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

Une analyse protéomique de la fraction membranaire d'un échantillon foie de rat fortement enrichi en lysosomes a mené à la découverte de l'Onzin parmi les protéines les plus abondantes. Nous avons montré que cette petite protéine riche en cystéines et fortement conservée entre différentes espèces est majoritairement présente dans les organes lymphoïdes et dans le tube digestif. La distribution intracellulaire de l'Onzin dans le foie de souris a été étudiée par des techniques de centrifugation, notamment en induisant in vivo par différentes substances (invertase de levure, Triton WR-1339 et billes de latex) le changement de la densité des lysosomes et des phagosomes. Nous déduisons de ces expériences que l'Onzin est associée à un compartiment de la voie endocytaire en relation dynamique avec le lysosome des cellules de Kupffer. Ces résultats ont également été confirmés et précisés par des approches biochimiques et morphologiques en utilisant des macrophages péritonéaux de souris.

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La qualité de l'eau du lac Saint-Pierre (LSP), le plus grand lac fluvial du fleuve Saint-Laurent, est notamment compromise par le déversement d’une mixture composée de métaux et de pesticides provenant des rejets des industries, des effluents municipaux et de l’exploitation des terres agricoles dans son bassin versant. Cette contamination est d'autant plus importante dans les zones du lac caractérisées par une végétation dense favorisant la rétention et la sédimentation de la matière en suspension. Or, ces herbiers aquatiques, qui occupent de vastes étendues du LSP, servent de frayère pour plusieurs poissons, dont la perchaude (Perca flavescens). Cette espèce est donc particulièrement affectée par la dégradation des habitats aquatiques du LSP. À la suite d’un déclin important de ses populations depuis la fin des années 1990 en raison de son important intérêt commercial et sportif, un moratoire de cinq ans sur la pêche de la perchaude a été imposé en 2012 et reconduit jusqu’en 2022, puisque l’incapacité de rétablissement des populations de perchaudes semble persister. La présente étude vise à évaluer l'hypothèse que cette incapacité de rétablissement, qui se reflète par un recrutement déficient, soit en partie attribuable à l'impact de la contamination chimique sur la reproduction, soit par des effets toxiques potentiels sur les femelles ovigères, sur les œufs ou sur les jeunes larves pendant les premiers mois. Dans un premier temps, nous avons évalué l’hypothèse que le glyphosate, herbicide à large spectre et ingrédient actif de la formulation Roundup®, ait un impact indirect sur les jeunes perchaudes en décimant les communautés de biofilms périphytiques, source d’alimentation des invertébrés dont se nourrissent les jeunes larves. Cette suite d’effets contribuerait à l’accroissement de la mortalité hivernale des jeunes de l’année, due à une insuffisance de ressources énergétiques. Or, nos résultats démontrent que peu importe l’âge, et par le fait même l’épaisseur des biofilms, le glyphosate, en concentrations environnementales réalistes, ne semble pas impacter négativement la composition des communautés ou le métabolisme de la chlorophylle des biofilms. Seul l’âge (2 mois, 1 an, 20 ans) de ces derniers semblait en effet influencer la composition taxonomique des communautés. Nous avons cependant observé une augmentation de l’abondance relative d’Anabaena, un taxon de cyanobactérie toxique qui possède une forme résistante rare de l’enzyme EPSPS, cible principale du mode d’action du glyphosate. Cette étude contribue à l’avancement des connaissances sur les effets de l’herbicide le plus utilisé à l’échelle mondiale, actuellement au cœur de préoccupations d’intérêt international. Nous avons également évalué le potentiel de toxicité associé au transfert maternel du mercure et du sélénium chez la perchaude à l’aide de techniques de fractionnement subcellulaire. Le mercure est un contaminant d’intérêt en raison de son omniprésence dans l’environnement ainsi que de ses effets néfastes sur la reproduction des poissons à de très faibles concentrations. Il a également été démontré que des ratios molaires Se:Hg supérieurs à 1 atténuaient les effet néfastes du mercure. Nos résultats démontrent une évidence de transfert maternel de la femelle à ses œufs, mais également aux mitochondries gonadiques, principales composantes sensibles de la cellule. Le transfert maternel représentant la source d’exposition aux contaminants la plus importante pour les embryons, nos observations pourraient contribuer à expliquer le recrutement déficient des jeunes perchaudes au LSP. Nous avons également mesuré des ratios molaires Se:Hg systématiquement supérieurs à 1 dans les différentes fractions subcellulaires hépatiques et gonadiques, résultats novateurs qui laissent sous-entendre un effet protecteur du Se. Puisque nous avons confirmé l’occurrence d’un transfert maternel du mercure, l’étape logique subséquente était d’évaluer la bioaccumulation de ce contaminant au sein des différents stades ontogéniques du cycle de vie de la perchaude. Les stades embryo-larvaires et juvéniles précoces sont en effet des phases particulièrement sensibles aux contaminants organiques et inorganiques. Nos résultats démontrent que les concentrations de MeHg décroissent suivant un patron ontogénique, avec les plus hautes concentrations mesurées chez les juvéniles et les plus basses dans les masses d’œufs. Nous avons également démontré que presque 100% du mercure était présent sous forme de MeHg, forme toxique et bioamplifiable, chez les larves et les juvéniles. Les ratios molaires Se:Hg étaient quant à eux systématiquement supérieurs à 1, résultats comblant d’importantes lacunes au niveau des effets antagonistes entre le mercure et le sélénium chez les poissons. Les résultats découlant des présents travaux de recherche ont un impact important sur la science de l’écotoxicologie en raison de leur caractère novateur. Tout d’abord, nous avons contribué à l’avancement des connaissances sur l’impact de concentrations environnementales de glyphosate sur des biofilms d’âge très contrasté. Ensuite, nous avons, pour la première fois, utilisé des outils de fractionnement subcellulaire afin d’évaluer le potentiel de toxicité lié au transfert maternel du mercure. Enfin, nous rapportons les premières données liées à la bioaccumulation simultanée du mercure et du sélénium aux stades de vie clés du développement de la perchaude. La présente thèse s’avère ainsi nécessaire afin de contribuer au progrès du savoir sur le devenir de certains contaminants d’intérêt au sein des écosystèmes aquatiques. / Lake Saint Pierre (LSP) is the largest fluvial lake in the Saint Lawrence River. Water quality in LSP is heavily affected by inputs of nutrients and chemical pollution from tributaries which drain agricultural watersheds, from municipal effluents and from industrial discharges. This contamination is amplified in areas of LSP with dense vegetation because aquatic plants promote the retention and sedimentation of dissolved and particulate matter. Several fish species, including Yellow Perch (Perca flavescens), use these aquatic vegetation beds as their spawning grounds and are therefore particularly affected by the contamination of aquatic habitats in LSP. This study therefore tests the hypothesis that chemical contamination in Yellow Perch (YP) during their early life stages can help explain this species’ lack of resilience despite the implementation of a fishing moratorium in 2012. This moratorium was extended until 2022 since populations are still undergoing a recruitment failure and a decline in juvenile abundance populations. The phosphonate herbicide glyphosate, which is the active ingredient in Roundup®, is currently the most widely used herbicide in the world. Glyphosate-based herbicides are sprayed on food and feed crops during cultivation and are thus subject to leaching to streams and rivers. In aquatic ecosystems, periphytic biofilms, or periphyton, are important primary producers and are often the first trophic level to be in contact with runoff waters. Thus, a trophic cascade could occur if these biofilms are negatively impacted by glyphosate, potentially leading to larval fish mortality due to resource limitation. Results showed that submersion period (2 months, 1 year, 20 years) was the only significant contributor to community structure. However, the glyphosate-resistant Cyanobacteria Anabaena was found to be favoured by the use of glyphosate. This freshwater Cyanobacteria commonly forms toxic blooms, raising concern regarding the use of glyphosate. For all colonization stages, and therefore different thicknesses, chlorophyll a did not show an unequivocal decline over time. This study therefore provides an interesting snapshot of the biological processes related to periphytic biofilms’ exposure to environmental concentrations of glyphosate. As this herbicide is currently of international concern, it is imperative to contribute to the advancement of knowledge about its effects. Mercury (Hg) is a trace element of particular concern since it is ubiquitous in the environment and because its methylated form (MeHg) readily bioaccumulates and biomagnifies in food webs. This latter process leads to elevated Hg concentrations in fish and thus induces toxicity. Maternal transfer of bioaccumulated contaminants to offspring is a suggested mechanism of impaired reproductive success in fish. We therefore assessed the toxicity potential of Hg during maternal transfer in YP from LSP using a sub-cellular partitioning approach. Results showed a strong relationship between Hg bioaccumulation in the liver and Hg concentrations in gonadal mitochondria, which corroborates the potential toxicity of maternal transfer. As selenium is a well-studied Hg antagonist, we also measured the Se:Hg molar ratios in all subcellular fractions. We found that these ratios were systematically above 1, which is the suggested threshold for Hg toxicity alleviation through sequestration by Se. Since early developmental stages in aquatic biota are particularly sensitive to Hg, and after confirming the evidence of maternal transfer, we subsequently addressed Hg bioaccumulation in all parts of YP life cycle. This study is the first of its kind to follow Hg and Se during YP ontogenetic development, from the gravid female to the juvenile. Results show that MeHg follow an ontogenetic pattern, with concentrations decreasing from the juveniles to egg masses. We also found that nearly 100% of THg was measured as the toxic form MeHg in larvae and juveniles. Lastly, Se:Hg molar ratios were systematically above 1, suggesting a potentially protective effect of Se on Hg bioaccumulation. This study will thus provide much needed information on the changes in bioaccumulation patterns during the most sensitive life cycle stages of this declining fish population. Results issued from the present research have significant impact when it comes to the advancement of knowledge in Ecotoxicology due to their novel characteristics. First, we have contributed to the advancement of knowledge on the effects of environmental concentrations of glyphosate on highly age-contrasted biofilms. Also, it is the first time that subcellular partitioning techniques are used in order to assess the toxicity potential of mercury during maternal transfer. Finally, we provide the very first results on the simultaneous bioaccumulation of mercury and selenium in key life stages of YP development. Therefore, this thesis is of particular interest when aiming to assess the fate of certain contaminants of interest within aquatic ecosystems.

La localisation subcellulaire de l’ARN permet un déploiement prompt et spatialement restreint autant des activités protéiques que des ARN noncodant. Le trafic d’ARN est dirigé par des éléments de séquences (sous-séquences primaires, structures secondaires), aussi appelés motifs de régulation, présents en cis à même la molécule d’ARN. Ces motifs sont reconnus par des protéines de liaisons aux ARN qui médient l’acheminement des transcrits vers des sites précis dans la cellule. Des études récentes, chez l’embryon de Drosophile, indiquent que la majorité des ARN ont une localisation subcellulaire asymétrique, suggérant l’existence d’un « code de localisation » complexe. Cependant, ceci peut représenter un exemple exceptionnel et la question demeurait, jusqu’ici, si une prévalence comparable de localisation d’ARN est observable chez des cellules standards développées en culture. De plus, des informations facilement disponibles à propos des caractéristiques de distribution topologique d’instances de motifs à travers des transcriptomes complets étaient jusqu’à présent manquantes. Afin d’avoir un aperçu de l’étendue et des propriétés impliquées dans la localisation des ARN, nous avons soumis des cellules de Drosophile (D17) et de l’humain (HepG2) à un fractionnement biochimique afin d’isoler les fractions nucléaire, cytosolique, membranaire et insoluble. Nous avons ensuite séquencé en profondeur l’ARN extrait et analysé par spectrométrie de masse les protéines extraites de ces fractions. Nous avons nommé cette méthode CeFra-Seq. Par des analyses bio-informatiques, j’ai ensuite cartographié l’enrichissement de divers biotypes d’ARN (p. ex. ARN messager, ARN long non codant, ARN circulaire) et protéines au sein des fractions subcellulaires. Ceci a révélé que la distribution d’un large éventail d’espèces d’ARN codants et non codants est asymétrique. Une analyse des gènes orthologues entre mouche et humain a aussi démontré de fortes similitudes, suggérant que le processus de localisation est évolutivement conservé. De plus, j’ai observé des attributs (p. ex. la taille des transcrits) distincts parmi les populations d’ARN messagers spécifiques à une fraction. Finalement, j’ai observé des corrélations et anti-corrélations spécifiques entre certains groupes d’ARN messagers et leurs protéines. Pour permettre l’étude de la topologie de motifs et de leurs conservations, j’ai créé oRNAment, une base de données d’instances présumée de sites de liaison de protéines chez des ARN codants et non codants. À partir de données de motifs de liaison protéique par RNAcompete et par RNA Bind-n-Seq, j’ai développé un algorithme permettant l’identification rapide d’instances potentielles de ces motifs dans un transcriptome complet. J’ai pu ainsi cataloguer les instances de 453 motifs provenant de 223 protéines liant l’ARN pour 525 718 transcrits chez cinq espèces. Les résultats obtenus ont été validés en les comparant à des données publiques de eCLIP. J’ai, par la suite, utilisé oRNAment pour analyser en détail les aspects topologiques des instances présumées de ces motifs et leurs conservations évolutives relatives. Ceci a permis de démontrer que la plupart des motifs sont distribués de façon similaire entre espèces. De plus, j’ai discerné des points communs entre les sous-groupes de protéines liant des biotypes distincts ou des régions d’ARN spécifiques. La présence de tels patrons, similaires ou non, entre espèces est susceptible de refléter l’importance de leurs fonctions. D’ailleurs, l’analyse plus détaillée du positionnement d’un motif entre régions transcriptomiques comparables chez les vertébrés suggère une conservation synténique de ceux-ci, à divers degrés, pour tous les biotypes d’ARN. La topologie régionale de certaines instances de motifs répétées apparaît aussi comme évolutivement conservée et peut être importante afin de permettre une liaison adéquate de la protéine. Finalement, les résultats compilés avec oRNAment ont permis de postuler sur un nouveau rôle potentiel pour l’ARN long non codant HELLPAR comme éponge de protéines liant l’ARN. La caractérisation systématique d’ARN localisés et de motifs de régulation en cis présentée dans cette thèse démontre comment l’intégration d’information à l’échelle transcriptomique permet d’évaluer la prévalence de l’asymétrie, les caractéristiques distinctes et la conservation évolutive de collections d’ARN. / The subcellular localization of RNA allows a rapid and spatially restricted deployment of protein and noncoding RNA activities. The trafficking of RNA is directed by sequence elements (primary subsequences, secondary structures), also called regulatory motifs, present in cis within the RNA molecule. These motifs are recognized by RNA-binding proteins that mediate the transport of transcripts to specific sites in the cell. Recent studies in the Drosophila embryo indicate that the majority of RNAs display an asymmetric subcellular localization, suggesting the existence of a complex "localization code". However, this may represent an exceptional example and the question remained, until now, whether a comparable prevalence of RNA localization is observable in standard cells grown in culture. In addition, readily available information about the topological distribution of pattern instances across full transcriptomes has been hitherto lacking. In order to have a broad overview of the extent and properties involved in RNA localization, we subjected Drosophila (D17) and human (HepG2) cells to biochemical fractionation to isolate the nuclear, cytosolic, membrane and insoluble fractions. We then performed deep sequencing on the extracted RNA and analyzed through mass spectrometry the proteins extracted from these fractions. We named this method CeFra-Seq. Through bioinformatics analyses, I then profiled the enrichment of various RNA biotypes (e.g. messenger RNA, long noncoding RNA, circular RNA) and proteins within the subcellular fractions. This revealed the high prevalence of asymmetric distribution of both coding and noncoding RNA species. An analysis of orthologous genes between fly and human has also shown strong similarities, suggesting that the localization process is evolutionarily conserved. In addition, I have observed distinct attributes (e.g. transcript size) among fraction-specific messenger RNA populations. Finally, I observed specific correlations and anti-correlations between defined groups of messenger RNAs and the proteins they encode. To study motifs topology and their conservation, I created oRNAment, a database of putative RNA-binding protein binding sites instances in coding and noncoding RNAs. Using data from protein binding motifs assessed by RNAcompete and by RNA Bind-n-Seq experiments, I have developed an algorithm allowing their rapid identification in a complete transcriptome. I was able to catalog the instances of 453 motifs from 223 RNA-binding proteins for 525,718 transcripts in five species. The results obtained were validated by comparing them with public data from eCLIP. I then used oRNAment to further analyze the topological aspects of these motifs’ instances and their relative evolutionary conservation. This showed that most motifs are distributed in a similar fashion between species. In addition, I have detected commonalities between the subgroups of proteins linking preferentially distinct biotypes or specific RNA regions. The presence or absence of such pattern between species is likely a reflection of the importance of their functions. Moreover, a more precise analysis of the position of a motif among comparable transcriptomic regions in vertebrates suggests a syntenic conservation, to varying degrees, in all RNA biotypes. The regional topology of certain motifs as repeated instances also appears to be evolutionarily conserved and may be important in order to allow adequate binding of the protein. Finally, the results compiled with oRNAment allowed to postulate on a potential new role for the long noncoding RNA HELLPAR as an RNA-binding protein sponge. The systematic characterization of RNA localization and cis regulatory motifs presented in this thesis demonstrates how the integration of information at a transcriptomic scale enables the assessment of the prevalence of asymmetry, the distinct characteristics and the evolutionary conservation of RNA clusters.