L’objectif de cette thèse porte sur l’étude de la compartimentalisation cellulaire et de la prise en charge de l’uranium (U) par les protéines cytosoliques des cellules branchiales du poisson zèbre (Danio rerio, espèce modèle en toxicologie aquatique) après exposition contrastées (chronique vs. aiguë, 20 et 250 µg.L-1) par voie directe. Cette étude a nécessité le développement, l’utilisation et le couplage d’outils analytiques de pointe (SEC, IEF hors-gel, RP-UHPLC pour la séparation, ICP-SFMS, ESI-FTMS/MS pour la détection) avec comme défis majeurs la conservation des interactions non-covalentes U biomolécule et une sensibilité maximale pour travailler à des niveaux d’exposition proches de ceux rencontrés dans l’environnement. Après extraction, 24 à 32% de la charge branchiale totale en U est contenue dans le cytosol dans lequel la distribution de l’U sur les biomolécules (en fonction de leur PM mais aussi de leur pI) diffère selon le niveau d’exposition. Enfin, une cartographie des biomolécules cibles de l’U a permis (i) de mettre en évidence une affinité particulière de l’U pour les protéines à caractère acide et/ou contenant du phosphore et (ii) d’identifier 24 protéines candidates pour lier U. / The objective of this thesis is to study the cellular compartmentalization and the chelation of uranium (U) by cytosolic proteins of gill cells of the zebrafish (Danio rerio, model species in aquatic toxicology) under different direct exposure conditions (chronic vs. acute, 20 and 250 µg.L 1). This study required the development of hyphenated techniques (SEC, IEF off-gel, RP-UHPLC for the separation, ICP-SFMS, ESI-FTMS/MS for the detection) with the main challenges of maintaining the non-covalent U-biomolecule interactions and enhancing sensitivity for the analysis of environmentally relevant samples. After extraction, 24% to 32% of the total U detected in the gills were present in the cytosolic fraction, in which the U distribution on the biomolecules (as a function of their MW and pI) varied depending on the exposure level. Finally, U target biomolecules mapping allowed us (i) to highlight a particular affinity of U for acidic and/or P-containing proteins and (ii) to identify 24 protein candidates for U binding.

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.