Atrogin-1/MAFbx regulation by IGF-I in muscle atrophy

Les états cataboliques induisent une perte de masse musculaire caractérisée par une élévation de la dégradation des protéines myofibrillaires. Cette dégradation est largement due à l’activation du système ubiquitine-protéasome. Dans la plupart de ces situations, Atrogin -1/MAFbx, une ubiquitine ligase, est induite, alors que les niveaux circulant d’IGF-I, une hormone anti-protéolytique, sont réduit.
Le but de ce travail fut d’investiguer les mécanismes par lesquels l’IGF-I exerce son action anti-protéolytique. Plus spécifiquement, l’hypothèse générale de ce travail était que l’action anti-protéolytique de l’IGF-I sur le muscle squelettique soit associée à une inhibition du système ubitiquine-protéasome, en particulier de Atrogin-1/MAFbx.
Dans un premier temps, nous avons étudié la régulation de Atrogin-1/MAFbx dans le jeûne, le diabète et le spesis. Dans le jeûne et le diabète, l’administration d’IGF-I prévient partiellement l’induction de Atrogin-1/MAFbx suggérant le rôle de la diminution des taux circulant d’IGF-I dans l’expression de cette enzyme au cours de ces situations. Néanmoins, la correction partielle de cette enzyme ne fut pas associée à une importante protection contre la perte de masse musculaire. Dans le sepsis, l’expression de Atrogin-1/MAFbx fut également fortement induite mais contrairement au jeûne et ai diabète, son expression ne fut pas corrigée par l’administration d’IGF-I soulignant des différences fondamentales entre les mécanismes conduisant à l’activation de ce gène dans différentes situations cataboliques. De plus, nous avons montré sur des myotubes que l’IGF-I inhibe de façon directe l’expression de Atrogin-1/MAFbx. Le taux de dégradation de cet ARNm ne fut pas affecté par l’IGF-I suggérant une régulation de type transcriptionnelle.
Les glucocorticoïdes jouent un rôle majeur dans l’atrophie musculaire observée dans de nombreuses situations cataboliques. Nous avons dès lors investigué dans un modèle de myotubes en culture, si les glucocorticoïdes exercent leur action de manière directe sur l’expression de Atrogin-1/MAFbx. L’’exposition des myotubes à la dexaméthasone induit une atrophie des cellules associée à une augmentation de l’expression de Atrogin-1/MAFbx. Même en présence de dexaméthasone, l’IGF-I conserve son effet inhibiteur sur l’expression de Atrogin-1/MAFbx. Cet effet inhibiteur de l’IGF-I sur l’expression de Atrogin-1/MAFbx induite par les glucocorticoïde, fut associé à une réduction de l’atrophie des myotubes induite par la dexaméthasone, suggérant le rôle de Atrogin-1/MAFbx dans ce modèle d’atrophie.
Les cytokines pro-inflammatoires sont également impliquées dans l’atrophie musculaire. TNF-α/IFNγ induisent l’atrophie des mytoubes parallèlement à l’induction de Atrogin-1/MAFbx. Cette atrophie est accompagnée d’une réduction du contenu en chaînes lourdes de la myosine (CLM) et de MyoD, un facteur de transcription impliqué dans la synthèse des CLM. Malgré la présence de TNF-α/IFNγ, l’IGF-I conserve son potentiel à activer Akt et à inactiver Foxo induisant l’inhibition de Atrogin-1/MAFbx. Cependant, malgré l’inhibition de Atrogin-1/MAFbx médiée par la voie Akt-Foxo, l’IGF-I ne peut inhiber la réduction de MyoD et des CLM. Par conséquent, l’IGF-I ne prévient pas l’atrophie des myotubes induite par TNF-α/IFNγ.
En conclusion, nos observations montrent que l’inhibition de Atrogin-1/MAFbx par l’IGF-I n’est pas suffisante pour prévenir l’atrophie musculaire induite par les cytokines. En revancher, dans l’atrophie induite par les glucocorticoïdes, le rôle de la diminution de Atrogin-1/MAFbx dans l’action anti-atrophique de l’IGF-I a été établi. La caractérisation d’autres mécanismes responsables de l’action anti-atrophique de l’IGF-I sont nécessaires avant sa potentielle utilisation à des fins thérapeutiques

Catabolic states are characterized by an increase in myofibrillar protein breakdown leading to muscle loss. This degradation is mainly due to the ubiquitin-proteasome pathway. In most of these situations, muscle expression of Atrogin-1/MAFbx, an E3 ubiquitin-ligase, is increased while circulating levels of IGF-I, a well characterized anti-proteolytic hormone, are reduced. The aim of this work was to investigate the mechanisms by which IGF-I exerts its anti-proteolytic action. More specifically, the general hypothesis of this work was that the anti-atrophic action of IGF-I on skeletal muscle is mediated through inhibition of the ubiquitin-proteasome system, in particular, Atrogin-1/MAFbx. In the first part of this work, we studied the regulation of Atrogin-1/MAFbx by IGF-I in several models of muscle atrophy, such as fasting, diabetes and sepsis. In fasting and diabetes, IGF-I administration partially prevented the induction of muscle Atrogin-1/MAFbx gene expression, suggesting the role of decreased circulating IGF-I in the induction of Atrogin-1/MAFbx in these situations. However, the partial correction of Atrogin-1/MAFbx by IGF-I in fasting and diabetes was not associated with a significant protection against the muscle atrophy. In sepsis, Atrogin-1/MAFbx expression was also strongly stimulated, but, in contrast with fasting and diabetes, its induction was not prevented by IGF-I administration, underlying basic differences between the mechanisms triggering Atrogin-1/MAFbx in catabolic conditions. Furthermore, in an in vitro model of myotubes, we showed that IGF-I inhibits directly Atrogin-1/MAFbx expression. The degradation rate of Atrogin-1/MAFbx mRNA was unaffected by IGF-I suggesting that its inhibitory effect on Atrogin-1/MAFbx gene expression results from gene transcription down regulation. Increased glucocorticoids production plays a major role in muscle atrophy observed in many catabolic states. We therefore investigated in a model of muscle cell culture whether glucocorticoids could directly stimulate Atrogin-1/MAFbx expression. Dexamethasone caused myotube atrophy together with increased Atrogin-1/MAFbx mRNA. Even in the presence of dexamethasone, IGF-I retained its full inhibitory effect on Atrogin-1/MAFbx mRNA levels. This inhibitory effect of IGF-I on Atrogin-1/MAFbx gene expression induced by dexamethasone was associated with a reduction of myotubes atrophy caused by dexamethasone, suggesting the role of Atrogin-1/MAFbx in this model of atrophy. Pro-inflammatory cytokines are also involved in muscle atrophy. Indeed, TNF-alpha/IFN-gamma caused myotubes atrophy together with increased Atrogin-1/MAFbx. This atrophy was accompanied by a reduction in myosin heavy chains (MHC) and in MyoD, a transcription factor triggering MHC gene expression. Despite the presence of TNF-alpha/IFN-gamma, IGF-I retained its ability to activate Akt and inactivate Foxo3a, leading to the inhibition of Atrogin-1/MAFbx. Despite this Atrogin-1/MAFbx inhibition, IGF-I failed to blunt the reduction in MyoD and in MHC induced by TNF-alpha/IFN-gamma. Thus, IGF-I did not reverse the muscle atrophy induced by TNF-alpha/IFN-gamma despite intact inhibition of Atrogin-1/MAFbx through the Akt-Foxo pathway. In conclusion, although Atrogin-1/MAFbx gene is a newly established target of IGF-I, our results show that the inhibition of this enzyme by IGF-I is not sufficient to prevent muscle atrophy caused by cytokines. In glucocorticoid-driven atrophy, the role of the Atrogin-1/MAFbx down regulation in the anti-atrophic effect of IGF-I has still to be established. Further characterization of the mechanisms responsible for the anti-atrophic action of IGF-I is mandatory before considering its potential therapeutic use.