Regulation of skeletal muscle atrophy by the ZEB1 transcription factor

Abstract

Muscle atrophy, which is characterized by excessive protein catabolism, is one of the major adaptive processes that occur in several physiopathological and clinical conditions, to counteract stressing stimuli. Skeletal muscle atrophy is triggered by the induction of a group of proteins (atrogenes) that includes components of the ubiquitin–proteasome and autophagy-lysosomal systems. Atrogenes are induced by FOXO transcription factors, but their regulation had not been fully dissected. In this dissertation, it has been studied the role of the transcription factor ZEB1, best known for promoting tumor progression, in muscle atrophy induced by disuse and fasting. It was found that, in both conditions, ZEB1 inhibited muscle atrophy, but through different mechanisms. In disuse-induced atrophy, ZEB1 antagonized FOXO3- mediated induction of atrogenes, while during fasting ZEB1 promoted the expression of NRF1 and NRF2, two important mitochondrial and oxidative stress regulatory genes. During hindlimb immobilization, global Zeb1 heterozygous deletion results in enhanced muscle atrophy and higher expression of a number of atrogenes, including Atrogin-1/Fbxo32 and MuRF1/Trim63. Mechanistically, ZEB1 directly represses in vitro and in vivo Fbxo32 and Trim63 promoter transcription in a stage-dependent manner and in a reverse pattern with MYOD1. ZEB1 binds to the Fbxo32 promoter in undifferentiated myoblasts and atrophic myotubes, but not in non-atrophic myotubes, where it is displaced by MYOD1. ZEB1 represses both promoters through CtBP- mediated inhibition of FOXO3 transcriptional activity. Using a conditional muscle-specific Zeb1 knockout mouse model, it was found that ZEB1 promoted the formation of oxidative slow-type I fibers, through the induction of MEF2C and PGC1ß. During fasting-induced muscle atrophy, the specific knock out of Zeb1 in myofibers induced higher muscle atrophy (Zeb1 KO muscles have an increased number of fibers with lower CSA), lower mitochondrial respiration, due to mitochondrial complex III dysfunction, and higher ROS production. ZEB1 directly binds to Nrf1 and Nrf2 promoters, two key regulatory genes of mitochondrial biogenesis and oxidative stress. Altogether, these results set ZEB1 as a key driver of muscle atrophy, highlighting its importance as a possible new target in therapeutic approaches to clinical conditions causing muscle mass loss.

La atrofia muscular, patología caracterizada por una progresiva pérdida de masa muscular, representa uno de los mayores procesos adaptativos a numerosas afecciones fisiopatológicas y clínicas, como el desuso, el cáncer y el ayuno. Estos procesos desencadenan la atrofia del músculo esquelético a través de la inducción de un grupo de proteínas, denominadas atrogenes, que incluyen componentes de los sistemas de degradación autofágico y del complejo proteasoma. Los atrogenes están inducidos por factores de transcripción FOXO, pero su regulación aún no se conoce completamente. En esta tesis se ha estudiado el papel del factor de transcripción ZEB1, mejor conocido por promover la progresión tumoral, en la atrofia muscular inducida por el desuso y el ayuno. En ambas condiciones, ZEB1 inhibe la atrofia muscular pero lo hace a través de diferentes mecanismos. En la atrofia inducida por el desuso, ZEB1 antagoniza la inducción de los atrogenes mediada por FOXO3, mientras que durante el ayuno ZEB1 promueve la expresión de NRF1 y NRF2, dos genes reguladores de la actividad mitocondrial y de la respuesta a estrés oxidativo. La inmovilización de una de las extremidades posteriores en ratones heterocigóticos para ZEB1, desencadena una mayor atrofia muscular y un aumento de la expresión de varios atrogenes, incluidos Atrogin1/Fbxo32 y MuRF1/Trim63. A nivel mecanístico, ZEB1 se une y reprime la transcripción de los genes Fbxo32 y Trim63 in vitro e in vivo de manera dependiente del estado del músculo y con un patrón inverso a MYOD1 (un factor importante en la transcripción muscular). De ésta manera, ZEB1 se une al promotor Fbxo32 en mioblastos indiferenciados y miotubos atróficos, pero no en miotubos no atróficos, donde MYOD1 lo desplaza. Además, ZEB1 reprime los promotores de Fbxo32 y Trim63 a través de la inhibición, mediada por el co-factor CtBP, de la actividad transcripcional de FOXO3. Por otro lado, en un modelo de ratón knock out (KO) para ZEB1 específico de músculo, ZEB1 promueve la formación de más fibras oxidativas de tipo I, a través de la inducción de MEF2C y PGC1ß, que son factores necesarios para la formación de fibras de tipo I y IIx, respectivamente. Durante la atrofia muscular inducida por el ayuno, la ausencia específica de Zeb1 en las miofibras induce una mayor atrofia muscular (los músculos Zeb1 KO tienen un mayor número de fibras con menor diámetro), una respiración mitocondrial más baja, debido a la disfunción del complejo mitocondrial III, y una mayor producción de especies reactivas del oxígeno (del inglés, ROS). ZEB1 se une e induce por unión directa al ADN la transcripción de NRF1 y NRF2, dos genes reguladores clave de la biogénesis mitocondrial y el estrés oxidativo, destacando la importancia de ésta vía durante la atrofia muscular inducida por el ayuno. En conjunto, estos resultados establecen ZEB1 como un impulsor clave de la atrofia muscular, destacando su importancia como un posible nuevo objetivo en los enfoques terapéuticos para las condiciones clínicas que causan la pérdida de masa muscular.