L'objectif de ces travaux de thèse était de caractériser la toxicité de l'uranium sur le métabolisme du poisson zèbre, Danio rerio. Puisque les effets de l'uranium se traduisent par des modifications de la performance du métabolisme, la question suivante se pose: que savons-nous du métabolisme du poisson zèbre témoin? Très peu de chose. En effet, nos connaissances à ce sujet sont assez limitées en dépit d'un grand nombre de travaux sur le développement de ce poisson. C'est pourquoi les trois premiers chapitres de ce manuscrit sont dédiés à la caractérisation du métabolisme témoin du Danio. J'ai utilisé la théorie des bilans d'énergie dynamique (DEB) pour procéder à cette caractérisation; à l'heure actuelle c'est la seule théorie qui quantifie l'ingestion, l'assimilation, la croissance, la reproduction, la maturation, la maintenance et le vieillissement pendant le cycle de vie entier d'un organisme. L'effet de l'uranium sur l'organisme implique un effet sur au moins une des processus cités ci-avant. Étant donné que la longévité du poisson zèbre est d'environ quatre ans et demi, et que l'intensité des effets liés à un stress chimique est inversement proportionnel à la taille, nous avons centré nos efforts sur les stades de vie précoces (embryon, juvénile et reproduction adulte). De surcroît, les stades de vies précoces semblent plus sensibles aux effets de l'uranium surtout au niveau des effets sur la croissance. <br /><br /> D'importants progrès ont été réalisés dans le domaine de la quantification du développent, de la croissance et de la reproduction du poisson zèbre. Il s'est avéré que le poisson zèbre accélère son développent après la naissance (c'est-à-dire l'instant où l'individu commence à se nourrir), jusqu'à la métamorphose, où l'accélération cesse. Ce processus a été constaté chez d'autre espèces de poissons, mais pas toutes. Une autre conclusion surprenante était que la maintenance somatique est beaucoup plus élevée que la valeur typique d'un poisson. Nous n'arrivons pas encore à expliquer pourquoi. De plus nous avons découvert que les détails sur la physiologie reproductive sont importants pour caractériser les effets de l'uranium: chez l'adulte les ressources allouées à la reproduction sont stockées dans un compartiment où siègent les processus de préparation de "batch " d'œufs (=buffer de reproduction). Il est donc important de comprendre ce processus pour comprendre comment le poisson zèbre élimine l'uranium via les œufs. <br /><br /> La théorie DEB spécifie que l'individu atteint un stade de développement à un niveau de maturité donné. Selon la température et/ou la nourriture, ce niveau de maturité peut être atteint à des tailles ou des âges différents. Nous avons élargi le concept pour inclure tous les stades de développement (définis sur la base de critères morphologiques) publiés dans les atlas de développement. Ce travail nous a permis d'expliquer par la théorie DEB à présent la variabilité en termes de taille et d'âge. <br/><br /> Dans le but de tester si la théorie DEB peut expliquer des perturbations au niveau de la maturation, nous avons étudié le développement de deux espèces de grenouilles taxonomiquement proches et de taille similaires. Une des espèces possède un développement typique comprenant un stade embryonnaire, un stade têtard qui se nourrit et puis un stade juvénile avec la morphologie typique d'une grenouille. Par contre la deuxième espèce témoigne d'une accélération du développement après l'éclosion mais avant la naissance- qui correspond au stade de développement où l'individu commence à se nourrir. Cette accélération est trahie par une augmentation de la respiration et un retard de la croissance avec au final une diminution de la taille à chaque stade de développement par rapport à la première espèce. Cette accélération s'estompe après la métamorphose (le moment où les jeunes grenouilles quittent l'eau). Toutes les différences entre les deux types de développement ont été expliquées par la théorie DEB en considérant qu'un seul paramètre changeait temporairement de valeur: la fraction de la réserve mobilisée vers la croissance et la maintenance somatique. La conclusion est que les perturbations observées au niveau de la maturation et de la variabilité de l'âge et la taille entre les différents stades de développement soutiennent empiriquement la façon que la théorie DEB incorpore la maturation. <br /><br /> Non seulement notre étude requérait une quantification détaillée de la maturation, mais elle requérait aussi la prise en compte de périodes (prolongées) de jeune, et ce plus particulièrement pour les stades précoces. Selon la théorie DEB la maintenance est alimentée avec l'énergie mobilisée de la réserve. Dès lors que la nourriture devient rare ou disparait cette dernière ne suffit plus pour alimenter la maintenance somatique. Nous avons détaillé ce cas de figure en modélisant le lien entre les processus de rajeunissement et d'amaigrissement extrême et la probabilité de survie. Les prédictions du modèle sont en accord avec les trajectoires de survie de larves obtenues en conditions de laboratoire. Certaines poissons libèrent plus d'un million d'œufs par événement de ponte et pourtant, si la dynamique de la population est stable, à chaque génération chaque poisson n'est remplacé que par un seul individu. Le processus de survie des larves représente une grande énigme irrésolue dans le domaine de la dynamique de populations de poisson. <br /><br /> Par le biais de ces travaux de doctorat, nous disposons à présent d'un outil permettant de comprendre, et de prédire, la manière dont la performance physiologique du poisson zèbre dépend de son niveau de nutrition. Le modèle a été utilisé pour détecter les modifications induites par l'uranium sur la performance physiologique d'un individu exposé par rapport à celle du témoin. A cette fin, nous avons développé un modèle dynamique qui spécifie la manière dont l'uranium s'accumule et s'élimine chez un individu qui se nourrit, grandit et se reproduit. Nous avions imaginé que l'uranium pourrait affecter le système immunitaire ainsi que d'autres mécanismes de défense cellulaire (e.g. système antioxydant). Selon la théorie DEB, l'allocation des ressources à la maturation comprend une fraction fixe de la réserve mobilisée auquel est soustrait le coût de maintenance de la maturité. Notre idée est que les coûts du système immunitaire et de défense cellulaire contribuent à la maintenance de la maturité. Si l'uranium augmentait les coûts de ce dernier alors la maturation ralentira, ainsi j'ai porté une attention soutenu aux taux de maturation. <br /><br /> Nous avons montré que l'uranium altère l'histologie de la paroi intestinale (acteur majeure dans l'assimilation des nutriments) et pourrait potentiellement modifier l'homéostasie des interactions hôte-bactérienne (acteur majeur dans l'assimilation et l'immunité inné). De plus nos travaux suggèrent que l'uranium augmenterait les coûts de synthèse de la structure et diminuerait l'assimilation et/ou augmenterait le coût de la maintenance somatique. Chose étonnante, malgré ce que nous pensions, nous n'avons pas pu détecter d'effets notables sur la maturation à ces faibles concentrations. Puisque la maturation interagit avec la croissance, la reproduction et la maintenance, je considère néanmoins que les travaux que j'ai pu mener sur la maturation sont pertinents. La toxicité de l'uranium est telle que les effets sur le coût de la synthèse de la structure et de la maintenance somatique sont estimés proches de 0 nM d'uranium dans l'eau. <br /><br /> Un résultat très important se dégageant de ces travaux est que la condition des poissons (structure, maturité, réserve, buffer de reproduction, stade de préparation des "batch") au début de l'expérience dépend de l'individu et conditionne la réponse de celui-ci au stress pendant (toute) l'expérience. Ce problème s'aggrave lorsque nous travaillons avec des poissons zèbres adultes car la contribution de la masse du buffer de reproduction par rapport à la masse totale diffère de manière important entre chaque individu. Ceci affecte alors non seulement les trajectoires de masse dans le temps, mais aussi la concentration interne, car la reproduction représente une voie importante d'élimination de l'uranium. La quantité totale de réserve (à savoir : réserve + buffer de reproduction) conditionne la sévérité de l'effet toxique contribuant ainsi à la variabilité dans les données. En prenant en compte les différences entre les conditions initiales de chaque individu, j'ai pu expliquer les résultats contradictoires publiés dans la littérature ainsi qu'expliquer mes propres résultats sur les effets de l'uranium. La leçon à retenir est que des données acquises sur des individus ne devraient pas être moyennées sur des groupes d'individus. <br /><br />

Les azoles sont des fongicides présents dans les milieux aquatiques et connus pour inhiber des activités enzymatiques de cytochromes P450 (CYP). L'objectif de ce travail de thèse est de caractériser le mécanisme d'action d'un fongicide pharmaceutique, le clotrimazole sur la stéroïdogenèse testiculaire chez le poisson zèbre au travers l'étude d'un réseau de gènes fonctionnels le long de l'axe cerveau-hypophyse-gonade, et d'évaluer la capacité du clotrimazole à perturber la spermatogenèse. Nous montrons que le clotrimazole est capable d'affecter la stéroïdogenèse de manière différente in vitro et in vivo (i) des expositions d'explants testiculaires in vitro conduisent à l'inhibition de la synthèse de 11-kétotestostérone (11-KT), montrant une action directe de la molécule sur le testicule et (ii) l'exposition in vivo provoque une augmentation de l'expression de gènes impliqués dans le processus de la stéroïdogenèse. Nous avons ainsi mis en évidence un système de compensation biologique au niveau de l'organisme, avec un rôle prépondérant de la voie Fsh/FshR dans la médiation des effets du clotrimazole. Enfin, des effets sur la spermatogenèse ont été observés in vivo suite à une exposition chronique au clotrimazole, avec notamment une augmentation de la masse gonadique et du nombre de cellules de Leydig. Les effets tissulaires observés sont cohérents avec des effets mesurés au niveau moléculaire. L'ensemble de ces données montre l'intérêt de la démarche expérimentale utilisée pour caractériser le mécanisme d'action du clotrimazole. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives, en premier lieu sur l'étude de l'impact fonctionnel du clotrimazole sur la reproduction.

Tese(doutorado)-Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Aqüicultura, Instituto de Oceanografia, 2011. / Submitted by Cristiane Silva (cristiane_gomides@hotmail.com) on 2012-06-23T16:27:42Z No. of bitstreams: 1 tese corrigida marcio figueiredo.pdf: 4782449 bytes, checksum: df5bb424fe5c9736a80fdc4a63db03a1 (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2012-07-27T20:22:46Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tese corrigida marcio figueiredo.pdf: 4782449 bytes, checksum: df5bb424fe5c9736a80fdc4a63db03a1 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-07-27T20:22:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese corrigida marcio figueiredo.pdf: 4782449 bytes, checksum: df5bb424fe5c9736a80fdc4a63db03a1 (MD5) Previous issue date: 2011 / A aquicultura tem crescido significativamente nas últimas décadas devido ao aumento da demanda de pescado no mundo e à estagnação do setor pesqueiro. Porém, este crescimento depende do desenvolvimento de novos pacotes tecnológicos que visem o aumento da produtividade. Uma alternativa é a manipulação genética (transgenia), sendo que o hormônio do crescimento (GH) tem sido o principal alvo das pesquisas com peixes transgênicos. Entretanto, está comprovado que o excesso de GH acarreta uma série de efeitos adversos devido a sua ação pleiotrópica. A ativação do eixo somatotrófico de forma tecido-específica e independente do excesso de hormônio circulante pode contornar estes problemas. Neste contexto, o objetivo desta tese foi superexpressar o gene do receptor do GH (GHR) no tecido muscular esquelético do zebrafish (Danio rerio) e estudar os efeitos desta manipulação sobre os mecanismos envolvidos na regulação gênica do crescimento muscular. A linhagem transgênica estável obtida expressa o GHR especificamente no tecido muscular 100 vezes mais do que os não transgênicos. Estes transgênicos não apresentaram aumento significativo no crescimento, provavelmente devido à queda na expressão do fator de crescimento tipo insulina I (IGF-I). Esta queda foi, provavelmente, relacionada à ação dos principais moduladores da sinalização do GH (SOCS1 e 3), os quais apresentaram-se aumentados nos transgênicos. Ainda, foi observada uma queda na expressão das principais proteínas musculares estruturais (Acta1, myhc4 e mylz2), o que explica a ausência de hipertrofia nos transgênicos. Por outro lado, o aumento na expressão dos principais fatores reguladores miogênicos (myod, myf5 e myog) explica a hiperplasia observada nas análises histológicas. Para verificar como a superexpressão do GHR ativou a transcrição dos fatores reguladores miogênicos (MRFs) e, por consequência a hiperplasia, foram estudados os possíveis mecanismos envolvidos neste processo. Dentre estes, tanto a via proliferativa (MEK/ERK) quanto à via relacionada com a síntese protéica (PI3K/Akt), não tiveram alteração na expressão de seus genes. Entretanto, foi observado aumento na expressão das proteínas de transporte para o núcleo (importinas 1, 3 e 1), podendo-se concluir que a ativação dos MRFs está relacionada ao transporte do GHR para o núcleo das células musculares. Desta forma, pode se concluir que hiperplasia e hipertrofia seguem duas vias de sinalização intracelular distintas, ambas desencadeadas pelo GH, mas reguladas por mecanismos diferentes. / Aquiculture practice has been significantly increasing during the last decades due to the fish rising demand and to fishery activity stagnation. However, such increase depends on new technological packages development aiming to productivity rises. Genetic manipulation is an alternative, once growth hormone (GH) has been the main target on transgenic fish researches. Nevertheless, it has been proved that GH excess leads to many adverse effects due to its pleiotropic action. The somatotropic axis activation in a tissue-specific manner and independent on the circulating hormone excess may bypass these problems. Following these ideas, the present thesis objective was overexpressing GH receptor’s gene (GHR), in zebrafish (Danio rerio) skeletal muscular tissue, and studying such manipulation effects over the mechanisms involved in muscular growth gene regulation. The stable transgenic lineage obtained expresses GHR, specifically in muscular tissue, 100 times more than non-transgenic. These transgenic did not present significant growth, possibly due to a gene expression fall in insulin-like growth factor I (IGF-I). The mentioned fall is, probably, related to GH main signaling modulators (SOCS1 and 3) action, which were increased in transgenic. Also, a gene expression fall from the main structural muscle proteins (Acta1, myhc4 and mylz2) was observed, explaining the transgenic hypertrophy absence. However, the main myogenic regulatory factors (myod, myf5 and myog) expression rising explains the observed hyperplasia in histological analysis. Intending to verify how GHR overexpression has activated the myogenic regulatory factors (MRFs) transcription and, consequently, the hyperplasia, the mechanisms possibly involved in this process were studied. Among these, even the proliferative pathway (MEK/ERK) or the pathway related to protein synthesis (PI3K/Akt), did not presented gene expression altering. However, a gene expression rise in transporting proteins into nucleus (importins 1, 3 and 1) was observed, which may be understood as a correlation between MRFs activation and GHR transport into muscular cell’s nucleus. Therefore, it may be understood that hyperplasia and hypertrophy follow two distinct intracellular signaling pathways, both triggered by GH, but regulated by different mechanisms. These data may be important for aquiculture new transgenic lineages development.

Tissue-resident stem cells are present in many adult organs, where they are important for organ homeostasis and repair in response to injury. However, the signals that activate these cells and the mechanisms governing how these cells self-renew or differentiate are highly context dependent and incompletely understood, particularly in non-hematopoietic tissues. In the skin, melanocyte stem cells (McSCs) are responsible for replenishing mature pigmented melanocytes. In mammals, these cells reside in the hair follicle bulge and bulb niches where they are activated during homeostatic hair follicle turnover and following melanocyte destruction, as occurs in vitiligo and other skin hypopigmentation disorders. Recently, we identified adult McSCs in the zebrafish. To elucidate mechanisms governing McSC self-renewal and differentiation fates we analyzed individual transcriptomes from thousands of melanocyte lineage cells during the regeneration process. We identified transcriptional signatures for McSCs, deciphered transcriptional changes and intermediate cell states during regeneration, and analyzed cell-cell signaling changes to discover mechanisms governing melanocyte regeneration. We identified KIT signaling via the RAS/MAPK pathway as a regulator of McSC direct differentiation. Analysis of the scRNAseq dataset also revealed a population of mitfa/aox5 co-expressing cells that divides following melanocyte destruction, likely corresponding to cells that undergo self-renewal. Our findings show how different subpopulations of mitfa-positive cells underlie regeneration and differentiation of at least one subpopulation requires reactivation of developmental KIT signaling to properly reconstitute the melanocyte stripe.

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Nous proposons dans cette thèse de caractériser quantitativement la variabilité à différentes échelles au cours de l'embryogenèse. Pour ce faire, nous utilisons une combinaison de modèles mathématiques et de résultats expérimentaux. Dans la première partie, nous utilisons une petite cohorte d'oursins digitaux pour construire une représentation prototypique du lignage cellulaire, reliant les caractéristiques des cellules individuelles avec les dynamiques à l'échelle de l'embryon tout entier. Ce modèle probabiliste multi-niveau et empirique repose sur les symétries des embryons et sur les identités cellulaires; cela permet d'identifier un niveau de granularité générique pour observer les distributions de caractéristiques cellulaires individuelles. Le prototype est défini comme le barycentre de la cohorte dans la variété statistique correspondante. Parmi plusieurs résultats, nous montrons que la variabilité intra-individuelle est impliquée dans la reproductibilité du développement embryonnaire. Dans la seconde partie, nous considérons les mécanismes sources de variabilité au cours du développement et leurs relations à l'évolution. En nous appuyant sur des résultats expérimentaux montrant une pénétrance incomplète et une expressivité variable de phénotype dans une lignée mutante du poisson zèbre, nous proposons une clarification des différents niveaux de variabilité biologique reposant sur une analogie formelle avec le cadre mathématique de la mécanique quantique. Nous trouvons notamment une analogie formelle entre l'intrication quantique et le schéma Mendélien de transmission héréditaire. Dans la troisième partie, nous étudions l'organisation biologique et ses relations aux trajectoires développementales. En adaptant les outils de la topologie algébrique, nous caractérisons des invariants du réseaux de contacts cellulaires extrait d'images de microscopie confocale d'épithéliums de différentes espèces et de différents fonds génétiques. En particulier, nous montrons l'influence des histoires individuelles sur la distribution spatiales des cellules dans un tissu épithélial. / We propose in this thesis to characterize variability quantitatively at various scales during embryogenesis. We use a combination of mathematical models and experimental results. In the first part, we use a small cohort of digital sea urchin embryos to construct a prototypical representation of the cell lineage, which relates individual cell features with embryo-level dynamics. This multi-level data-driven probabilistic model relies on symmetries of the embryo and known cell types, which provide a generic coarse-grained level of observation for distributions of individual cell features. The prototype is defined as the centroid of the cohort in the corresponding statistical manifold. Among several results, we show that intra-individual variability is involved in the reproducibility of the developmental process. In the second part, we consider the mechanisms sources of variability during development and their relations to evolution. Building on experimental results showing variable phenotypic expression and incomplete penetrance in a zebrafish mutant line, we propose a clarification of the various levels of biological variability using a formal analogy with quantum mechanics mathematical framework. Surprisingly, we find a formal analogy between quantum entanglement and Mendel’s idealized scheme of inheritance. In the third part, we study biological organization and its relations to developmental paths. By adapting the tools of algebraic topology, we compute invariants of the network of cellular contacts extracted from confocal microscopy images of epithelia from different species and genetic backgrounds. In particular, we show the influence of individual histories on the spatial distribution of cells in epithelial tissues.

Nous proposons dans cette thèse de caractériser quantitativement la variabilité à différentes échelles au cours de l'embryogenèse. Pour ce faire, nous utilisons une combinaison de modèles mathématiques et de résultats expérimentaux. Dans la première partie, nous utilisons une petite cohorte d'oursins digitaux pour construire une représentation prototypique du lignage cellulaire, reliant les caractéristiques des cellules individuelles avec les dynamiques à l'échelle de l'embryon tout entier. Ce modèle probabiliste multi-niveau et empirique repose sur les symétries des embryons et sur les identités cellulaires; cela permet d'identifier un niveau de granularité générique pour observer les distributions de caractéristiques cellulaires individuelles. Le prototype est défini comme le barycentre de la cohorte dans la variété statistique correspondante. Parmi plusieurs résultats, nous montrons que la variabilité intra-individuelle est impliquée dans la reproductibilité du développement embryonnaire. Dans la seconde partie, nous considérons les mécanismes sources de variabilité au cours du développement et leurs relations à l'évolution. En nous appuyant sur des résultats expérimentaux montrant une pénétrance incomplète et une expressivité variable de phénotype dans une lignée mutante du poisson zèbre, nous proposons une clarification des différents niveaux de variabilité biologique reposant sur une analogie formelle avec le cadre mathématique de la mécanique quantique. Nous trouvons notamment une analogie formelle entre l'intrication quantique et le schéma Mendélien de transmission héréditaire. Dans la troisième partie, nous étudions l'organisation biologique et ses relations aux trajectoires développementales. En adaptant les outils de la topologie algébrique, nous caractérisons des invariants du réseaux de contacts cellulaires extrait d'images de microscopie confocale d'épithéliums de différentes espèces et de différents fonds génétiques. En particulier, nous montrons l'influence des histoires individuelles sur la distribution spatiales des cellules dans un tissu épithélial. / We propose in this thesis to characterize variability quantitatively at various scales during embryogenesis. We use a combination of mathematical models and experimental results. In the first part, we use a small cohort of digital sea urchin embryos to construct a prototypical representation of the cell lineage, which relates individual cell features with embryo-level dynamics. This multi-level data-driven probabilistic model relies on symmetries of the embryo and known cell types, which provide a generic coarse-grained level of observation for distributions of individual cell features. The prototype is defined as the centroid of the cohort in the corresponding statistical manifold. Among several results, we show that intra-individual variability is involved in the reproducibility of the developmental process. In the second part, we consider the mechanisms sources of variability during development and their relations to evolution. Building on experimental results showing variable phenotypic expression and incomplete penetrance in a zebrafish mutant line, we propose a clarification of the various levels of biological variability using a formal analogy with quantum mechanics mathematical framework. Surprisingly, we find a formal analogy between quantum entanglement and Mendel’s idealized scheme of inheritance. In the third part, we study biological organization and its relations to developmental paths. By adapting the tools of algebraic topology, we compute invariants of the network of cellular contacts extracted from confocal microscopy images of epithelia from different species and genetic backgrounds. In particular, we show the influence of individual histories on the spatial distribution of cells in epithelial tissues.

Die Körpergröße ist von großer Bedeutung für die Fitness vieler Tiere, weil sie positiv mit Überleben und Reproduktionserfolg korreliert ist. Große Rogner vieler Fischarten sind fruchtbarer und produzieren Nachkommen von höherer Qualität verglichen mit kleineren Weibchen. Auch für Milchner einiger Fischarten wurde ein Einfluss der Körpergröße auf frühe Lebensstadien nachgewiesen. Der größenabhängige paternale Effekt verglichen mit maternalen Effekten ist weniger gut untersucht. Das Verständnis der Variation im Reproduktionserfolg als Funktion der Körpergröße der Laicher ist wichtig, weil die Fischerei die Durchschnittsgröße des Laicherbestands reduziert. In vorliegender Dissertation wurden in Laborversuchen an Zebrafischen (Danio rerio) größenabhängige paternale und maternale Effekte auf den Reproduktionserfolg und die Auswirkungen größenselektiver Entnahme auf Körperlänge, Reifung und Reproduktionserfolg untersucht. Die Köperlänge und Kondition waren wichtige Determinanten der Reifung bei Zebrafischen. Größere Rogner zeigten höheren Reproduktionserfolg als kleinere Fische und ein signifikanter Einfluss der Milchnerkörperlänge auf die frühen Lebensstadien ihrer Nachkommen wurde dokumentiert. Längere Männchen wurden von Rognern auch bei der Paarung bevorzugt. Die größenabhängigen maternalen und paternalen Effekte waren ausschlaggebend für den erhöhten Reproduktionserfolg von Zebrafischlaichbeständen, die, verglichen mit kleinen Laichern, aus großen oder zufällig zusammengesetzten Individuen zusammengesetzt waren. Die größenselektive Entnahme führte zu phänotypischen und genetischen Veränderungen, die nach Einstellung der experimentellen Befischung persistierten. Das deutet an, dass die durch die Fischerei ausgelöste Evolution schwierig umkehrbar sein könnte. Die Köpergröße ist von überragender Bedeutung in der Reproduktionsbiologie des Zebrafisches und der Schutz großer Laichfische kann wichtig für den Erhalt der Reproduktionskapazität von befischten Beständen sein. / Body size is a fundamentally important trait for fitness in many animal species because it correlates positively with survival and reproductive success. In many fish species, large females exhibit higher fecundity and produce higher quality offspring compared to small females. Similarly, male body size can affect offspring quality and early life-history traits but the importance of these effects to the reproductive biology of fish is poorly studied. The extent to which variation in reproductive success is explained by parental body size is an important research topic because size-selective fishing usually reduces the average size of reproducing adults in a population. In my dissertation, I studied the parental size effects on reproductive success in a model species (zebrafish, Danio rerio). I also studied the effects of size-selective harvesting on body size, maturation and reproductive output. Body size and condition factor were important determinants of the initiation of maturation in zebrafish. Large females were found to have higher reproductive success compared to small females and a significant effect of male body size on early life-history traits was documented. I found that large males were also favored by the females resulting to differential allocation of reproductive resources toward large males. The maternal- and paternal-size effects ultimately led to elevated reproductive success of experimental spawning stocks consisting of large or random-sized individuals compared to spawning stocks consisting of small individuals. Size-selective harvesting induced rapid phenotypic and genetic changes, which persisted after selection was halted. This suggests that fishing-induced changes might be hard to reverse. My results emphasize the importance of body size to the reproductive biology of zebrafish and suggest that protecting large fish might be important to maintain the reproductive potential of exploited fish stocks.

L’uranium (U) est naturellement présent à l’état de trace dans l’eau (µg.L-1), sa concentration pouvant atteindre localement quelques mg.L-1 du fait des activités anthropiques. Plusieurs études écotoxicologiques sur Danio rerio ont mis en évidence la toxicité, e.g. le stress oxydant, la génotoxicité mais aussi la reprotoxicité (i.e. moins de pontes et d’œufs pondus chez les poissons contaminés) de l’U dont les mécanismes ne sont pas connus.L’objectif de cette étude est de contribuer à la compréhension de la reprotoxicité de l’U par l’élucidation de mécanismes moléculaires perturbés après contamination. Pour cela, des investigations ont été menées sur les ovaires de poissons zèbre Danio rerio, reproduits (R) ou non (NR), après exposition par voie directe en condition de laboratoire à des concentrations représentatives d’environnements contaminés.Ce travail de thèse a été divisé en deux volets. Un premier volet analytique avait pour but la poursuite des développements de méthodes pour l’identification des complexes U-protéines en condition non dénaturante, autour du couplage de techniques de séparation (chromatographie d’exclusion stérique SEC, électrophorèse hors gel OGE) et de détection sensible par spectrométrie de masse élémentaire (ICP MS) et moléculaire (ESI MS). Le second volet a été dédié à l’étude de la reprotoxicité de l’U à l’échelle moléculaire, avec i) l’étude des complexes natifs U-protéines (approche métallomique), et ii) l’analyse différentielle de l’expression des protéines (approche protéomique).Les développements analytiques ont permis de garder le tampon physiologique et non dénaturant d’extraction pour l’étape de séparation OGE, améliorant le taux de recouvrement en U. En écotoxicologie, les principaux résultats montrent que l’ovaire est un organe accumulateur de l’U et que le statut de reproduction a une influence sur le niveau d’accumulation (R<NR). En revanche, cet état a peu d’influence sur sa distribution protéique pour laquelle 4 fractions (dont 1 principale) ont été identifiées, toutes contenant aussi du phosphore. L’identification des cibles potentielles de l’U et des protéines exprimées différentiellement (vtg, GST, GAPDH,…) a montré que les processus biologiques perturbés suite à la contamination sont de deux niveaux : 1/ générique (stress oxydant) et 2/ plus spécifique de la gonade (développement et maturation des ovocytes). En conclusion, ces deux approches complémentaires ont permis de mettre en évidence un effet direct (complexation) et indirect (expression protéique modulée) de l’U, et de proposer l’hypothèse d’un défaut de maturation des ovocytes après contamination. Ce défaut pourrait impacter le développement embryonnaire et in fine expliquer la reprotoxicité observée lors d’études écotoxicologiques précédentes. / Uranium (U) is naturally presents at trace level (µg.L-1) in aquatic environment; its concentration can increase up to a few mg.L-1 due to human activities. Several ecotoxicological studies have shown uranium toxicity in contaminated zebrafishes Danio rerio, e.g. oxidative stress, genotoxicity and reprotoxicity (i.e. lower number of spawn and eggs laid) but mechanisms are not well known.The objective of this study is to contribute to the understanding of uranium reprotoxicity by elucidating the disrupted molecular mechanisms after contamination. Therefore, investigations have been carried out on ovaries from reproduced (R) and non-reproduced (NR) zebrafishes after waterborne exposure in laboratory conditions at environmentally relevant concentrations.This project was divided into two parts. Firstly, analytical investigations were carried out to continue the development of non-denaturing methods for U-protein identification by coupling separative techniques (size exclusion chromatography SEC, off gel electrophoresis OGE) with elemental (ICP MS) and molecular (ESI MS) sensitive mass spectrometry detection. Secondly, studies of U reprotoxicity were investigated by studying i) native U-protein complexes (metallomics approach) and ii) differential analysis of protein expression (proteomics approach)Analytical developments allowed keeping the physiological and non-denaturing extraction buffer for OGE separation step, improving U recovery. In ecotoxicology, the major results showed that ovary is an U accumulating organ and that the reproduction status modifies the accumulation level (R<NR). However, this status is of little influence on its distribution on proteins with 4 fractions (including a major one) determined, all of them coeluting with phosphorus. The identification of U potential targets and of protein expression differences (vtg, GST, GAPDH…) showed that biological processes disrupted after contamination are at two levels: 1/ generic (oxidative stress) and 2/ more specific to gonad (oocyte development and maturation).As a conclusion, these two complementary approaches showed a direct (complexation) and indirect (modification of protein expression) effects of U, and enabled to hypothesize a lack of oocyte maturation after contamination. This defect could impact embryo development and in fine explain the reprotoxicity observed in previous ecotoxicological studies.

Diese Dissertation ist ein Beitrag zum Forschungsfeld der Stressökologie, im Spe-ziellen der Verhaltensökotoxikologie. Das spontane lokomotorische Verhalten der Fischarten Danio rerio und Leucaspius delineatus wurde unter sublethaler Expo-sition mit dem Cyanobakterientoxin Microcystin-LR (MC-LR) und dem Xenobio-tikums 2.4.4`-Trichlorobiphenyl (PCB 28) quantifiziert. Die Schwimmgeschwin-digkeit und Anzahl der Wendungen wurden kontinuierlich mit einem automati-schen Video-Monitoringsystem unter Laborbedingungen aufgezeichnet. In Hin-blick auf zyklische Aspekte wurden die Verhaltensanalysen mit chronobiologi-schen Methoden kombiniert. Hiermit wurde gezeigt, dass MC-LR und PCB 28 zu signifikanten Effekten in Verhalten und Aktivitätsrhythmik beider Fischarten führten. Höhere Konzentrati-onen beider Untersuchungssubstanzen verursachten eine deutliche Aktivitätsredu-zierung bei Danio rerio und Leucaspius delineatus. Einige der festgestellten Do-sis-Wirkungsbeziehungen entsprechen der Hormesistheorie, z. B. war bei geringe-ren MC-LR Konzentrationen ein Aktivitätsanstieg und bei höheren ein Aktivitäts-abfall beider Fischarten zu verzeichnen. Die Exposition mit MC-LR und PCB 28 verringerte bei beiden Testfischarten die Synchronisation der Aktivität mit dem Zeitgeber Licht. Dies führte bei beiden Fischarten zu einer Phasenverschiebung. Bei Leucaspius delineatus war unter dem Einfluss von MC-LR eine Phasenumkehr zu verzeichnen, die Fische wechselten von Tag- zu Nachtaktivität. Die Cosinor Analyse zeigte Dosis abhängige Veränderungen der circadianen Rhythmen der Schwimmaktivität (z.B. MESOR, Akrophase) unter Einfluss von MC-LR und PCB 28 an. Die Power Spektral Analyse indizierte für beide Fischar-ten unter Einwirkung von MC-LR and PCB 28 eine reduzierte Dominanz des cir-cadianen Rhythmuspeaks. Da die registrierten Unterschiede in der Reaktion beider Fischarten auf MC-LR und PCB 28 eher gering waren, sind Ergebnisse der Art Danio rerio, die häufig in Toxizitätstests verwendet wird, mit denen der einheimischen Art Leucaspius deli-neatus vergleichbar. Die Ergebnisse belegen, dass Verhaltensuntersuchungen in Kombination mit chronobiologischen Auswertemethoden eine sensitive und zuverlässige Abschät-zung des Gefährdungspotentials von Substanzen sowohl auf dem Gebiet der Öko-toxikologie als auch für Biomonitoring ermöglichen. / This thesis contributes to the field of stress ecology specifically behavioural ecotoxicology. The spontaneous locomotor behavior of two fish species Danio re-rio and Leucaspius delineatus was recorded and quantified continuously under sublethal exposure to the cyanotoxin microcystin-LR (MC-LR) and the xenobioti-cum 2.4.4`-trichlorobiphenyl (PCB 28). By using an automated video-monitoring system, the swimming velocity and the number of turns were assessed under labo-ratory conditions. For analysing cyclic aspects basic behavioural analyses were combined with chronobiological procedures as cosinor analysis and power spec-tral analysis. Both MC-LR and PCB 28 acted as stressors and caused significant changes in the behaviour and circadian activity rhythms of Danio rerio as well as Leucaspius de-lineatus. So for both species elevated concentrations of the stressors led to a re-duction of their activity. Some dose-responses correspond to the hormesis theory, e.g., there was an increase of daytime activity at lower MC-LR concentrations and a decrease at elevated concentrations of MC-LR for both species. A degree of desynchronisation of activity to the zeitgeber light, which led to a phase shift was caused by the chemicals in both fish species. In Leucaspius de-lineatus this shift was so drastic that this species reversed their significant diurnal activity and became nocturnal under the influence of MC-LR. The Cosinor analysis revealed MC-LR- and PCB 28-induced, dose-dependent al-terations of the circadian rhythms of activity (e.g., MESOR, acrophase). The power spectral analysis showed that the dominance of the circadian rhythmic peak (of 24 h) was reduced under MC-LR and PCB 28 for both species. Since the observed differences in the reactions of both species to MC-LR and PCB 28 were rather small, the results of the species Danio rerio which is widely used for environmental risk assessment tests, are comparable to those of the native European species Leucaspius delineatus. The findings of this study proved that the basic behavioural analyses combined with chronobiological procedures could be valuable tools for the study of stressful or even harmful environmental factors in the field of ecotoxicology as well as for biomonitoring.