Influenza del sesso nella patogenesi molecolare della distrofia muscolare FSHD

Abstract Facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD) is a progressive skeletal muscle disorder in which inappropriate expression of double homeobox 4 (DUX4) drives downstream transcriptional dysregulation toxic to muscle cells. Although FSHD affects both sexes, sex-associated differences in clinical presentation and progression have been reported, while the molecular basis remains unclear. In this thesis, I investigated sex-biased molecular signatures in FSHD by integrating re-analysis of human RNA-seq datasets with experimental validation in primary human muscle cells and in vivo assessment in a FSHD mouse model, and by testing hormone responsiveness as an initial mechanistic step. I re-analyzed two independent human RNA-seq datasets from FSHD and control muscle biopsies of both sexes. Differential expression analysis allowed me to define (i) disease-associated genes (FSHD vs control) and (ii) sex-associated differences within FSHD (male vs female FSHD). Intersecting these results yielded a gene set that was both dysregulated in FSHD and sex-biased in the disease context (FSHD_sg). A control-only sex comparison supported the presence of disease-specific sex modulation. Functional interpretation highlighted processes relevant to FSHD pathology, including immune-related programs, muscle remodeling/regeneration, and chromatin/transcriptional regulation. To validate the transcriptomic findings, I measured candidate gene expression in differentiated primary human myotubes from male and female healthy donors and FSHD patients. A subset of genes reproduced the dataset trend and/or showed significant differences. I then extended the analysis to a mouse model reproducing sex-biased FSHD muscle phenotypes. The overall agreement with the transcriptomic trends was stronger than in vitro. Moreover, several candidates showed concordant behavior across all the experimental systems. Instead, the acute hormone-treatment assay showed inconsistent results requiring further optimization. Overall, this work defines a sex-biased, disease-associated transcriptional signature in FSHD validated across cellular and animal model systems and provides the starting point to identify novel disease biomarkers or therapeutic targets.

Riassunto La distrofia muscolare facio-scapolo-omerale (FSHD) è una patologia progressiva del muscolo scheletrico in cui l’espressione aberrante del fattore di trascrizione DUX4 (double homeobox 4) determina una deregolazione trascrizionale che porta alla morte delle cellule muscolari. Sebbene la FSHD colpisca entrambi i sessi, sono state riportate differenze associate al sesso nella presentazione clinica e nell’evoluzione della malattia, i meccanismi molecolari alla base delle quali restano in gran parte non chiariti. In questa tesi ho studiato firme molecolari legate al sesso nella FSHD integrando la ri-analisi di dati di espressione genica umani con la validazione sperimentale in cellule muscolari primarie e con l’analisi in un modello murino di FSHD, esplorando inoltre la responsività ormonale come primo passo meccanicistico. Ho ri-analizzato due profili di espressione indipendenti ottenuti comparando biopsie muscolari di pazienti FSHD e controlli di entrambi i sessi. Le mie analisi mi hanno permesso di identificare (i) geni associati alla malattia (FSHD vs controlli) e (ii) differenze associate al sesso all’interno del gruppo FSHD (maschi vs femmine FSHD). L’intersezione dei risultati ha prodotto un set di geni deregolati nella FSHD in maniera collegata al sesso (FSHD_sg). Un ulteriore confronto maschi vs femmine in donatori sani ha identificato candidati che presentavano bias sessuale selettivamente nella FSHD. L’interpretazione funzionale ha evidenziato processi compatibili con la patologia, tra cui programmi immuno-infiammatori, rimodellamento/rigenerazione muscolare e regolazione cromatinica/trascrizionale. Per validare i risultati, ho misurato l’espressione dei candidati in miotubi primari differenziati da donatori sani e pazienti FSHD di entrambi i sessi. Un sottoinsieme di geni ha riprodotto il trend dei dataset e/o ha mostrato differenze significative. Ho quindi esteso l’analisi ad un modello murino di FSHD che presenta degenrazione muscolare divergente nei sessi in analogia con la patologia umana. L’accordo con i trend trascrittomici è stato complessivamente maggiore rispetto a quello mostrato dal modello cellulare. Inoltre, diversi candidati hanno mostrato comportamento concordante tra dataset e tutti i sistemi sperimentali analizzati. Infine, ho implementato un trattamento ormonale acuto in miotubi di controllo di entrambi i sessi con ormoni maschili o femminili. Purtroppo, i risultati preliminari sono stati inconclusivi. Nel complesso, questo lavoro definisce una firma trascrizionale associata al sesso e alla malattia nella FSHD validata in molteplici sistemi sperimentali come punto di partenza per l’identificazione di nuovi biomarcatori o bersagli teraputici.