Role of ZEB1 in skeletal muscle: Regulation of cell differentiation, response to tissue damage and regeneration

Abstract

ZEB1 is a transcription factor best known for its role in cancer progression and metastasis. It is also expressed during embryonic development of different tissues although its function and mechanism of action have not always been elucidated. In this dissertation I show that ZEB1 is involved in muscle differentiation during embryonic development and it is also required for muscle response after injury and regeneration.

We found that, in the nucleus of myoblasts, ZEB1 represses muscle differentiation genes through direct binding to G/C-centered E-boxes present in the regulatory regions of muscle differentiation genes. Albeit to different degrees depending on the target gene, transcriptional repression of these genes by ZEB1 is mediated by its recruitment of the corepressor CtBP. Binding of ZEB1 to E-boxes in differentiation genes displaces MyoD and prevents their transcriptional activation during the myoblast stage. As myoblasts fuse, MyoD displaces ZEB1 from its DNA binding sites and differentiation proceeds. Knockdown of Zeb1 induces muscle differentiation genes, thus accelerating the formation of myotubes.

Muscle regeneration after damage depends on a timely regulated transition from pro- to anti-inflammatory signals. Injury of Zeb1-deficient mice results in increased recruitment of inflammatory macrophages and expression of pro-inflammatory cytokines, which delays the regenerative process. Adult muscle regeneration relies on a pool of functional SCs and we show that Zeb1-deficient SCs undergo premature activation after isolation and culture by downregulating Pax7 and quiescence-associated genes (Foxo3, Hes genes) and upregulating Myod1. Moreover, its regenerative potential when transplanted into mdx hosts is reduced compared to wild-type SCs and exhibit increased senescence in culture.

These results establish ZEB1 as an important potential regulator of muscle differentiation and regeneration by modulating inflammatory response and SC myogenic progression in response to injury. They also set ZEB1 as a potential therapeutic target in muscle dystrophies or following muscle insult.

ZEB1 és un factor de transcripció conegut pel seu paper en progressió tumoral i metàstasi. També s’expressa durant el desenvolupament embrionari de diferents teixits tot i que la seva funció i mecanisme d’acció encara no han estat establerts. En aquesta tesi mostro que ZEB1 està implicat en la diferenciació muscular durant el desenvolupament embrionari i que es necessari en la resposta al dany i regeneració muscular.

Hem trobat que, en els nuclis dels mioblasts, ZEB1 reprimeix gens de diferenciació muscular per unió directa a seqüències “E-box” amb nucleòtids G/C en posició central en les seves regions reguladores. Encara que en diferents graus, depenent del gen diana, la repressió exercida per ZEB1 es fa mitjançant el reclutament del seu corepressor CtBP. La unió de ZEB1 a aquestes “E-boxes” desplaça MyoD evitant la seva activació transcripcional. Un cop els mioblasts es fusionen, MyoD desplaça ZEB1 de la seva unió a l’ADN donant lloc al procés de diferenciació. D’aquesta manera, la inhibició de Zeb1 indueix els gens de diferenciació muscular accelerant la formació de miotubs.

La regeneració desprès del dany muscular depèn de la transició de senyals proinflamatoris a antiinflamatoris. La lesió muscular de ratolins deficients per Zeb1 produeix un elevat nombre de macròfags inflamatoris i l’expressió de citocines pro-inflamatories que retarden el procés regeneratiu. La regeneració del teixit muscular adult requereix la participació d’una població de cèl·lules satèl·lit funcionals. Els nostres resultats demostren que les cèl·lules satèl·lit deficients per Zeb1 s’activen precoçment un cop aïllades i posades en cultiu. Aquesta activació succeeix per la inhibició de Pax7 i de gens associats a la quiescència d’aquestes cèl·lules (Foxo3, Hes) i la activació de Myod1. A més a més, presenten una més alta senescència i la seva capacitat regenerativa és reduïda quan es trasplanten en ratolins mdx en comparació a les wild-type.

Aquests resultats situen ZEB1 com un important regulador de la diferenciació i la regeneració muscular per modulació de la resposta inflamatòria i de la progressió de les cèl·lules satèl·lit en la resposta al dany muscular. També suggereixen ZEB1 com una potencial diana terapèutica en distròfies musculars o en resposta a la lesió del múscul esquelètic.