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.

La présence de taureaux sub-fertiles sur le marché de l’Insémination Animale (IA) influence négativement l’efficacité des élevages. L’évaluation de la fertilité des taureaux, basée sur l’analyse combinée de marqueurs génétiques, morphologiques, cinétiques et métaboliques de la semence, n’est pas suffisante pour identifier les taureaux sub-fertiles avant leur entrée en production. Cela suggère l’implication d’autres facteurs, notamment d’origines épigénétiques. Parmi les marques épigénétiques, la méthylation de l’ADN tient une place essentielle : son remaniement est en effet indispensable aux processus fondamentaux que sont la différenciation des cellules germinales, la spermatogénèse et le développement embryonnaire précoce. Alors que chez l’Homme, de nombreuses études ont montré que des altérations des profils de méthylation spermatiques sont associées à la sub-fertilité, très peu de données existent chez le bovin. L’objectif de ce travail de thèse est la caractérisation du méthylome de la semence bovine et l’identification de nouveaux marqueurs fiables de la fertilité mâle à un stade précoce. Cette étude s’inscrit dans un large projet intitulé SeQuaMol (pour « Qualité Moléculaire de la Semence »), mis en place au sein d’un laboratoire commun entre l’INRA et la fédération ALLICE. La caractérisation du méthylome spermatique bovin a été réalisée en utilisant une approche multi-échelle (globale, pangénomique et séquence-spécifique). Les analyses ont permis de révéler l’hypométhylation très marquée du spermatozoïde bovin. L’hypométhylation affecte des gènes importants pour la différenciation de la lignée germinale, les fonctions spermatiques, ainsi que des séquences satellites. L’identification de biomarqueurs de la fertilité a été réalisée en utilisant une approche pangénomique (Reduced Representation Bisulfite Sequencing, RRBS). L’analyse a été effectuée sur une cohorte de 94 taureaux, dont les individus de races Holstein et Montbéliard ont été catégorisés en fonction de l’adéquation entre un indicateur génétique de la fertilité et leur fertilité réelle. Le dispositif inclus également des taureaux de 4 autres races pour obtenir une estimation de la variabilité épigénétique liée à la race. Cette analyse a nécessité l’optimisation et l’automatisation du protocole pour la préparation des banques RRBS à haut-débit, ainsi que la mise au point de l’ensemble de la procédure de traitement bio-informatique et statistique des données. Plusieurs milliers de biomarqueurs de la fertilité ont été identifiés et permettent de prédire de façon robuste le statut de fertilité. De plus, une démarche d’intégration des données de génotype et d’épigénotype a été amorcée, soulignant les interactions potentielles en ces strates d’informations. Enfin, nous avons mis en évidence l’influence de l’âge à la production de semence sur le méthylome. L’ensemble de ces données souligne que les modifications du méthylome spermatique peuvent affecter des gènes impliqués dans les processus précoces et plus tardifs du développement, ainsi que quelques voies du fonctionnement du spermatozoïde. L’ensemble des biomarqueurs identifiés serviront de base à la poursuite du projet SeQuaMol, dont l’aboutissement sera le développement d’outils technologiques et statistiques pouvant être utilisés en routine pour améliorer la prédiction de la fertilité mâle. / The presence of subfertile bulls in the market of Animal Insemination negatively influences the efficacy of breeding farms. The evaluation of bull fertility, based on the combined analysis of genetic, morphological, kinetic and metabolic markers of the semen, is not sufficient to identify subfertile bulls before entering semen production. It suggests the implication of other factors, especially epigenetic ones. Within the epigenetic markers, DNA methylation holds a crucial position: indeed, its reprogramming is indispensable to the fundamental processes that are germinal cell differentiation, spermatogenesis and the embryonic development. Whereas several studies have showed that the alteration of spermatic methylation profiles are associated with subfertility in humans, only a little data exists concerning bovines. The aim of this thesis is the characterization of the methylome of bovine semen and the identification of new reliable markers of male fertility at an early stage. This study is part of a larger project called SeQuaMol (Molecular Quality of Semen) which rely on a common laboratory between INRA and the ALLICE federation. The characterization of the bovine sperm methylome was achieved by using a multiscale approach (global, pangenomic and sequencespecific). The analyses made it possible to observe the hypomethylation of the bovine semen. Hypomethylation affects genes that are crucial for the differentiation of the germline, spermatic functions, and also on satellite sequences.The identification fertility biomarkers was carried out by using a pangenomic approach (Reduced Representation Bisulfite Sequencing, RRBS). The analysis has been performed on a cohort of 94 bulls, including subjects of the Holstein race and Montbeliard race, categorized according to the adequacy between a genetic indicator of fertility and their actual fertility. The process also includes bulls from 4 other breeds in order to obtain an estimate of the genetic variability linked to the breed. This analysis has required the optimization and the automation of the protocol for the high throughput preparation of RRBS libraries, as well as the development of the whole bioinformatic pipeline and data statistics. Several thousands of biomarkers of fertility have been identified, which allow to predict in a robust way the fertility status. Furthermore, a process of integration of genotype and epigenotype data has been started, which underlines the potential interaction between these levels of information. Finally, we have highlighted the influence of the age of semen production on the methylome. Altogether, theses data suggest that modifications of the semen methylome can affect genes that are involved in the process of early and late embryo development, and parts of the functioning of the sperm cell. The biomarkers identified will form a basis for the pursuit of the SeQuaMol project, of which the completion will be the development of technological and statistical tools that may be used routinely to improve male’s fertility prediction.

Planktonic larvae of marine organisms are increasingly being exposed and required to respond to a changing physical environment. Adult sea urchins occupy both intertidal and subtidal waters and broadcast spawn gametes into the water column to contend with variable physical conditions. To answer how populations of invertebrates residing at different depths adequately prepare their offspring to cope with different levels of ultraviolet radiation (UVR), we collected adult purple sea urchins, Strongylocentrotus purpuratus, from four sites (two intertidal and two subtidal (~15 m deep)) on the central coast of CA to compare UV tolerance in offspring. Our measurements of UVA (321–400 nm) and UVB (280–320 nm) irradiance at all collection sites showed UVA and UVB were low or absent in subtidal sites compared to intertidal sites. Our study found that offspring from intertidal populations experience a less severe developmental delay when exposed to environmentally relevant levels of UVR (using artificial lighting) than offspring from subtidal populations. The mean percent cleavage delay for UV-treated embryos relative to the controls was 16% (± 2.3 SE) for intertidal sites and 21.1% (± 2.7 SE) for subtidal sites. This suggests that environmental UV cues or additional environmental cues experienced by intertidal mothers may prepare offspring to resist effects of UV exposure during early development. To further understand differences in biochemistry of the eggs released from mothers of different populations (i.e. differences in maternal investment), we assessed differences in protein abundance among batches of eggs from intertidal and subtidal populations. We identify a range of candidate proteins involved in various cellular processes such as cell cycle regulation, signaling and transport, oxidative stress and metabolism that may help developing embryos cope with UVR stress. These candidate proteins may also help us understand adaptations important for survival of developing marine organisms in changing ocean conditions.