Omics approaches (métabolomic & proteomics) for the study of causal relationship between emerging contaminants (pharmaceutical active compounds) and marine organisms (Mytilus galloprovincialis)
Les approches –omiques, métabolomique et protéomique, pour l’étude de la relation de cause à effet entre contaminants émergents, produits pharmaceutiques et organismes marins, Mytilus galloprovincialis
Résumé
This PhD thesis takes place in a context of the contamination of marine environment by emerging contaminants, such as pharmaceutical active compounds (PhAC), and their effects on marine organisms. The study of causal relationships between exposure to one or more contaminants and the response of the Mediterranean mussel, Mytilus galloprovincialis, was the central focus of the research presented in this thesis. In order to provide information on the mechanisms of action and potential toxic effects of PhAC, data lacking in the literature, -omic approaches such as metabolomics and proteomics were applied. The effects of the antiepileptic carbamazepine (CBZ), a PhAC frequently detected in the marine environment, were first investigated on M. galloprovincialis through an integrated approach of metabolomics and proteogenomics. The data fusion strategy applied revealed correlated protein and metabolic signatures in response to exposure. The use of bioinformatics tools that put proteins and metabolites into their biological context thus highlighted changes in protein synthesis, fatty acid degradation, amino acid and carbohydrate metabolism, and cell death programming. Although the study of the effects of a single contaminant is essential to obtain mechanistic information, it is far removed from the relevance of environmental exposure, since organisms are exposed simultaneously to a multitude of contaminants. In order to integrate this complexity, mussels M. galloprovincialis were exposed to a wastewater treatment plant (WWTP) effluent, the main pathway of PhAC into the marine environment. Analysis of the metabolic fingerprints generated was first performed on male mussels to rule out gender-related biological variability (which could hide the response to exposure). Several metabolic pathways were thus revealed to be impacted (e.g. amino acids, purines and pyrimidines, Krebs cycle, neurohormones, etc.) which can disrupt several biological functions and processes (e.g. energy metabolism, immune system, osmorregulation, reproduction, byssal formation, etc.) and have adverse consequences on the organism. Based on the literature, hypotheses of causal relationships have been established between certain contaminants detected in the WWTP effluent (38 PPs and 4 pesticides) and the effects observed. Based on the same experiment, the gender factor was then integrated into the processing of data acquired from male/female and exposed/unexposed individuals in order to understand the role of gender in the response to exposure. To this end, the statistical approach of Analysis of Variance Multiblock Orthogonal Partial Least Square proved to be relevant for this kind of multifactorial experimental design. This approach was thus able to characterize and relate the variability of metabolomics data to its different factors of origin. A common response between the two genders, related to the exposure factor, was demonstrated through the modulation of several lysophospholipids induced by oxidative stress. While a gender-specific response, related to the interaction between gender and exposure factors, has been described following a modulation of certain polar lipids according to gender and a disruption of the kynurenin pathway only in males. This thesis work was able to strengthen knowledge on the effects of a PhAC of concern for the environment, CBZ, excluded from any regulatory framework, as well as on the effects of an exposure close to the environmental conditions reconstituted through a WWTP effluent. Original approaches to effects investigation and data analysis have been pertinently applied.
Ces travaux de thèse s’insèrent dans le contexte de la contamination du milieu marin par les contaminants émergents, tels que les produits pharmaceutiques (PP), et de leurs effets sur les organismes marins. L’étude des liens de cause à effet entre l’exposition à un ou plusieurs contaminants et la réponse de la moule méditerranéenne, Mytilus galloprovincialis, a été l’axe central des recherches présentées dans cette thèse. Afin de renseigner les mécanismes d’action et les potentiels effets toxiques des PP, données manquantes dans la littérature, les approches –omiques telles que la métabolomique et la protéomique ont été favorisées. Les effets de l’antiépileptique carbamazépine (CBZ), un PP fréquemment détecté dans le milieu marin, ont dans un premier temps été investigués sur M. galloprovincialis à travers une approche intégrée de la métabolomique et de la protéogénomique. La stratégie de fusion des données appliquée a mis en évidence des signatures protéiques et métaboliques corrélées entre elles en réponse à l’exposition. L’utilisation d’outils bioinformatiques remettant les protéines et métabolites dans leur contexte biologique a ainsi révélé des changements concernant la synthèse des protéines, la dégradation des acides gras, la métabolisation des acides aminés et des glucides, et la programmation de la mort cellulaire. Bien que l’étude des effets d’un seul contaminant soit essentielle pour obtenir des informations d’ordre mécanistique, elle s’éloigne en revanche de la pertinence d’une exposition environnementale, les organismes étant exposés simultanément à une multitude de contaminants. Dans le but d’intégrer cette complexité, les moules M. galloprovincialis ont été exposées à un rejet de station d’épuration (STEP), voie d’entrée principale des PP dans le milieu marin. L’analyse des empreintes métaboliques générées a d’abord été effectuée sur les moules mâles afin d’écarter la variabilité biologique liée au sexe (susceptible de masquer la réponse à l’exposition). Plusieurs voies métaboliques ont ainsi été révélées comme impactées (ex. acides aminés, bases puriques et pyrimidiques, cycle de Krebs, neurohormones, etc.) pouvant perturber plusieurs fonctions et processus biologiques (ex. métabolisme énergétique, système immunitaire, osmorégulation, reproduction, formation du byssus, etc.) et avoir des conséquences néfastes sur l’organisme. En se basant sur la littérature, des hypothèses de relation de cause à effet ont pu être établies entre certains contaminants détectés dans le rejet de STEP (38 PP et 4 pesticides) et les effets observés. A partir de cette même expérimentation, le facteur sexe a ensuite été intégré dans le traitement des données issues des individus mâles/femelles et exposés/non-exposés afin de comprendre le rôle du sexe dans la réponse à l’exposition. Pour cela, l’approche statistique Analyse of variance Multiblock Orthogonal Partial Least Square s’est révélée pertinente pour ce genre de design expérimental multifactoriel. Cette approche a ainsi pu associer la variabilité des données métabolomiques à leur(s) facteur(s) d’origine(s). Une réponse commune entre les deux sexes, reliée au facteur exposition, a été mise en évidence à travers la modulation de plusieurs lysophospholipides induite par un stress oxydant. Tandis qu’une réponse sexe-dépendante, reliée à l’interaction entre les facteurs sexe et exposition, a été décrite suite à une modulation de certains lipides polaires selon le sexe et une perturbation de la voie de la kynurénine uniquement chez les mâles. Ces travaux de thèse ont pu renforcer les connaissances sur les effets d’un PP préoccupant pour l’environnement, la CBZ, exclue de tout cadre réglementaire, ainsi que sur les effets d’une exposition proche des conditions environnementales reconstituées à travers un rejet de STEP. Des approches originales d’investigation des effets et d’analyses des données ont été pertinemment appliquées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)