Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Depuis de nombreuses années, on observe un fort déclin des populations d'amphibiens à travers le monde et une augmentation marquée du taux de malformation des membres. Plusieurs causes sont suggérées pour expliquer l'émergence de ces effets sur le développement. Parmi celles-ci, la présence de fertilisants et de pesticides dans les cours d'eau semble être un facteur majeur impliqué dans ce phénomène étant donné que la peau des amphibiens est très perméable et parce que la plupart des malformations ont été répertoriées dans les marais avoisinant les zones d'agriculture intensive. Il est connu qu'un excès ou une carence en vitamine A (rétinol) durant le développement d'un organisme peut provoquer de graves effets sur le développement, voire même provoquer la mort au stade embryonnaire. Les rétinoïdes sont des molécules qui dérivent de la vitamine A, et l'acide rétinoïque (RA) est un des dérivés biologiquement actif. C'est un morphogène très puissant et ses effets sont assurés par la liaison et l'activation de récepteurs nucléaires spécifiques. Plusieurs pesticides sont connus pour affecter le développement et certains sont également connus pour interférer dans le métabolisme et les voies de signalisation de RA. L'objectif du présent projet était d'évaluer le potentiel tératogène de quelques contaminants d'origine agricole en mesurant leur capacité à affecter la différenciation cellulaire médiée par RA et le catabolisme de RA. Les cellules P19 de carcinome embryonnaire de souris ont été sélectionnées comme modèle d'étude. Ces cellules sont indifférenciées et peuvent se différencier en présence de différents inducteurs, dont RA. Un protocole de neurodifférenciation en agrégats et un second en monocouche ont été utilisés et le taux de différenciation cellulaire a été évalué par cytométrie de flux (FACS) à l'aide du marqueur de non-différenciation SSEA1 et du marqueur neuronal βIII-tubuline. La disparition de RA et sa métabolisation en dérivés polaires ont été mesurés par une méthode HPLC et un bioessai de métabolisation de courte durée permettant de tester de fortes concentrations de contaminants a été mis au point. L'atrazine, les nitrates et les nitrites ont été sélectionnés comme première série de contaminants étant donné que leur toxicité développementale n'est pas complètement documentée et parce qu'ils sont parmi les contaminants les plus abondants dans les cours d'eau avoisinant les zones agricoles. Le carbaryl et l'endosulfane ont été choisis pour une deuxième série d'analyses en considérant leurs effets déjà connus, le premier étant neurotoxique et le second étant tératogène et connu pour interférer dans le système des rétinoïdes. Les résultats ont montré qu'une augmentation de la concentration de RA diminuait SSEA 1 et augmentait βIII-tubuline de façon dose-dépendante. II a également été démontré que les cellules P19 métabolisent le RA, que ce métabolisme pouvait être inhibé partiellement par le clotrimazole (inhibiteur du cytochrome P450) et qu'il pouvait être suractivé suite à un prétraitement des cellules avec RA ou son analogue, le TTNPB. Les 3 premiers contaminants testés sur la différenciation neuronale en agrégats ont été utilisés à des concentrations de 100 à 10000 fois plus élevées que les normes canadiennes pour la protection de la vie aquatique. Les résultats n'ont pas permis de mesurer d'effets à des concentrations qui n'affectent pas la prolifération et/ou la viabilité cellulaire. Des concentrations de nitrites variant de 0 à 670 mg/L préviennent fortement la diminution de l'expression de SSEA1 et diminuent le nombre de cellules positives pour βlII-tubuline. Le carbaryl et l'endosulfane testés à 25 µM n'induisent pas la différenciation cellulaire de cellules cultivées en agrégats. Avec des cellules cultivées en monocouches, ces deux pesticides ont beaucoup affecté la prolifération et/ou la viabilité cellulaire et ont diminué le taux de cellules positives pour βIII-tubuline. Aucun des contaminants n'a affecté le métabolisme. Les résultats suggèrent que la cytotoxicité est probablement un facteur impliqué dans certains effets développementaux et que le système enzymatique impliqué dans la métabolisation de RA ne semble pas être une cible pour ces pesticides aux concentrations utilisées. Les effets de ces contaminants sur la liaison de RA à ses récepteurs, sur le métabolisme microsomal et/ou sur l'expression de diverses cibles cellulaires pourraient éventuellement être étudiés pour préciser les effets de type « rétinoïdiens ». ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Acide rétinoïque, Cellules P19, Contaminants agricoles, Différenciation cellulaire, FACS, HPLC.

L’introduction de composé d’origine anthropogénique (produits pharmaceutiques, et de soin personnel, retardateur de flammes, plastifiants, etc.) par les stations de traitement des eaux usées municipales ainsi que le devenir de ses composés dans l’environnement est une problématique d’intérêt mondial. L’élimination de ses contaminants d’intérêt émergent des eaux usées s’effectue au niveau des stations de traitement des eaux usées qui, pour la plupart, ne sont pas conçues pour réaliser cette tâche. En effet, celles-ci présentent des niveaux très variables d’efficacité de dégradation/transformation de la plupart des contaminants émergents ce qui laisse dans l’effluent de ces stations des concentrations habituellement inférieures à quelques microgrammes par litres d’au moins plusieurs centaines de contaminants. Quelques études ont démontrés que l’exposition chronique à ces concentrations environnementales de différents CIE donne lieu à des effets toxiques chez le méné à tête de boule (effondrement de la population) et le gammare (diminution de l’activité). Cependant, les méthodes classiques utilisées pour l’évaluation de la toxicité ne sont pas suffisamment sensibles pour déceler des effets sublétaux aux concentrations environnementales observées dans les milieux recevant ces rejets de station d’épuration. Bien entendu, il est impossible de concevoir un procédé unique capable d’éliminer la totalité des contaminants d’intérêt émergent (présents ou futurs) des eaux usées. Il est donc nécessaire de créer des approches capables de prioriser et de cibler les composés qui doivent être éliminés. Ce projet de recherche met de l’avant l’hypothèse qu’une étude métabolomique ciblé serait capable de répondre à cette problématique. L’approche utilisée vise à ajouter un ou plusieurs points de terminaison (fluctuation des métabolites) au test de toxicité aiguë des effluents déjà effectué sur la puce d’eau (Daphnia magna) en quantifiant des molécules essentielles à la survie de cette espèce (ecdystéroïdes et acides rétinoïques). Les daphnies sont des modèles idéaux pour ce type d’étude puisqu’il s’agit d’organismes essentiels du zooplancton dans le monde entier. L’espèce D. magna est retrouvée dans l’hémisphère nord dans les lacs, rivières et étangs temporaires, elle se reproduit rapidement, est facile à cultiver et se reproduit par parthénogénèse. La quantification des ecdystéroïdes et acides rétinoïques aux concentrations observées chez la puce d’eau (picogramme par individus) est typiquement atteinte par dosage radio-immunologique (radioimmunoassay). Cependant, ce type de méthode ne permet pas d’identifier spécifiquement l’analyte ciblé, mais plutôt la somme de toutes molécules produisant une réaction immunologique similaire à celui-ci appelée "équivalent immunologique" et les résultats obtenus dépendent de l’anticorps, de la préparation effectuée et du lot de l’anticorps utilisé. Ce manque de sélectivité et variabilité des données obtenues pose problème pour la comparaison inter-laboratoires de résultats et a donc forcé le développement d’une nouvelle méthode analytique. Le présent document décrit le développement et la validation d’une méthode de quantification par chromatographie liquide couplée à un spectromètre de masse permettant d’atteindre des limites de quantification allant de 210 à 380 pg mL-1 pour trois ecdystéroïdes (20-hydroxyecdysone, ecdysone et ponasterone A) et de 5 ng mL-1 pour la somme des isomères de l’acide rétinoïque. La quantification de ces analytes aux faibles concentrations observées chez la puce d’eau a nécessité l’optimisation des paramètres instrumentaux, de la préparation d’échantillon et l’optimisation des conditions chromatographiques. Au final, la 20-hydroxyecdysone a pu être quantifiée à 19 ± 8 pg ind-1 pour les adultes (475 ± 200 pg mL-1, n=3) et à 3.6 ± 1.0 pg ind-1 pour les juvéniles (360 ± 10 pg mL-1, n=3), mais seulement détectée chez les néonates à 0.19 pg ind-1 (19 pg mL-1, n=3). L’ecdysone a également pu être détectée à 1.8 pg ind-1 chez les spécimens de taille adulte (180 pg mL-1, n=3). Le projet suivant vise à augmenter les connaissances sur l’effet de contaminants d’intérêt émergents sur l’environnement et sur le métabolisme de la puce d’eau D.magna ainsi que fournir une méthode potentiellement capable d’évaluer le risque d’exposition à des concentrations environnementales et permettre de prioriser les composés à être évaluer.

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L'acide rétinoïque (AR), métabolite actif de la vitamine A, est une molécule qui a une fonction pléiotropique au cours du développement embryonnaire dont l'excès ou le déficit entraine diverses pathologies cardiaques. Les mutants perte de fonction pour l'enzyme de synthèse de l'AR, la rétinaldéhyde déshydrogénase 2 Raldh2), possèdent de multiples défauts cardiaques. Ces embryons meurent vers le neuvième jour de développement mais cette létalité peut être sauvée en ajoutant de l'AR dans la nourriturre des femelles en gestation. Les mutants Raldh2-/- sauvés ont un Tronc Artériel Commun (TAC) qui est un vaisseau unique au pôle artériel du coeur à la place de l'AO et du TP. Le but de ma thèse a été de comprendre les mécanismes moléculaires et cellulaires conduisant à ce TAC. Ce TAC est à dominance aortique et les connexions des artères coronaires au TAC sont malpositionnées. Nos résultats montrent que la réduction de la longueur de la VE des mutants Raldh2-/- sauvés est associée à une hypoplasie du mésoderme pharyngé. Les mutants Raldh2-/- sauvés possèdent une altération de l'expression de gènes essentiels pour l'élongation de la VE, la rotation de la VE est aussi affectée . Les cellules de la crête neurale cardiaque (CCNC) sont nécessaires pour la septation de la VE et leur contribution à la VE n'est pas altérée dans les mutants Raldh2-/- sauvés. En revanche, elles sont anormalement localisées à proximité du myocarde et anormalement orientées perpendiculairement au futur plan de septation. Cette délocalisation des CCNC est corrélée à une augmentation du processus de transition endothélio-mésenchymateux. L'AR est donc une molécule essentielle pour la morphogenèse de la VE. / Retinoic acid (RA), the active metabolite of vitamin A, is a molecule with pleiotropic functions during development. An excess or deficiency of RA during development leads to various cardiac pathologies. Loss-of-function of retinaldehyde dehydrogenase 2 (Raldh2), the enzyme that synthesises RA, results in various cardiac defects. Mutant embryos die at around the ninth day of embryonic development (E9), but this lethality can be rescued by supplementing the gestating female's diet with RA. RA-rescued Raldh2-/- displayed a persistent truncus arteriosus (PTA), a unique artery at the arterial pole of the heart, rather than separate aorta and pulmonary trunk. The aim of my thesis was to understand the molecular and cellular mechanisms leading to PTA. This PTA is predominantly an aortic phenotype, associated with malpositioned of the coronary artery connections. Our results show that the reduced length of RA-rescued Raldh2-/- OFTs was linked to pharyngeal mesoderm hypoplasia. RA-rescued Raldh2-/- mutants expressed altered levels of several genes that are essential for OFT elongation and OFT rotation was also affected. Cardiac neural crest (CNC) cells play an essential role in OFT septation and their contribution to the OFT was not altered in RA-rescued Raldh2-/- mutants. However, CNC cells display abnormal characteristics, and are found in close proximity to the myocardium, oriented perpendicularly to the plane of septation. This mis-location of the CNC cells was associated with increased endothelial-to-mesenchymal transition (EMT). Accordingly, an increased contribution of endocardial EMT to valve mesenchyme. In conclusion, RA is essential for OFT morphogenesis.

L’acide rétinoïque (AR) est requis pour de nombreuses fonctions physiologiques parmi lesquelles la reproduction. Il est synthétisé par des rétinaldéhyde déshydrogénases (RALDH1 à 3) et il active la transcription de gènes cible en se liant à ses récepteurs nucléaires RAR (α,β,γ). L’objet de mon travail de thèse a été d’étudier les fonctions de l’AR, produit dans les cellules de Sertoli testiculaire, sur la spermatogenèse de la souris. Ainsi, par l’étude de l’inactivation des gènes des RALDH spécifiquement dans les cellules de Sertoli murines grâce à la mutagenèse somatique, j’ai montré que les cellules de Sertoli dirigent la première différenciation des cellules germinales grâce à leur production d’AR qui est ensuite dispensable au bon déroulement de la spermatogenèse. L’induction de cette première spermatogenèse est possible par l’activation sélective de RAR qui est à la base d’une pléiade de voies de signalisation. J’ai également confirmé le rôle crucial de la voie de signalisation de l’AR dans les cellules de Sertoli pour la spermiation, dernière étape du processus de spermatogenèse, et donc pour la fertilité. Enfin, j’ai démontré la nécessité in vivo de la signalisation par l’AR pour la méiose, qui contrôle l’expression de Stra8, un gène essentiel pour la progression méiotique. Cette régulation se fait de manière cellulaire autonome et requiert la fixation d’un RAR sur son élément de réponse localisé dans la région promotrice de Stra8. / Retinoic acid (RA) is required for many physiological functions including reproduction. It is synthesized by retinaldehyde dehydrogenases (RALDH1 to 3) and activates transcription of target genes by binding to its nuclear receptors (RAR α,β,γ ). The purpose of my thesis was to study the functions of RA produced in testicular Sertoli cells in spermatogenesis in the mouse. Thus, by studying the effects of RALDH selective inactivation in murine Sertoli cells by somatic mutagenesis, I showed that Sertoli cells direct the first differentiation of germ cells through their production of RA, which is then dispensable for the proper conduct of spermatogenesis. Induction of the first spermatogenesis is possible by selective activation of RAR, which is at the basis of several signaling pathways. I also confirmed the crucial role of the RA pathway in Sertoli cells for spermiation, the final stage of spermatogenesis, and therefore fertility. Finally, I demonstrated the need of an in vivo RA signaling for meiosis, which controls the expression of Stra8, a gene essential for meiotic progression. This regulation is done cell-autonomously and requires the binding of a RAR on its response element located in the promoter region of Stra8.

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la différenciation normale et pathologique des cellules germinales (CGs). Dans une première partie, la différenciation normale a été étudiée chez l'amphibien urodèle Pleurodeles waltl. L'acide rétinoïque (AcR) est impliqué dans l'induction de l'entrée en méiose des cellules germinales (CGs) chez les amniotes (Bowles et al., 2006 ; Smith et al., 2008). Nous avons voulu savoir si l'AcR était aussi impliqué dans ce processus chez le pleurodèle. Nous avons montré que l'expression de PwDmc1 (marqueur de méiose), survient plus précocement dans les gonades femelles (avant la métamorphose) que dans les gonades mâles (après la métamorphose). In vitro, l'application d'AcR sur des gonades mâles et femelles en culture organotypique ainsi que l'inhibition de la dégradation de l'AcR endogène induisent l'entrée en méiose des CGs. Nous avons également montré que la balance synthèse/dégradation l'AcR endogène est modulée par les hormones stéroïdes. Les mécanismes de différenciation des CGs décrits chez les mammifères semblent donc conservés chez les urodèles. La seconde partie de la thèse s'inscrit dans le contexte de la différenciation pathologique des CGs.De nombreuses études ont montré qu'une exposition in utero à des xénobiotiques pouvait provoquer des altérations de la différenciation des CGs. Ces cellules altérées restent en dormance pendant l'enfance. A la puberté, elles prolifèrent et donnent naissance aux tumeurs testiculaires, suggérant que le développement de ces tumeurs est hormono-sensible (McIntyre et al., 2008). Nous avons étudié les effets des hormones stéroïdes sur la prolifération des cellules séminomateuses humaines TCam2. L'oestradiol et la testostérone stimulent leur prolifération ainsi que l'expression d'une isoforme tronquée du récepteur alpha des oestrogènes ER[alpha]36. Ce récepteur est induit par la voie GPER-AMPc/PKA et semble nécessaire à l'expression du récepteur à l'EGF. Il pourrait donc constituer une cible thérapeutique potentielle. / Retinoic acid (RA) is involved in germ cells meiosis onset (CGs) in amniotes (Bowles et al., 2006 ; Smith et al., 2008). The aim of the first part of our study was to determine if RA is able to induce meiosis entry in the urodele amphibian Pleurodeles waltl. Our data on PwDmc1 (meiosis marker) expression indicate an earlier meiosis onset in females compared with males depending on RA biosynthesis. In vitro, the treatment of male and female gonads with RA induces an earlier meiosis entry in both sexes. Moreover, we have shown that RA biosynthesis is regulated by steroid hormones. Therefore, the mechanisms which trigger GCs differentiation in mammals might be conserved in urodeles. Many studies indicated that in utero xenobiotic exposure is able to induce alterations in GCs differentiation. These neoplasic cells enter in a period of dormancy until after puberty where they proliferate and the testicular tumours emerge. This prepubertal dormancy suggests that the testicular cancer development is hormone sensitive (McIntyre et al., 2008). In the second part we studied the effects of steroid hormones on the proliferation of the seminoma cell line TCam2. Our results indicate that estradiol and testosterone can induce the proliferation of this cell line and the expression of ER[alpha]36, a truncated form of estrogen receptor alpha. This expression is stimulated by GPER-cAMP/PKA signalisation pathway and activates EGFR expression. ER[alpha]36 could be a potential therapeutic target.