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

Les milieux aquatiques constituent des réservoirs ultimes pour de nombreux polluants organiques persistants,notamment les polychlorobiphényles (PCB, composés bioaccumulables) et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP, composés accumulés dans le sédiment et métabolisés par les vertébrés). Les poissons peuvent être exposés à ces polluants à plusieurs stades de vie, ce qui peut altérer leur intégrité fonctionnelle. Les objectifs de cette thèse étaient d'évaluer les altérations physiologiques entrainées par des expositions représentatives de situations environnementales. Ainsi, d'une part, des juvéniles et adultes de poissons zèbres ont été exposés par voie trophique à des mélanges de PCB représentatifs des estuaires européens. Les résultats montrent que la bioaccumulation varie en fonction des congénères de même que le transfert vers les oeufs, et pour ce dernier, le niveau de substitution par des chlores est déterminant. Une altération de la reproduction caractérisée par une réduction du taux de fécondation et l'apparition d'une atrésie folliculaire massive ont été montrées. Ces travaux pourraient être complétés 1) au niveau moléculaire pour mieux comprendre les mécanismes sous-jacents et notamment l'activité perturbateur endocrinien et 2) par l'évaluation des effets au niveau des populations par une approche de modélisation. D'autre part, des embryons ont été exposés pendant 96h à des sédiments enrobés par des HAP individuels. Les phénotypes obtenus sont conformes aux effets décrits pour ces HAP et ont permis de valider la procédure d'exposition. Cette procédure pourrait être utilisée pour évaluer la toxicité de sédiments naturels après extraction de la fraction aromatique, ainsi que pour évaluer la toxicité de molécules hydrophobes. Pour être fiable dans le cadre de tests, il reste indispensable d'identifier des marqueurs précoces d'effets tardifs pour éviter de sous-estimer la toxicité d'un composé.

Suite aux accidents nucléaires de Tchernobyl (1986) ou Fukushima (2011), de grandes quantités de radioéléments ont été disséminées dans l’environnement. Parmi ces derniers, le césium 137 est le radionucléide le plus abondant et constitue la principale source d’exposition des populations avoisinantes sur le long terme, notamment par son intégration dans la chaîne alimentaire. Ce sont quelques milliers de becquerels qui sont quotidiennement ainsi ingérés. Un important questionnement concerne donc les effets potentiels que peuvent induire une telle exposition sur les fonctions physiologiques.Concernant le système cardiovasculaire, il existe une corrélation entre la dose d’exposition et la fréquence d’apparition de pathologies cardiovasculaires. Cependant, lorsqu’il s’agit d’une exposition à faibles doses, comme en cas de situations post-accidentelles, les études ne sont pas toutes en accord, dû au caractère multifactoriel de ces maladies, une grande prudence est nécessaire quant à l’interprétation des données épidémiologiques. Ainsi, ce travail de thèse vise à compléter les études épidémiologiques disponibles suivant une exposition interne à faibles doses de césium 137, et plus particulièrement dans le cadre de la pathologie athéromateuse. En effet, l’athérosclérose est reconnue comme étant la 1ère cause de mortalité/morbidité dans les pays industrialisés. Des animaux prédisposés à la pathologie (souris ApoE-/-), ont été exposés à des concentrations de césium de 4 à 100 kBq.L-1 pendant 3, 6 ou 9 mois.Ainsi, au bout de 3 mois d’exposition, les animaux ayant reçu la plus forte concentration présentent une augmentation de certains paramètres inflammatoires, notamment IFN-γ et VCAM-1, ainsi qu’une augmentation de l’épaisseur média-intima comparé aux animaux témoins. De plus, nous avons noté des variations concomitantes de l’expression d’enzymes pro/anti oxydantes (p47, p67, GPx). Ces observations ne perdurent pas au fil du temps. En effet, après 6 et 9 mois d’exposition, les plaques d’athérome qui se sont formées présentent des caractéristiques de stabilité plus importantes que les animaux témoins, avec des paramètres pro-inflammatoires (CRP, TNF-α, MCP-1 et IFN-γ) diminués, une augmentation du contenu en collagène, ainsi qu’une baisse de l’expression de certaines collagénases.L’ensemble de ces résultats suggèrent qu’une exposition interne chronique à faibles doses de césium 137 ne potentialise pas la pathologie athéromateuse dans notre modèle expérimental. Une telle exposition induit la mise en place d’une réponse adaptative au cours du temps, allant en faveur d’une amélioration du phénotype des plaques d’athérome, en agissant sur la balance des cytokines pro/anti inflammatoires, ainsi qu’une modulation du système anti-oxydant. / Large amounts of radionuclides were released in the environment after the Chernobyl (1986) or Fukushima-Daichii (2011) nuclear accidents, and mostly cesium 137. Populations living in contaminated territories are chronically exposed to radionuclides by ingestion of contaminated food. There is a real interrogation about the potential effects that could be induced following such ionizing exposure on physiological functions in the long term.Concerning the cardiovascular system, there is a correlation between the irradiation dose and the appearance of cardiovascular diseases. However, when we focused on post-accidental situations, with a low dose exposure, available data are not all in accordance, due to multifactorial aspect of these pathologies. Epidemiological results should be interpreted carefully.Thus, the aim of my thesis is to complete epidemiological studies about chronic internal γ low dose exposure, using cesium 137, in an atheromatous context. Atherosclerosis and its consequences are known to be the main cause of mortality/morbidity in industrialized countries.Predisposed animals (ApoE-/- mice) were exposed to 137Cs through the drinking water. The concentration range was 4 to 100 kBq.L-1, to surround concentration found in contaminated territories around Chernobyl. Exposure times were 3, 6 or 9 months to follow atherosclerosis progression.After 3 months exposure, for the early stages, mice exposed to the highest dose presented an increase in some inflammatory cytokines, notably IFN-γ and VCAM-1, with an intimal-medial thickness increased compared to non-exposed animals. Moreover, at this time exposure, we noticed concomitant variation of genic expression of pro and anti-oxydative enzymes (p47, p67, GPx). These effects are only transient and do not perdure over the time. Indeed, after 6 and 9 months exposure, atheromatous plaque observed in the aortic sinus, present more stability parameters than the control group (collagen), with also a decrease in pro-inflammatory profile cytokines expression (CRP, TNF-α, MCP-1 et IFN-γ), and MMPs expression, and increase in GPx activity compared to the control group.All together, these results suggest that chronic internal exposure to low dose ionizing radition with 137Cs do not potentiate atherosclerosis progression. Such exposure induces an adaptive response along the experimental process, with an amelioration of atheromatous plaque phenotype, acting on the balance of pro/anti-inflammatory cytokines, pro/anti oxydant system.

Les nanoparticules métalliques manufacturées (NPs) sont des polluants émergents dont la concentration augmente dans les sols en raison de leur utilisation croissante dans de nombreux produits commerciaux de la vie courante (cosmétiques, aliments, peintures…). Des études in vitro ont montré la toxicité des NPs pour les microorganismes, mais il existe encore peu de données sur l'écotoxicité et le devenir de ces contaminants dans les sols. L'objectif de cette thèse est donc d'évaluer l'influence des paramètres abiotiques du sol sur (i) les caractéristiques physico-chimiques et le transfert des NPs, et (ii) sur la toxicité des NPs pour les communautés microbiennes du sol, en particulier pour des groupes fonctionnels microbiens impliqués dans le cycle du carbone et de l'azote. Nous avons mis en évidence que les propriétés du sol influençaient l'agrégation et la charge de surface des NPs de dioxyde de titane (TiO2) et d'oxyde de cuivre (CuO). Dans les six sols agricoles étudiés, nous avons observé un transport très faible des NPs testées lors d'une expérimentation en colonnes de sols. Nous avons mis en évidence une absence de toxicité des NPs de TiO2 sur les communautés microbiennes, sauf dans un sol limono-argileux à forte teneur en matière organique. Dans ce sol, des effets négatifs ont été observés après 90 jours d'exposition sur les activités microbiennes, sur l'abondance des microorganismes nitrifiants et la diversité des bactéries et des archées. Des études complémentaires en colonnes de sol, ont permis de mettre en évidence des effets délétères des NPs plus importants que la nitrification lors d'une contamination chronique au TiO2 que lors d'une contamination aigüe / Manufactured metallic nanoparticles (NPs) are emerging pollutants of soils due to their increasing utilization in numerous commercial products (cosmetics, food, paint…). In vitro studies have demonstrated NPs toxicity on microorganisms but data are still scarce on the fate and ecotoxicity of these contaminants in soils. The objective of this thesis was to assess the influence of soil properties on (i) the physicochemical characteristics and the transport of NPs, and (ii) on the NPs toxicity on soil microbial communities, especially on microbial functional groups involved in carbon and nitrogen cycles. This work highlighted that soil properties influenced the aggregation and the surface charges of titanium dioxide NPs (TiO2-NPs) and copper oxide NPs (CuO-NPs). In the six agricultural soils studied, we observed a very low transport of the two NPs in a soil column experiment. We observed a low toxicity of TiO2-NPs for soil microbial communities, except in a silty-clay soil with a high organic matter content. In this soil, microbial activities (soil respiration, nitrification and denitrification) and nitrifier abundances were strongly decreased and archaeal and bacterial community structure were altered after 90 days of exposure. Furthermore in this soil, we observed decreases of nitrification activity, even for very low TiO2-NPs concentrations (0.05 mg kg-1) which were explained by a high sensitivity of ammonia-oxidizing archaea (AOA) involved in this process. Additional studies in soil columns demonstrated that chronic contamination with TiO2-NPs caused more deleterious effects on nitrification than acute contamination

L'évaluation de l'impact écologique d'une exposition aux rayonnements ionisants est devenue une préoccupation majeure. L'objectif de ce doctorat était d'étudier les effets multigénérationnels d'une irradiation gamma chronique selon une approche intégrée, des traits d'histoire de vie aux mécanismes subcellulaires chez un organisme modèle, le nématode Caenorhabditis elegans. L'étude des effets d'une irradiation gamma chronique sur les traits d'histoire de vie de C. elegans a d'abord été effectuée. Pour cela, trois générations ont été exposées et deux générations ont été placées en environnement « contrôle » après exposition parentale. Puis, différents mécanismes subcellulaires pouvant expliquer les effets observés sur les traits d'histoire de vie ont été par la suite caractérisés. Les résultats obtenus ont mis en évidence que (i) la reproduction était le critère d'effet le plus sensible, (ii) une augmentation de la radiosensibilité était observée sur trois générations exposées et (iii) les effets de la génération parentale étaient transmis aux générations non-exposées. Une augmentation de l'apoptose, une diminution du stock de spermatozoïdes et du nombre de cellules mitotiques semblent expliquer la diminution de la reproduction dans les générations exposées. Seule une diminution du nombre de spermatozoïdes a été observée en parallèle d'une diminution de la reproduction dans les générations placées non exposées. Ce projet de recherche a permis d'apporter des connaissances sur les effets multigénérationnels d'une irradiation gamma et montre l'intérêt d'utiliser une approche intégrée pour mieux comprendre les mécanismes d'action liés à l'action d'un polluant. / The environmental risk assessment of chronic exposure to ionizing has become a major concern. The aim of this PhD was to study the multigenerational effects of chronic gamma radiation in an integrated manner (to the life history traits from the subcellular mechanisms) in a model organism, the nematode Caenorhabditis elegans. First, studying the effects of chronic gamma radiation on the life history traits of C. elegans was performed. For that, three generations have been exposed to different dose rates and two generations have been placed in "control" environment after parental exposure. The second part of this thesis aimed to characterize the different subcellular mechanisms that could explain the observed effects on the life history traits after multigenerational exposure. The results showed that (i) the reproduction was the most sensitive endpoint to gamma radiation, (ii) an increase in radiosensitivity was observed over three exposed generations and (iii) the effects of the parental generation were transmitted to the non-exposed generations. An increase in apoptosis, a reduction in the stock of sperm, and to a lesser extent, a decrease in the number of mitotic cells, could explain the observed decrease in reproduction for the exposed generations. Only a decrease in sperm number was observed in parallel with a reduction in the cumulative number of larvae in the non-exposed generations. This research contributes to our knowledge on the multigenerational effects of gamma irradiation and shows the importance of an integrated approach to better understand the mechanisms of action related to the action of a pollutant and improve the environmental risk assessment.

Les milieux aquatiques constituent des réservoirs ultimes pour de nombreux polluants organiques persistants,notamment les polychlorobiphényles (PCB, composés bioaccumulables) et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP, composés accumulés dans le sédiment et métabolisés par les vertébrés). Les poissons peuvent être exposés à ces polluants à plusieurs stades de vie, ce qui peut altérer leur intégrité fonctionnelle. Les objectifs de cette thèse étaient d'évaluer les altérations physiologiques entrainées par des expositions représentatives de situations environnementales. Ainsi, d’une part, des juvéniles et adultes de poissons zèbres ont été exposés par voie trophique à des mélanges de PCB représentatifs des estuaires européens. Les résultats montrent que la bioaccumulation varie en fonction des congénères de même que le transfert vers les oeufs, et pour ce dernier, le niveau de substitution par des chlores est déterminant. Une altération de la reproduction caractérisée par une réduction du taux de fécondation et l'apparition d'une atrésie folliculaire massive ont été montrées. Ces travaux pourraient être complétés 1) au niveau moléculaire pour mieux comprendre les mécanismes sous-jacents et notamment l'activité perturbateur endocrinien et 2) par l'évaluation des effets au niveau des populations par une approche de modélisation. D’autre part, des embryons ont été exposés pendant 96h à des sédiments enrobés par des HAP individuels. Les phénotypes obtenus sont conformes aux effets décrits pour ces HAP et ont permis de valider la procédure d'exposition. Cette procédure pourrait être utilisée pour évaluer la toxicité de sédiments naturels après extraction de la fraction aromatique, ainsi que pour évaluer la toxicité de molécules hydrophobes. Pour être fiable dans le cadre de tests, il reste indispensable d'identifier des marqueurs précoces d'effets tardifs pour éviter de sous-estimer la toxicité d'un composé. / Aquatic environments are ultimate reservoir for many persistent organic pollutants, including polychlorinatedbiphenyls (PCBs, bioaccumulative compounds) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs, compoundsaccumulated in the sediment and metabolized by vertebrates). Fish can be exposed to these pollutants at different life stages which can alter their functional integrity. The objectives of this PhD were to assess physiological alterations following exposure to mixtures representative of environmental situations. Thus, on the one hand,juvenile and adult zebrafish were exposed through the trophic pathway to PCB mixture representative of European Estuaries. The results showed that bioaccumulation varied with the congeners as well as transfer to eggs and for the latter, the level of chlorination is decisive. Impaired reproduction characterized by a reduction in the rate of fertilization and the appearance of a massive follicular atresia were shown. This work could be completed 1) at the molecular level to better understand the underlying mechanisms including endocrine disruptive activity and 2) by the evaluation of effects at the population level by a modelling approach. On the other hand, embryos were exposed for 96 h to sediment spiked with individual PAHs. The obtained phenotypes were consistent with the effects described for these PAHs and thus validated the exposure process. This procedure could be used to assess the toxicity of natural sediment after extraction of the aromatic fraction as well as to assess the toxicity of hydrophobic molecules. To be reliable tests, it remains essential to identify early markers of late effects to avoid under estimating the toxicity of a compound.

Les facteurs environnementaux que sont le Bisphénol A (BPA), un perturbateur endocrinien, et le Benzo[a]pyrène (B[a]P), un agent génotoxique, représentent un véritable enjeu parmi les facteurs de risques du cancer du sein associés à l'exposition environnementale. Nos objectifs sont d'explorer l'impact d'une exposition chronique à de faibles doses (10-10 M) de BPA et/ou de B[a]P sur l'agressivité de la lignée cellulaire pré-cancéreuse mammaire MCF10AT1 (immortelle, transformée, ER-, PR-, HER2-). Les buts principaux sont : (i) d'explorer si la combinaison de deux molécules possédant deux mécanismes d'action distincts conduit à un effet potentialisé par rapport à l'exposition aux molécules seules ; (ii) d'identifier et de prévenir les mécanismes moléculaires et cellulaires associés à cette exposition multiple. Nos résultats démontrent que l'exposition chronique des MCF10AT1 à de faibles doses de BPA et/ou de B[a]P induit un phénotype cellulaire agressif de façon temps-dépendant, avec un effet potentialisé pour la combinaison BPA+B[a]P, comparée aux molécules seules. Le phénotype observé est un phénotype acquis, car toujours présent 30 jours post-exposition. Nous avons également déterminé dans les cellules MCF10AT1 la présence et la fonctionnalité de deux récepteurs : le récepteur Aryl hydrocarbon (AhR) liant le B[a]P et le récepteur couplé à la protéine G (GPER1/GPR30) liant le BPA. D'un point de vue mécanistique, ces deux récepteurs sont impliqués dans le phénotype cellulaire agressif BPA et/ou B[a]P-dépendant, et notre travail révèle un nouveau cross-talk fonctionnel entre ces deux récepteurs. L'inhibition in vitro d'AhR et de GPR30 (inhibiteurs chimiques ou siRNA) permet de bloquer les effets délétères de l'exposition chronique au BPA et/ou au B[a]P. Enfin, l'analyse rétrospective de tumeurs primitives du sein ER-négatives démontre que la signature moléculaire GPR30/AhR possède une valeur de mauvais pronostic, alors que l'expression de GPR30 ou d'AhR n'en possède pas. L'ensemble de ces résultats souligne donc le rôle particulier que joue la présence concomitante d'AhR et de GPR30 dans des cellules précancéreuses/cancéreuses mammaires. En conclusion, nos résultats permettent d'identifier des cibles potentielles pour le développement de nouvelles stratégies préventives capables de bloquer la carcinogenèse mammaire due à l'exposition chronique au BPA et/ou B[a]P, et d'envisager des nouveaux biomarqueurs de cette exposition environnementale / Environmental factors such as Bisphenol A (BPA), an endocrine disruptor, and Benzo[a]pyrene (B[a]P), a genotoxic agent, represent a real issue among the environmental risk factors for breast cancer. Our objectives are to investigate the impact of chronic and low doses exposure to BPA (10-10 M) and/or B[a]P on the aggressiveness of the mammary pre-cancerous cell line MCF10AT1 (immortal, transformed, ER-, PR-, HER2-). The main aims are: (i) explore whether an exposure to the combination of two molecules with two distinct mechanisms of action has a greater impact than the molecules tested alone; (ii) identify and prevent the associated molecular and cellular mechanisms. Our results demonstrate that chronic exposure of MCF10AT1 to low doses of BPA and/or B[a]P induces an aggressive cell phenotype in a time-dependent manner, with a greater effect for (BPA + B[a]P) combination compared to single molecules. The observed phenotype is an acquired phenotype, as it still persists 30 days post-exposure. We also determined the presence and functionality of two receptors in the MCF10AT1 cells: the Aryl hydrocarbon receptor (AhR) binding B[a]P and the G binding protein receptor (GPER1 / GPR30) binding BPA. Mechanistically, these two receptors are involved in the BPA and/or B[a]P-induced aggressive phenotype, and our study reveals a new functional cross-talk/interplay between these two receptors. In vitro, the inhibition of AhR and GPR30 (chemical inhibitors or siRNA) can block the deleterious effects of chronic exposure to BPA and/or B[a]P. Finally, a retrospective analysis of primary ER-negatif subclass breast tumors demonstrates that the GPR30/AhR gene expression signature has a poor prognosis value, whereas GPR30 or AhR mRNA levels were poorly informative. All these results underline the particular role played by the concomitant presence of AhR and GPR30 in mammary precancerous/cancerous cells. In conclusion, our results allow us to identify potential targets for the development of new preventive strategies capable of blocking mammary carcinogenesis due to chronic exposure to BPA and/or B[a]P, and to consider new biomarkers for environmental exposure