Toxicogenomics for research and characterization of new biomarkers of exposure or effect to pesticides : non-targeted approach using the volatolome of the honeybee Apis mellifera; targeted approach using the tspo gene in the bacterium Pseudomonas fluorescens
La toxicogénomique pour la recherche et la caractérisation de nouveaux biomarqueurs d'exposition ou d'effet aux pesticides : approche non-ciblée utilisant le volatolome de l'abeille domestique Apis mellifera ; approche ciblée utilisant le gène tspo chez la bactérie Pseudomonas fluorescens
Résumé
Assessment of pesticides impacts on the environment has long been restricted to chemical measurements aimed at detecting and quantifying residues of pesticide and their metabolites in the various compartments of the biosphere. These data provided an overview of the state of chemical contamination of the environment, but did not allow us to assess the effects of xenobiotic exposure on the biotic component of the environment. Toxicology offset these shortcomings by characterizing xenobiotics, determining their modes of action and assessing the associated risk. However, toxicological analyses are often too targeted, focusing on a limited number of descriptors (genes, proteins or metabolites) in a single analysis. They are therefore unable to determine the biological mechanisms involved in the recognition and response to a given disturbance in an exhaustive way. Omics approaches represent a good alternative for assessing damage and evaluating the overall response of organisms exposed to stress. Modifications of the transcriptome, proteome or metabolome of an organism can reveal potential biomarkers of exposure or effect to a xenobiotic. These so-called high-throughput techniques enable us to characterize a more complete organism response, and define a new branch of toxicology: toxicogenomics. For example, signatures of exposure to various pesticides have been identified in two soil bacteria using a new approach in an ecotoxicological context: volatolomics (Hidalgo et al., 2019).The first part of my PhD aimed to pursue this proof of concept by validating the use of this approach on a non-microbial ecosystem auxiliary: Apis mellifera. In this context, a volatile signature reflecting chronic exposure to the insecticide fipronil was revealed in honeybees. The compounds making up this signature have been identified, in part, and are essentially classified as having semiochemical activity. Only one compound, 2,6-dimethylcyclohexanol, is described as a modulator of γ-aminobutyric acid receptors.The second part of my work focused on the valorization of two volatile compounds identified in honeybees, 2,6-dimethylcyclohexanol and 1-octen-3-ol, due to their neurotropic activity on GABA-Rs. The working hypothesis was that these compounds, produced by the bee, could have a beneficial effect in the case of chronic exposure to fipronil. A toxicity study, showed that these compounds are not toxic to bees in the case of chronic trophic exposure. In co-exposure studies with 1-octen-3-ol and fipronil, a beneficial effect of the volatile compound was observed on the survival of bees exposed to the insecticide.The third part of my work involved on a targeted study of the tspo gene expression in the soil bacterium Pseudomonas fluorescens exposed to various pesticide stresses. This gene, initially identified in the ciliated protist Paramecium tetraurelia as a potential biomarker of exposure to pyrethroid insecticides, turned out to be a general pesticide stress marker in P. fluorescens rather than a specific marker of pyrethroid exposure.My PhD work shows that toxicogenomic and ecotoxicogenomic approaches are relevant for identifying potential new biomarkers associated with different trophic levels and stresses. However, their validation and valorization remain scientific and technical challenges that must be taken up to obtain new solutions allowing the identification and monitoring of contamination in the environment.
L'évaluation de l'impact des pesticides sur l'environnement a longtemps été restreinte à des mesures chimiques visant à détecter et quantifier les résidus de pesticides et leurs métabolites dans les différents compartiments de la biosphère. Ces données donnaient un aperçu de l'état de contamination chimique des milieux mais ne permettaient pas d'évaluer les effets de l'exposition aux xénobiotiques sur les organismes. La toxicologie pallie ces manques en abordant, la caractérisation des xénobiotiques, la détermination de leurs modes d'action et l'évaluation du risque qui leur est associé. Cependant, les analyses toxicologiques sont trop souvent ciblées et ne s'intéressent qu'à un nombre réduit de descripteurs (gènes, protéines ou métabolites) dans une même analyse. Elles ne permettent donc pas de déterminer les mécanismes biologiques impliqués dans la reconnaissance et la réponse à une perturbation de manière exhaustive. Les approches omiques représentent une bonne alternative pour apprécier les dommages et évaluer la réponse globale des organismes soumis à des stress. Des modifications du transcriptome, du protéome ou du métabolome peuvent permettre de mettre en évidence de potentiels biomarqueurs d'exposition ou d'effet à un xénobiotique. Ces techniques dites à haut débit permettent donc de caractériser une réponse plus complète de l'organisme et définissent une nouvelle branche de la toxicologie : la toxicogénomique. Ainsi, des signatures témoignant de l'exposition à différents pesticides ont pu être mises en évidence chez deux bactéries du sol via une approche nouvellement utilisée dans un contexte écotoxicologique : la volatolomique (Hidalgo et al., 2019).La première partie de mes travaux de thèse a eu pour objectif de poursuivre cette preuve de concept en validant l'utilisation de cette approche sur un auxiliaire non-microbien des écosystèmes : Apis mellifera. Une signature volatile témoignant d'une exposition chronique à l'insecticide fipronil a été mise en évidence chez l'abeille. Les composés constituant cette signature ont pu être identifiés, en partie, et sont essentiellement classés comme étant des composés ayant une activité sémiochimique. Seul un métabolite, le 2,6-diméthylcyclohexanol, est décrit comme étant un modulateur des récepteurs à l'acide γ-aminobutyrique.La seconde partie de mes travaux s'est intéressée à la valorisation de deux composés volatils mis en évidence chez l'abeille, le 2,6-diméthylcyclohexanol et le 1-octen-3-ol, du fait de leur activité neurotropique sur les GABA-R. L'hypothèse de travail considérait que ces composés, produits par l'abeille, pourraient avoir un effet bénéfique dans le cas d'une exposition au fipronil. Ainsi, une étude de toxicité, a montré que ces composés ne sont pas toxiques pour l'abeille dans le cas d'une exposition chronique par voie trophique. Lors des études de co-exposition du 1-octen-3-ol et du fipronil, un effet bénéfique du composé volatil a pu être observé sur la survie des abeilles exposées à l'insecticide.La troisième partie de mes travaux a porté sur une étude ciblée de l'expression du gène tspo chez la bactérie du sol Pseudomonas fluorescens soumis à différents stress pesticides. Ce gène, initialement mis en évidence chez le protiste cilié Paramecium tetraurelia comme étant un biomarqueur potentiel de l'exposition aux insecticides pyréthrinoïdes, s'est montré être un marqueur de stress généraliste des pesticides chez P. fluorescens plutôt qu'un marqueur spécifique de l'exposition aux pyréthrinoïdes.Mes travaux de thèse montrent que les approches de toxicogénomique et d'écotoxicogénomique sont pertinentes pour obtenir de nouvelles pistes de biomarqueurs associés à différents niveaux trophiques et à différents stress. Leurs validations et valorisations restent toutefois des défis scientifiques et techniques qui doivent être engagés avant l'obtention de nouvelles solutions permettant l'identification et le suivi des contaminations dans l'environnement.
Origine : Version validée par le jury (STAR)