) dans les cellules musculaires squelettiques différentiées. Contrairement à ce que l'on aurait pu s'attendre, l'inhibition de TRF2 n'expose pas les télomères aux facteurs de reconnaissance et de réparation de l'ADN endommagé. Ceci est observé dans des cellules musculaires humaines en cultures (myotube) et dans les cellules musculaires d'un modèle de souris où le gène TERF2 est invalidé spécifiquement dans les cellules musculaires squelettiques différentiées. Nonobstant, ces cellules musculaires privées de TRF2 développent un phénotype de dysfonctionnement mitochondrial avec une augmentation du contexte oxydatif qui s'explique, au moins en partie, par un rôle de TRF2 dans l'expression de la sirtuine mitochondriale SIRT3. Dans la deuxième partie de mon travail de Thèse, j'ai étudié les mécanismes de protection des télomères dans les myotubes privés de TRF2. J'ai pu mettre en évidence un rôle non-canonique du facteur de longévité FOXO3a dans la protection de ces télomères dépourvus de TRF2. Enfin, dans la troisième partie de mes études, j'ai caractérisé le modèle de souris d'inhibition de Terf2 spécifiquement dans la fibre musculaire mature. Cette inhibition entraîne, chez les femelles, un retard dans le vieillissement des cellules musculaires squelettiques associé à une légère augmentation de la force musculaire et un rallongement de leur longévité.En résumé, mes résultats ont révélé dans les cellules musculaires squelettiques différentiées un mécanisme inédit de protection des télomères impliquant un rôle non-canonique de FOXO3a, une connexion entre le facteur shelterin TRF2 et le fonctionnement des mitochondries ainsi qu'une fonction paradoxale deTRF2 dans le vieillissement musculaire et la longévité. Je discute ces résultats dans le contexte d'un continuum développement-vieillissement.

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