Phosphatidylinositol 3-kinase inhibition restores Ca ²⁺ release defects and prolongs survival in myotubularin-deficient mice

Abstract

Mutations in the gene encoding the phosphoinositide 3-phosphatase myotubularin (MTM1) are responsible for a pediatric disease of skeletal muscle named myotubular myopathy (XLMTM). Muscle fibers from MTM1-deficient mice present defects in excitation-contraction (EC) coupling likely responsible for the disease-associated fatal muscle weakness. However, the mechanism leading to EC coupling failure remains unclear. During normal skeletal muscle EC coupling, transverse (t) tubule depolarization triggers sarcoplasmic reticulum (SR) Ca 2+ release through ryanodine receptor channels gated by conformational coupling with the t-tubule voltage-sensing dihydropyridine receptors. We report that MTM1 deficiency is associated with a 60% depression of global SR Ca 2+ release over the full range of voltage sensitivity of EC coupling. SR Ca 2+ release in the diseased fibers is also slower than in normal fibers, or delayed following voltage activation, consistent with the contribution of Ca 2+ -gated ryanodine receptors to EC coupling. In addition, we found that SR Ca 2+ release is spatially heterogeneous within myotubularin-deficient muscle fibers, with focally defective areas recapitulating the global alterations. Importantly, we found that pharmacological inhibition of phosphatidylinositol 3-kinase (PtdIns 3-kinase) activity rescues the Ca 2+ release defects in isolated muscle fibers and increases the lifespan and mobility of XLMTM mice, providing proof of concept for the use of PtdIns 3-kinase inhibitors in myotubular myopathy and suggesting that unbalanced PtdIns 3-kinase activity plays a critical role in the pathological process.skeletal muscle | excitation-contraction coupling | ryanodine receptor | sarcoplasmic reticulum Ca 2+ release | myotubularin I mpaired skeletal muscle excitation-contraction (EC) coupling is believed to be a main cause of the severe muscle weakness associated with myotubular myopathy (1). EC coupling operates through interactions between the voltage-sensing CAV1.1 Ca 2+ channel (also known as the dihydropyridine receptor) in the transverse (t) tubule membrane and the type 1 ryanodine receptor (RYR1) Ca 2+ release channel in the junctional sarcoplasmic reticulum (SR) membrane: Opening of RYR1 channels under the control of the CAV1.1 voltage-sensing activity is responsible for the Ca 2+ flux that raises cytosolic Ca 2+ to trigger contraction (2, 3). Myotubular myopathy is due to genetic deficiency in the phosphoinositide (phosphatidylinositol, PtdInsP) phosphatase MTM1, which dephosphorylates PtdIns(3,5)P 2 and PtdIns(3)P at the D3 position of the inositol ring (4, 5). How MTM1 deficiency is responsible for defective EC coupling remains unclear, and this issue is highly relevant to understanding the mechanisms of the disease but also to gaining insights into the interactions between phosphoinositides and Ca 2+ signaling in muscle (see ref. 6). The Mtm1-KO mouse model reproduces the main symptomatic features of the human disease: Mutant mice develop a progressive myopathy that starts at about 3-4 wk of ...

L’inhibition de l’activité PtdIns 3-kinase : un traitement pharmacologique potentiel de la myopathie myotubulaire

“…Cette altération du CEC est probablement une cause majeure de la faiblesse musculaire fatale chez les patients atteints de la myopathie myotubulaire. Cependant, malgré de nombreux travaux, la fonction primaire Figure 1C) [7]. Ainsi le flux calcique dans les fibres malades pré-sente non seulement un défaut d'amplitude mais aussi de cinétiques d'activation.…”

“…Ainsi le flux calcique dans les fibres malades pré-sente non seulement un défaut d'amplitude mais aussi de cinétiques d'activation. Par ailleurs, l'analyse des images confocales des transitoires calciques a révélé que ces altérations sont spatialement hété-rogènes dans les fibres musculaires malades, avec certaines régions présentant des déficits exacerbés du transitoire calcique [7]. Nous avons trouvé que ces altérations du flux calcique n'étaient pas systé-matiquement corrélées à des altérations structurales détectables du réseau de tubules-t, suggérant qu'un mécanisme pathologique autre que des défauts de structure, opère dans les fibres Mtm1-KO.…”

“…Pour le vérifier, nous avons testé l'effet de l'inhibition in vitro de l'activité PtdIns 3-kinase sur les transitoires calciques. L'exposition des fibres Mtm1-KO à des pan-inhibiteurs pharmacologiques améliore les anomalies du signal calcique, alors qu'elle est sans effet Figure 1C) [7]. Un traitement prolongé n'a pas amélioré davantage ces paramètres, signifiant que l'effet bénéfique est rapide, et n'implique pas de remodelage structural.…”

“…Un traitement prolongé n'a pas amélioré davantage ces paramètres, signifiant que l'effet bénéfique est rapide, et n'implique pas de remodelage structural. Par ailleurs, l'exposition de fibres Mtm1-KO à des inhibiteurs spécifiques de l'activité PtdIns 3-kinase de classe III n'a eu aucun effet sur le signal calcique [7]. Dans l'ensemble, nos résultats indiquent que les défauts du CEC dans les fibres Mtm1-KO ne sont pas uniquement liés à des altérations de structure, mais aussi à un déséquilibre d'activité PtdIns 3-kinase de classe I et/ou de classe II.…”

“…Enfin, les résultats bénéfiques obtenus sur la signalisation calcique des fibres musculaires Mtm1-KO nous ont encouragé à tester l'effet de l'inhibition de l'activité PtdIns 3-kinase in vivo. Le traitement avec un pan-inhibiteur de PtdIns 3-kinase augmente significativement l'espérance de vie des souris Mtm1-KO [7], avec, par exemple, comme montré sur la figure 2, une souris toujours en vie à l'âge de 6 mois. Dans l'ensemble, ces résultats suggèrent que les défauts du CEC dans les fibres musculaires Mtm1-KO sont, au moins en partie, liés à un désé-quilibre du métabolisme des PtdInsPs et fournissent une preuve de concept d'approche thérapeutique basée sur l'inhibition de l'activité PtdIns 3-kinase.…”