Prédire la capacité de développement et d'implantation des embryons reste un enjeu majeur pour l’Assistance Médicale à la Procréation (AMP). L’AMP doit répondre au désir du couple d’avoir un enfant en limitant les risques encourus par la mère et l’enfant en cas de grossesse multiple. Tous les laboratoires d’AMP utilisent des critères morphologiques pour évaluer la compétence au développement des embryons en dépit de la faible valeur prédictive de cette analyse. L'interaction ovocyte-cumulus participe à l’acquisition par l'ovocyte de sa compétence au développement. Cette interaction met en jeu l’expression de gènes spécifiques dans les cellules de cumulus (CCs). Notre objectif était d'identifier des marqueurs non invasifs de la compétence ovocytaire au développement. Ainsi nous avons recherché au niveau des CCs des gènes et des protéines exprimés en fonction de l’aptitude de l’ovocyte fécondé à atteindre le stade de blastocyste. L'expression des gènes des CCs a été étudiée par puce à ADN et qPCR haut débit. Après avoir tenu compte de la variabilité des patientes, nous avons identifié les gènes RGS2, POLR3K et CUL4B comme biomarqueurs. L'expression des protéines des CCs a été étudiée par puce à protéines et après validation des anticorps ciblant les protéines d'intérêt, les protéines RGS2, POLR3K et MERTK ont été identifiées comme biomarqueurs de la compétence au développement de l'ovocyte. Ces résultats permettent d’envisager la création d’un modèle prédictif multicritère incluant la morphologie de l’embryon à J2, les gènes et protéines marqueurs. / The ability to predict the developmental and implantation ability of embryos remains a major goal in human assisted reproductive technology (ART).ART should allow couple to become parents while limiting the risks to the mother and the child in case of multiple pregnancy. ART laboratories use morphological criteria to evaluate the oocyte competence despite the poor predictive value of this analysis. The oocyte-cumulus interaction helps the oocyte to acquire its developmental competence partly through the expression of specific genes at the cumulus level. Therefore our aim was to identify at the level of cumulus cells (CCs) genes and proteins related to oocyte developmental competence as non-invasive marker. Gene expression of CCs was studied using microarray and high throughput qPCR according to the developmental competence of the oocyte (ability to reach the blastocyst stage after fertilization). While taking into account the patient variability we identified RGS2, POLR3K and CUL4B as biomarkers at RNA level. Then protein expression of CCs was studied using Reverse Phase Protein Array. After validation of the antibodies targeting the proteins of interests, RGS2, POLR3K and MERTK were identified as protein biomarkers of the developmental competence of the oocyte. These results lead us to consider a multi variables predictive model including the morphology of the embryo at J2, genes and protein markers.

Little is known regarding the impact excessive waterborne metals, like copper (Cu), have on tropical freshwater species. Zebrafish (Dania rerio) only recently became popular as a tool for environmental monitoring, due to their fully sequenced genome. Despite this, little was known regarding the ionoregulatory physiology of zebrafish. I first examined the impact softwater acclimation has on the ionoregulatory capacity of zebrafish, and identified a high degree of phenotypic plasticity associated with changes in both gene and protein expression, which highlighted the need for proper experimental design for studies involving pre-acclimation to softwater. I then examined the acute and chronic effects of waterborne Cu exposure under the influence of both softwater conditions and the addition of protective ions (Na+ & Ca2+) . On an acute timeframe, I found that Na+ provided a greater protective effect than Ca2+ in reducing Cu uptake, which was mimicked during chronic exposure, although the transcriptional effects were not as clear cut. I found that although Na+ and Ca2+ provided protective effects from Cu accumulation, there were still tissue specific and global changes at the transcript level, as determined by microarray analysis. Furthemore, this set of experiments identified the metal- and stress- induced transcriptional effects due to Cu exposure, which is key to identifying gene endpoints of chronic Cu exposure. A final experiment went further and looked at the effects of mixed metal contamination, examining chronic waterborne Cu exposure with interactive effects of elevated dietary Fe on gene expression and tissue metal accumulation. Not only did this experiment highlight that gene expression is not necessarily reflected in protein abundance/activity, but also demonstrated that high dietary Fe can significantly alter the transcriptional expression pattern of Cu transporters in the gill, liver, and gastrointestinal tract. This thesis has made significant steps in identifying viable gene endpoints of Cu toxicity. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

En raison de l'utilisation croissante de nanomatériaux dans divers procédés industriels, le nombre de salariés potentiellement exposés ne cesse d’augmenter, sans que pour autant les propriétés toxicologiques de ces agents chimiques ne soient parfaitement connues. Comme des nanoparticules (NP) peuvent être mises en suspension dans les environnements de travail, l'inhalation représente la principale voie d'exposition professionnelle. Ainsi, l’évaluation des dangers associés à l’exposition à des aérosols nanostructurés nécessite de réaliser des études de toxicologie expérimentale par inhalation, en utilisant des modèles animaux. Dans ce travail, les propriétés toxicologiques pulmonaires d’un aérosol nanostructuré de dioxyde de titane (TiO2) ont été étudiées à court et long termes, en combinant des analyses toxicologiques conventionnelles (analyses du lavage broncho-alvéolaire (LBA), histopathologie des poumons et des ganglions lymphatiques); et de criblage moléculaire à haut contenu (analyses de transcriptomique et de protéomique). Des rats Fischer 344 ont été exposés par inhalation oro-nasale, à un aérosol nanostructuré de TiO2 à 10 mg / m3 ; 6 heures par jour, 5 jours par semaine pendant 4 semaines. Des échantillons biologiques ont été prélevés immédiatement et jusqu'à 180 jours suivant la fin de l'exposition. L'exposition à l'aérsosol nanostructuré de TiO2 a entraîné une importante réponse inflammatoire pulmonaire aiguë. Cette réponse était caractérisée par un influx de granulocytes neutrophiles, la présence de macrophages chargés en particules au niveau alvéolaire, la surexpression de gènes et de protéines impliqués dans les réponses inflammatoires et immunitaires, les cascades du complément et de la coagulation, le stress oxydant. Certains gènes surexprimés étaient également impliqués dans les lésions de l'ADN et la fibrose; et certaines protéines surexprimées étaient associées au protéasome et à l'organisation du cytosquelette. Dans le surnageant du LBA, l’augmentation du niveau d'histones et d'autres protéines associées aux pièges extracellulaires des neutrophiles (Neutrophilic Extracellular Trap, NET) suggère la libération de ces pièges extracellulaires dans l'espace alvéolaire. Cette libération possible de NET se produit dans un contexte inflammatoire mais en l'absence de changements histopathologiques significatifs. Ce processus inattendu n’a fait l’objet que de très peu d’études en lien avec une exposition à des nanomatériaux. Six mois après la fin de l'exposition (réponse à long terme), l'inflammation a diminué et s’accompagnait d’une baisse de la charge pulmonaire de titane (un marqueur fiable de la charge pulmonaire en nanoparticules de TiO2), mais de nombreux gènes et protéines étaient différentiellemment exprimés. Les conséquences physiopathologiques des changements rapportés ici ne sont pas entièrement connues, mais ces résultats devraient susciter des interrogations quant aux effets pulmonaires à long terme des NP inhalées biopersistantes de faible toxicité comme le TiO2. En conclusion, ce travail montre qu'il existe une bonne relation entre les changements cytologiques et histopathologiques d'une part et les modifications des profils d'expression de gènes et de protéines d'autre part. Cependant, dans certains cas, la transcriptomique et la protéomique pourraient être plus sensibles que les méthodes conventionnelles pour identifier de nouvelles propriétés toxicologiques, ou pour mieux comprendre les mécanismes moléculaires sous-jacents de la toxicité des produits chimiques. Notre étude avec d'autres travaux de la littérature pourraient également être utiles pour identifier des biomarqueurs d’exposition aux nanomatériaux ou prédire leurs effets nocifs à long terme / Due to the growing use of nanomaterials in various industrial processes, the number of workers potentially exposed is increasing even though the toxicological properties of these compounds are not completely known. Since nanoparticles (NP) may get aerosolized, inhalation represents their main route of occupational exposure. Then, inhalation studies of nanomaterial toxicity in animal models appear to be the most relevant approach to assess their hazards. In this work, we studied the short and long term pulmonary toxicological properties of inhaled titanium dioxide (TiO2) nanostructured aerosol (NSA), using conventional (broncho-alveolar lavage (BAL) analyses, lung and lymph nodes histopathology); and high content molecular toxicological approaches (transcriptomics and proteomics analyses). Fischer 344 rats were exposed to 10 mg/m3 of TiO2 nanostructured aerosol by nose-only inhalation, 6h/day, 5 days/week for 4 weeks. Biological samples were collected immediately and up to 180 post-exposure days. Exposure to TiO2 NSA resulted in a strong acute pulmonary inflammation. This response was characterized by a neutrophil influx, the presence of particle-laden macrophages in the alveolar lumen, as well as overexpression of genes and proteins involved in inflammatory and immune responses, complement and coagulation cascades, oxidative stress. Some overexpressed genes were also involved in DNA damage and fibrosis; and some overexpressed proteins in proteasome and cytoskeleton organization. In the BAL supernatant, the increased level of histones and other neutrophilic extracellular trap (NET) -associated proteins suggests the release of these traps in the alveolar space. This possible NET release occurs in an inflammatory context but in the absence of significant histopathological changes. Very few studies reported this unexpected process related to exposure to nanomaterials. Six months after the end of exposure (long-term response), inflammation had decreased in line with the decrease of titanium lung burden (a surrogate for TiO2 pulmonary deposition), but many genes and proteins remained differentially expressed. The physiopathological consequences of the molecular changes reported here are not fully known, but these results should raise concern about the long-term pulmonary effects of inhaled low toxicity NP such as TiO2. Altogether, this work shows that there is a good relationship between cytological and histopathological changes in one hand and gene as well as protein expression profile modifications in the other hand. However, in some cases transcriptomics or proteomics could be more sensitive than conventional methods to identify new toxicological properties or to better understand the underlying molecular mechanisms of chemicals toxicity. Our study along with others could also be helpful to identify biomarkers of exposure or predict the long-term adverse effects of nanomaterials