ABSTRACT Quantification of skeletal muscle functional contraction is essential to assess the outcomes of therapeutic procedures for muscular disorders. Muscle three-dimensional “Organ-on-chip” models usually require a substantial amount of biological material, which is problematic in the context of limited patient sample. Here we developed a miniaturized 3D myotube culture chip with contraction monitoring capacity. Optimized micropatterned substrate design enabled to obtain high culture yields in tightly controlled microenvironments. Spontaneous contractions in myotubes derived from primary human myoblasts were observed. Analysis of nuclear morphology confirmed a similar organization between obtained myotubes and in vivo myofibers. LMNA -related Congenital Muscular Dystrophy (L-CMD) was modelled with successful development of mutant 3D myotubes displaying contractile dysfunction. This technology can thus be used to study contraction characteristics and evaluate how diseases affect muscle organization and force generation. Importantly, it requires significantly fewer starting materials than current systems, which should allow to substantially improve drug screening capability.

SUMMARY Overactivation of the TGFβ signaling in Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a major hallmark of disease progression, leading to fibrosis and muscle dysfunction. Here, we investigated the role of SETDB1, a histone lysine methyltransferase involved in muscle differentiation. Our data show that, following TGFβ induction, SETDB1 accumulates in the nuclei of healthy myotubes, while being already present in the nuclei of DMD myotubes where TGFβ signaling is constitutively activated. Interestingly, transcriptomics revealed that depletion of SETDB1 in DMD myotubes leads to downregulation of TGFβ-target genes coding for secreted factors involved in extracellular matrix remodeling and inflammation. Consequently, SETDB1 silencing in DMD myotubes abrogates the deleterious effect of their secretome on myoblast differentiation by impairing myoblast pro-fibrotic response. Our findings indicate that SETDB1 potentiates the TGFβ-driven fibrotic response in DMD muscles, providing a new axis for therapeutic intervention. Key results TGFβ induces nuclear accumulation of SETDB1 in healthy myotubes SETDB1 is enriched in DMD myotube nuclei with intrinsic TGFβ pathway overactivation SETDB1 LOF in DMD myotubes attenuates TGFβ-induced pro-fibrotic response Secretome of TGFβ-treated DMD myotubes with SETDB1 LOF is less deleterious on myoblast differentiation

Caveolin-3 is the major structural protein of caveolae in muscle cells. Mutations in the CAV3 gene cause different type of muscle disorders mostly characterized by defects in membrane integrity and repair, deregulation in the expression of various muscle proteins and deregulation of several muscle associated signaling pathways. We show here that myotubes derived from patients bearing the CAV3 P28L and R26Q mutations present a lack of functional caveolae at the plasma membrane which results in an abnormal mechanoresponse. Mutant myotubes can no longer buffer the increase of membrane tension induced by mechanical stress and present an hyperactivation of the IL6/STAT3 signaling pathway at rest and under mechanical stress. The impaired mechanical regulation of the IL6/STAT3 signaling pathway by caveolae leads to chronic activation and a higher expression of muscle specific genes. These defects could be reversed by reassembling a pool of functional caveolae through expression of wild type Cav3. Our findings bring more mechanistic insight into human Cav3 associated muscle disorders and show a general defect in the mechanoresponse of CAV3 P28L and R26Q myotubes.

Large flat clathrin plaques are stable features of the plasma membrane associated with sites of strong adhesion suggesting that they could also play a role in force transduction. Here, we analyzed how clathrin plaques interact with the cytoskeleton and how they respond to mechanical cues in skeletal muscle myotubes. We show that branched actin networks surrounding clathrin plaques are directly regulated by dynamin 2, anchor intermediate filaments and sequester YAP at the plasma membrane. Dynamin 2, clathrin and desmin intermediate filaments are all required for basal YAP nucleocytoplasmic distribution and efficient nuclear translocation in response to mechanical stimuli. Dynamin 2 mutations that are responsible for centronuclear myopathy in humans disorganize the desmin network and deregulate YAP signaling both in vitro and in vivo. Thus, clathrin plaques and associated dynamin 2 are defined here as a new sensor conveying mechanical cues and integrate cell signaling with cytoskeletal regulation.

Xenotransplantation of human cells into immunodeficient mouse models is a very powerful tool and an essential step for the pre-clinical evaluation of therapeutic cell- and gene- based strategies. Here we describe an optimized protocol combining immunofluorescence and real-time quantitative PCR to both quantify and visualize the fate and localization of human myogenic cells after injection in regenerating muscles of immunodeficient mice. Whereas real-time quantitative PCR-based method provides an accurate quantification of human cells, it does not document their specific localization. The addition of an immunofluorescence approach using human-specific antibodies recognizing engrafted human cells gives information on the localization of the human cells within the host muscle fibres, in the stem cell niche or in the interstitial space. These two combined approaches offer an accurate evaluation of human engraftment including cell number and localization and should provide a gold standard to compare results obtained either using different types of human stem cells or comparing healthy and pathological muscle stem cells between different research laboratories worldwide.

Glucose Transporter 4 (GLUT4) is sequestered inside muscle and fat, then released by vesicle traffic to the cell surface in response to post-prandial insulin for blood glucose clearance. Here we map the biogenesis of this GLUT4 traffic pathway in humans, which involves clathrin isoform CHC22. We observe that GLUT4 transits through the early secretory pathway more slowly than the constitutively-secreted GLUT1 transporter and localize CHC22 to the endoplasmic-reticulum-to-Golgi-intermediate compartment (ERGIC). CHC22 functions in transport from the ERGIC, as demonstrated by an essential role in forming the replication vacuole of Legionella pneumophila bacteria, which requires ERGIC-derived membrane. CHC22 complexes with ERGIC tether p115, GLUT4 and sortilin and down-regulation of either p115 or CHC22, but not GM130 or sortilin abrogate insulin-responsive GLUT4 release. This indicates CHC22 traffic initiates human GLUT4 sequestration from the ERGIC, and defines a role for CHC22 in addition to retrograde sorting of GLUT4 after endocytic recapture, enhancing pathways for GLUT4 sequestration in humans relative to mice, which lack CHC22.Summary Blood glucose clearance relies on insulin-mediated exocytosis of glucose transporter 4 (GLUT4) from sites of intracellular sequestration. We show that in humans, CHC22 clathrin mediates membrane traffic from the ER-to-Golgi Intermediate Compartment, which is needed for GLUT4 sequestration during GLUT4 pathway biogenesis.

SUMMARY The yet incurable Duchenne muscular dystrophy (DMD) is caused by the absence of dystrophin, a protein essential to preserve muscle integrity continuously challenged by contractions. Adeno- associated virus (AAV) delivery of truncated forms of dystrophin is currently the most promising therapeutic approach. However, patient outcomes differed from animal studies, emphasizing the necessity for models predictive of human response. Here, we describe the generation of MYOrganoids, a 3D muscle platform derived from human induced pluripotent stem cells (iPSC), whose structural and functional maturation is enhanced by fibroblasts incorporation. Importantly, a pro-fibrotic microenvironment reproduced by incorporation of dystrophic fibroblasts, was pivotal to exacerbate muscle force loss and fatiguability of DMD MYOrganoids, enabling their use as therapeutic readouts. Remarkably, efficient gene transfer of the gold standard microdystrophin in DMD MYOrganoids, failed to fully restore membrane dystroglycan components and partially rescued muscle strength, in line with the marginal correction of the DMD transcriptional signature achieved. This study highlights the potential of human MYOrganoids to unravel the limitations of current treatments under aggravated conditions and accelerate the discovery of more effective strategies.

Abstract LGMD R2 is a rare genetic disorder characterized by progressive proximal muscle weakness and wasting caused by a recessive loss of function of dysferlin, a transmembrane protein controlling plasma membrane repair in skeletal muscles. We report here the development of an in vitro high-throughput assay using immortalized myoblasts and monitored reallocation of an aggregated mutant form of dysferlin ( DYSF L1341P ). Using this assay, we screened a library of 2239 drugs and identified two autophagy inducers, namely saracatinib and bazedoxifene, as potential drugs to repurpose for LGMD R2 patients carrying the DYSF L1341P mutation. Functional characterization of these drugs revealed that saracatinib and bazedoxifene had a protective effect on the plasma membrane in osmotic shock assay. While saracatinib restores functionality in membrane resealing through a specific rescue of L1341P dysferlin from degradation, bazedoxifene demonstrates an additional protective effect on dysferlin KO mice muscle fibers. Finally, further investigations into the molecular mechanism of action of bazedoxifene revealed an induction of autophagy flux, which may underlie the molecule’s effect on the survival of LGMD R2 myofibers.

Two-dimensional (2D) human skeletal muscle fiber cultures are ill equipped to support the contractile properties of maturing muscle fibers. This limits their application to the study of adult human neuromuscular junction (NMJ) development, a process requiring maturation of muscle fibers in the presence of motor neuron endplates. Here we describe a three-dimensional (3D) co-culture method whereby human muscle progenitors mixed with human pluripotent stem cell-derived motor neurons self-organize to form functional NMJ connections within two weeks. Functional connectivity between motor neuron endplates and muscle fibers is confirmed with calcium transient imaging and electrophysiological recordings. Notably, we only observed epsilon acetylcholine receptor subunit protein upregulation and activity in 3D co-culture. This demonstrates that the 3D co-culture system supports a developmental shift from the embryonic to adult form of the receptor that does not occur in 2D co-culture. Further, 3D co-culture treatments with myasthenia gravis patient sera shows the ease of studying human disease with the system. This work delivers a simple, reproducible, and adaptable method to model and evaluate adult human NMJ de novo development and disease in culture.

ABSTRACT Excitation-contraction coupling requires a highly specialized membrane structure, the triad, composed of a plasma membrane invagination, the T-tubule, surrounded by two sarcoplasmic reticulum terminal cisternae. Although the precise mechanisms governing T-tubule biogenesis and triad formation remain largely unknown, studies have shown that caveolae participate in T-tubule formation and mutations of several of their constituents induce muscle weakness and myopathies. Here, we demonstrate that, at the plasma membrane, caveolae composed of caveolin-3 and Bin1 assemble into ring-like structures from which emerge tubes enriched in the dihydropyridine receptor. Overexpression of Bin1 lead to the formation of both rings and tubes and we show that Bin1 forms scaffolds on which caveolae accumulate to form the initial T-tubule. Cav3 deficiency caused by either gene silencing or pathogenic mutations cause defective ring formation and perturbed Bin1-mediated tubulation that may explain defective T-tubule organization in mature muscles. Our results uncover new pathophysiological mechanisms that may prove relevant to myopathies caused by Cav3 or Bin1.