Les biphényles polychlorés (BPC) sont des contaminants de l’environnement, omniprésents dans la chaîne alimentaire, qui ont une propension à la bioaccumulation dans le corps humain. Ils traversent la barrière placentaire et sont suspectés d’induire des altérations du développement mental ou moteur chez des enfants exposés aux BPC pendant la vie intrautérine. Ces effets s’expliqueraient notamment par la capacité des BPC à perturber l’homéostasie de la fonction thyroïdienne chez la femme enceinte ou le nouveau-né. Malgré le nombre considérable d’études épidémiologiques réalisées, la relation entre l’exposition prénatale aux BPC et les altérations du développement mental et moteur ou de la fonction thyroïdienne n’a pas encore été clairement établie ; d’une part, différents bioindicateurs de l’exposition ont été employés (différents congénères de BPC mesurés et différentes matrices biologiques ou unités de mesure) limitant la comparaison directe entre les études et, d’autre part, le lien de causalité entre les BPC et les effets ciblés n’a pas été vérifié avec des critères épidémiologiques reconnus. Cette étude a été réalisée afin d’analyser la relation « concentration biologique de BPC – effet » entre l'exposition aux BPC de la mère pendant la grossesse et le développement mental et moteur de l’enfant ainsi que les paramètres de la fonction thyroïdienne chez la femme enceinte et le nouveau-né à partir d’une analyse systématique des études épidémiologiques disponibles en standardisant les données biologiques entre les études. Sur la base de considérations toxicocinétiques et en appliquant des facteurs de conversion établis à partir de la littérature épidémiologique publiée, les concentrations des BPC rapportées dans les différentes études revues ont été standardisées en termes d’équivalent de BPC totaux par kilogramme de lipides dans le plasma maternel (µg PCBMPEQ/kg de lipides). Afin d’analyser la possibilité d’une association causale entre l’exposition aux BPC et les effets d’intérêt, les critères de Hill ont été appliqués systématiquement à l’ensemble des associations « concentrations biologiques standardisées – effet ciblés ». En appliquant cette approche aux données publiées de 20 études épidémiologiques sur la relation entre les BPC et le poids à la naissance, l’exposition prénatale aux BPC, aux niveaux décrits (moyenne < 1920 µg PCBMPEQ/kg de lipides), n’apparaît pas associée de manière significative à un poids à la naissance inférieur à 2500 g dans les populations étudiées. Par ailleurs, en considérant des études menées sur le suivi de neuf cohortes d’enfants, la probabilité qu’une altération cognitive ou motrice cliniquement significative, qui persiste entre la naissance et l’âge scolaire, soit observée à des concentrations de BPC totaux inférieures à 1000 µg PCBMPEQ/kg de lipides semble faible. Aussi, à partir de l’analyse systématique des données de 17 études épidémiologiques, l’exposition aux BPC aux niveaux standardisés décrits (moyenne < 1000 µg PCBMPEQ/kg de lipides) ne semble pas induire de variation des hormones thyroïdiennes ou de TSH en dehors des intervalles physiologiques reconnus chez la femme enceinte et le nouveau-né. Ainsi, la valeur biologique de référence établie à 1000 µg PCBMPEQ/kg de lipides pour prévenir les effets sur le développement devrait aussi prévenir les effets sur le poids à la naissance et la fonction thyroïdienne chez la femme enceinte ou le nouveau-né. Les résultats présentés dans cette thèse fournissent aux autorités de santé publique responsables de l’établissement de directives et des normes de l’information utile à la révision des critères sanitaires visant à protéger des effets des BPC sur le développement de l’enfant et la fonction thyroïdienne chez la femme enceinte et le nouveau-né. / Polychlorinated biphenyls (PCBs) are persistent organic pollutants (POPs) ubiquitously present in the food chain, and with a propensity to bioaccumulate in the human body. They can cross the placental barrier and are suspected of inducing mental and motor development alterations in children prenatally exposed to PCBs. These contaminants could injure brain development by disrupting thyroid homeostasis in pregnant women or newborns. Despite the large number of epidemiological publications on PCBs, “biological concentration – response” relationships between PCB exposure and mental and motor development or thyroid function in pregnant women and newborns are not well established; a direct comparison of biological levels between published studies is limited by the heterogeneous biological PCB measurements (different PCB congeners or groups of congeners measured, variations in biological matrices sampled or units chosen to express biological results), and causal relationship between PCBs and a studied effect has not been verified with recognized epidemiological criteria. This research was performed to analyze “biological PCB concentration – effect” relationship between prenatal PCB exposure and children mental and motor development as well as parameters of thyroid function in pregnant women and newborns by conducting a systematic analysis of available epidemiological studies and by standardizing biological data between studies. Reported PCB concentrations in the different reviewed studies were standardized in terms of total PCB equivalent per kilogram of lipids in maternal plasma (µg PCBMPEQ/kg of lipids), by taking into account PCB toxicokinetics and using conversion factors based on published epidemiological data. To analyze a possible causal association between PCB exposure and studied effects, Hill criteria were consistently applied to all “standardized biological concentrations – response” associations. The systematic analysis of “standardized biological concentration – birth weight” relationship across 20 reviewed studies did not show any association between prenatal exposure to PCBs at the described levels (mean < 1920 µg PCBMPEQ/kg de lipids) and abnormal birth weight (< 2500 g). Furthermore, combining data from nine children cohorts to assess the “standardized biological concentration – development” relationship during follow-up of each cohort showed that risk of mental or motor development should be negligible for prenatal PCB concentrations below ≈ 1000 µg/kg of lipids in maternal plasma. Also, the systematic analysis of data from 17 epidemiological studies indicated that the weight of evidence of a significant impact of PCB exposure on TSH and thyroid hormone levels was low at reported levels in pregnant women and newborns (mean < 1000 µg PCBMPEQ/kg de lipids). The PCBMPEQ biological reference value of 1000 µg/kg lipids that should prevent neurodevelopmental effects should also prevent effects on birth weight and on thyroid function in pregnant women or newborns. Results presented in this thesis should provide useful information to public health authorities for the revision of guidelines and standards ensuring protection from PCB effects on child development and thyroid function in pregnant women and newborns.

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La consommation d’alcool pendant la grossesse peut entraîner des conséquences néfastes sur le développement de l’enfant et mener aux troubles du spectre de l’alcoolisation fœtale (TSAF). Cependant on en connaît peu sur son effet durant la période de préimplantation. Cette période est reconnue comme étant sensible à l’environnement, majoritairement dû au fait qu’elle est caractérisée par la reprogrammation dynamique des profils de méthylation de l’ADN. L’alcool est reconnu pour altérer les mécanismes impliqués dans les processus de méthylation de l’ADN (e.g., cycle du folate, actions des DNMTs). Récemment, nous avons démontré qu’une exposition prénatale à l’alcool éthylique durant la préimplantation altère les futurs profils de méthylation de l’ADN du cerveau et augmente le nombre de défauts morphologiques à la mi-gestation. Il n’y a présentement aucun traitement pour les TSAF, mais certaines études suggèrent qu’une diète enrichie en donneurs de groupement méthyles (e.g., folate, choline), nécessaires aux réactions de méthylation, pourrait atténuer les effets d’une exposition prénatale à l’alcool. C’est pourquoi nous avons voulu déterminer si une diète enrichie en donneurs de groupements méthyles pouvait apporter une protection aux embryons ayant subi une exposition prénatale à l’alcool durant la préimplantation. Pour ce faire, une diète standard ou enrichie a été donné à des souris 4 semaines avant la gestation et pendant celle-ci. Les femelles gestantes ont reçu une dose d’alcool au jour E2.5, puis nous avons récolté les embryons à E10.5 et E18.5 pour évaluer les anomalies physiques et faire l’analyse de la méthylation des cerveaux antérieurs. Nos résultats démontrent que la diète enrichie prévient ou élimine un certain nombre de défauts morphologiques à E10.5 et E18.5. Nous avons aussi observé que la diète enrichie n’affectait pas la mise en place et le maintien de la méthylation et l’expression des gènes à empreintes durant le développement. La diète enrichie en donneurs de groupements méthyles aide donc à prévenir certains effets nuisibles de l’exposition prénatale à l’alcool survenant durant la préimplantation. / Alcohol consumption during pregnancy can have a significant impact on the development of the child and lead to fetal alcohol spectrum disorders (FASD). Nonetheless, little is known about its effect during the pre-implantation period. However, we know that this period is very sensitive to the environment, mainly because of major reprogramming of DNA methylation patterns. Moreover, alcohol can alter the mechanisms involved in DNA methylation processes (e.g., folate cycle, actions of DNMTs). Recently, we have shown that prenatal alcohol exposure (PAE) during preimplantation alters future DNA methylation patterns of the young embryo brain and increases the number of morphological defects. There is currently no treatment for FASD, but studies suggest that a diet enriched in methyl donors (e.g., folate, choline), which are necessary for methylation reactions, may mitigate the effects of PAE. Therefore, we wanted to determine if a diet enriched in methyl group donors could provide protection to embryos against a PAE during preimplantation. To do so, a standard or enriched diet was given to mice 4 weeks before and during gestation. Pregnant females were exposed to alcohol at day E2.5, then we harvested embryos (E10.5, E18.5) to assess physical abnormalities and analyse forebrain methylation. Our results demonstrate that the enriched diet reduces or eliminate defects at E10.5 and E18.5. We also observed that the fortified diet did not affect the establishment and maintenance of methylation and expression of imprinted genes during development. Thus, our results show that a methyl enriched diet can prevent some of the adverse effects of prenatal alcohol exposure occurring during preimplantation.

Une exposition prénatale à l’alcool peut altérer le développement embryonnaire et causer le Trouble du Spectre de l’Alcoolisation Fœtale (TSAF). Les mécanismes moléculaires menant aux symptômes observés chez les enfants atteints sont toutefois méconnus. Plus encore, bien que les taux de consommation excessive d’alcool (binge-drinking) et de grossesses non-planifiées soient en hausse à travers le monde, les impacts d’une exposition prénatale à l’alcool pendant la préimplantation de l’embryon, sont inconnus et peu étudiés. Dans cette thèse, je souhaitais caractériser les impacts morphologiques d’une exposition à l’alcool pendant la préimplantation sur l’embryon en développement. De plus, je voulais définir les mécanismes moléculaires impliqués dans le cerveau antérieur ainsi que dans le placenta embryonnaire, en plus d’évaluer l’effet d’une exposition à l’alcool pendant la préimplantation sur certaines fonctions cognitives au stade post-natal. Notre hypothèse de recherche est qu’une exposition à l’alcool de type aigu pendant la préimplantation entrainera des erreurs dans l’établissement du programme épigénétique embryonnaire, causant des altérations dans les profils de méthylation d’ADN et d’expression des gènes chez l’embryon et son placenta qui persisteront tout au long de la gestation. Plus encore, nous croyons que ces dérégulations moléculaires altèreront les fonctions cognitives à long terme chez les souriceaux exposés. Pour répondre à ces questions, nous avons établi un modèle murin d’exposition à l’alcool de type aigu pendant la préimplantation en injectant des femelles gestantes au jour embryonnaire 2.5 (E2.5), correspondant au stade 8-cellules, avec deux doses de 2.5g/kg d’alcool séparées par 2 heures d’intervalle. Nous avons récolté des embryons à mi-gestation (E10.5), évaluer la morphologie puis nous avons isolé le cerveau antérieur pour étudier la méthylation d’ADN et l’expression génique. Nous avons aussi récolté des embryons en fin de gestation (E18.5) et leur placenta pour procéder à des analyses de méthylation d’ADN et de l’expression génique, en plus d’effectuer des analyses histologiques des placentas. Finalement, nous avons aussi laissé naître des souris issues de notre modèle d’exposition à l’alcool pendant la préimplantation pour évaluer certaines fonctions cognitives, notamment l’anxiété, la sociabilité et la mémoire, en procédant à des tests de comportement. Nous avons d’abord observé une augmentation des anomalies morphologiques chez l’embryon à mi-gestation à la suite de l’exposition prénatale à l’alcool. Nous avons aussi découvert que l’exposition prénatale, pendant la préimplantation, engendrait des différences de méthylation d’ADN dans le cerveau antérieur à mi-gestation et en fin de gestation, dans plusieurs voies biologiques reliées au développement embryonnaire et au fonctionnement du système nerveux. La plupart des régions différentiellement méthylées (DMRs) et des gènes différentiellement exprimés (DEGs) étaient spécifiques à chaque sexe, avec peu de régions partagées entre les mâles et les femelles. Nous avons aussi identifié des DMRs et DEGs spécifiques à chaque sexe ou partagés entre les deux sexes, dans les placentas en fin de gestation en plus de démontrer une baisse du poids fœtal chez les embryons mâles exposés à l’alcool. Enfin, nous avons démontré que l’exposition prénatale pendant la préimplantation causait une baisse de la sociabilité et de la mémoire à court-terme, sans avoir d’effet sur le niveau d’anxiété des souris En conclusion, nous avons démontré qu’une exposition prénatale à l’alcool en tout début de grossesse affecte le développement embryonnaire, via l’épigénome et le transcriptome du cerveau antérieur et du placenta, et entraine des conséquences à plus long terme sur les fonctions cognitives. En perspective, nous souhaitons établir les profils de méthylation d’ADN et d’expression génique précisément dans certains sous-types cellulaires du cerveau, dont les interneurones GABAergiques afin de mieux définir les mécanismes moléculaires derrière les altérations observées. / Prenatal alcohol exposure can alter embryonic development and lead to Fetal Alcohol Spectrum Disorder (FASD). However, the molecular mechanisms underlying the symptoms in affected children remain poorly understood. Furthermore, despite the increasing rates of binge drinking and unplanned pregnancies worldwide, the impacts of prenatal alcohol exposure during the preimplantation stage of embryonic development are largely unknown and understudied. In this thesis I aimed to characterize the morphological effects of alcohol exposure during preimplantation on developing embryos. Additionally, we sought to define the extent of DNA methylation defects and gene expression in the anterior brain and embryonic placenta. Furthermore, we aimed to evaluate the effects of our preimplantation alcohol exposure on certain cognitive functions in the postnatal stage. Our research hypothesis is that acute alcohol exposure during preimplantation will lead to errors in establishing the embryonic epigenetic program, causing alterations in DNA methylation profiles and gene expression in both the embryo and its placenta, persisting throughout gestation. We also believed that these molecular dysregulations would result in long-term cognitive impairments in exposed pups. To address these questions, we established a preclinical mouse model of acute alcohol exposure during preimplantation by injecting pregnant females on embryonic day 2.5 (E2.5), corresponding to the 8-cell stage, with two doses of 2.5g/kg of alcohol, separated by a 2-hour interval. We collected embryos at mid-gestation (E10.5), assessed for morphological defects and isolated the forebrain for DNA methylation and gene expression studies. We also collected embryos at late gestation (E18.5) along with their placenta for DNA methylation and gene expression analyses, as well as histological examinations of fixed placentas. Finally, we allowed mice from our preimplantation alcohol exposure model to be born and assessed specific cognitive functions such as anxiety, sociability, and memory through behavioral tests. First, we observed an increase in morphological anomalies in mid-gestation embryos following prenatal alcohol exposure and discovered that prenatal exposure during preimplantation led to DNA methylation differences in the forebrain at mid-gestation and late gestation, affecting various biological pathways related to embryonic development and nervous system function. Most of the differentially methylated regions (DMRs) and differentially expressed genes (DEGs) were sex-specific, with only few regions shared between males and females. We also identified sex-specific and shared DMRs and DEGs in late gestational placentas. Additionally, we demonstrated a decrease in fetal weight in male embryos and showed that preimplantation alcohol exposure caused reduced sociability and short-term memory without affecting the anxiety levels of the mice. In conclusion, we have shown that early preimplantation alcohol exposure affects embryonic development through the epigenome and transcriptome of the anterior brain and placenta, leading to long-term cognitive consequences. Moving forward, we intend to establish DNA methylation and gene expression profiles specifically in certain brain cell subtypes, including GABAergic interneurons, to better define the molecular mechanisms underlying the observed alterations.