ecotoxicologie-moleculair

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Sous la direction de milien PELLETIER Peter G.C. CAMPBELL Francine DENIZEAU

Catalogage avant publication de la Bibliothque nationale du Canada Vedette principale au titre : cotoxicologie molculaire : principes fondamentaux et perspectives de dveloppement Comprend des rf. bibliogr. ISBN 2-7605-1258-4 1. cotoxicologie. 2. Organismes aquatiques, Effets de la pollution de leau sur les. 3. Biologie molculaire. 4. Marqueurs biologiques. 5. Polluants de leau. 6. Xnobiotiques. I. Pelletier, milien. II. Campbell, P.G.C. (Peter Gerald Cadogan), 1943- . III. Denizeau, Francine. QH90.8.T68 E26 2004 571.9'5'0916 C2004-940015-0

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 PUQ 2004 9 8 7 6 5 4 3 2 1Tous droits de reproduction, de traduction et dadaptation rservs 2004 Presses de lUniversit du Qubec Dpt lgal 2e trimestre 2004 Bibliothque nationale du Qubec / Bibliothque nationale du Canada Imprim au Canada

Table des matires

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la mmoire de notre collgue et trs chre amie, Francine Denizeau, dcde le 24 mars 2004 la suite dun long combat contre le cancer. Nous garderons de Francine le souvenir dune femme de sciences nergique et profondment engage en recherche et en formation de jeunes diplms capables de prendre la relve en toxicologie de lenvironnement.

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cotoxicologie molculaire

Table des matires

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TABLE DES M AT I R E S

Liste des figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Liste des tableaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvii Abrviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxxi 1 8

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .milien Pelletier, Peter G.C. Campbell et Francine Denizeau

Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapitre 1

Prise en charge et dtoxication des mtaux chez les organismes aquatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Peter G.C. Campbell et Yves Couillard

9 10 11 11 12 15 16 16 19 19

Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Contamination environnementale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Identification de mtaux prioritaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Plan du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Toxicologie aquatique des mtaux notions . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Chimie environnementale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Prise en charge des mtaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Considrations gnrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.

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2.2.2. Modle de lion libre (MIL)/Modle du ligand biotique (BLM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Applicabilit du Modle du ligand biotique (BLM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Rsum : prise en charge des mtaux . . . . . . . . . . 2.3. Toxicit et de dtoxication des mtaux . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Mcanismes de toxicit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Mcanismes de dtoxication . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Spciation intracellulaire des mtaux un outil pour dceler la toxicit ? . . . . . . . . . . . . . . 3. Mtallothionines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Biochimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Synthse et dgradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Fonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1. Rle dans la rgulation des mtaux essentiels . . . 3.4.2. Protection contre le stress oxydant . . . . . . . . . . . . 3.4.3. Dtoxication des mtaux traces . . . . . . . . . . . . . . . Conclusions et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapitre 2

21 25 30 34 34 37 39 41 41 41 44 45 47 49 49 51 55

4.

La mtallothionine : un biomarqueur dexposition au cadmium pour les invertbrs deau douce . . . . . . . . . . .Bernadette Pinel-Alloul, Olivier Perceval, Anik Gigure, Yves Couillard, Peter G.C. Campbell et Landis Hare

63

Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Contamination mtallique dans les cosystmes aquatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Concept de biomarqueur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Dmarche cotoxicologique holistique et hirarchique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La mtallothionine comme biomarqueur dexposition et de toxicit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Approche cotoxicologique intgre . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Rappel du rle de la MT comme biomarqueur dexposition au cadmium . . . . . . . . . . . . . . 2.3. tude de cas : caractrisation limnologique et toxicologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64 65 65 66 67 70 70 74 76

2.

Table des matires

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2.4. valuation de la MT comme biomarqueur des effets toxiques du cadmium au niveau de la cellule et de lorganisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Validation de la MT comme biomarqueur des effets des mtaux au niveau des populations . . . . . . 2.5.1. Contexte cotoxicologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2. Variables toxicologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3. tat des populations et qualit environnementale des habitats . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4. Relations entre ltat des populations et les variables toxicologiques . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Effets confondants des facteurs environnementaux en milieu naturel . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Conclusions et perspectives de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapitre 3

77 82 82 83 85 85 94 95 99 102

La dpollution des POP : les nouveaux outils de la biologie molculaire la rescousse des biotechnologies environnementales . . . . . . . . . . . . . . . . .Michel Sylvestre, Diane Barriault, Marie-Michle Plante et Catherine Simard

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Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biodisposition des composs xnobiotiques par les bactries de lenvironnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Capacit des micro-organismes dgrader les xnobiotiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Capacit dadaptation des micro-organismes dans un nouvel environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les POP, une menace pour lenvironnement . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Persistance des POP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Exemple des BPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Voie catabolique des BPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Purification et mcanismes ractionnels de la dioxygnase du biphnyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Activit et spcificit de la dioxygnase du biphnyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

110 111 111 112 115 117 118 119 119 120 124

3.

4.

xii5.


Ingnierie de la dioxygnase du biphnyle . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. volution molculaire in vitro par recombinaison alatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Application de lvolution molculaire in vitro par recombinaison alatoire lingnierie de la dioxygnase du biphnyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. volution molculaire de familles de gnes . . . . . . . . . . . 5.4. Mthode de criblage pour une dioxygnase amliore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Ingnierie de la dioxygnase du biphnyle de la souche B-356 par recombinaison in vitro alatoire . . . . . . . . . . . . 5.6. Analyse dhybrides obtenus en remplaant la partie C-terminale de la chane de la dioxygnase de LB400 par celle de B-356 . . . . . . . . Autres enzymes de la voie catabolique du biphnyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1. La 2,3-dihydro-2,3-dihydroxybiphnyle 2,3-dshydrognase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. La 2,3-dihydroxybiphnyle 1,2-dioxygnase . . . . . . . . . . 6.3. Hydrolase du HOPDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Application des organismes modifis gntiquement dans des procds de dcontamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1. Expression et fonctionnalit des enzymes modifies . . . 7.2. Survie des organismes modifis gntiquement . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

129 131

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136 142 142 143 146 146 146 148 150 152

6.

7.

8.

Chapitre 4

Dfaillance de la synthse des hormones corticostrodes : exposition de poissons et amphibiens aux mtaux et aux pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161Alice Hontela et J. John Dorval

Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Problmatique des perturbateurs endocriniens . . . . . . . . 1.2. Cibles endocrines des polluants environnementaux et axe hypothalamo-hypophyso-adrnal . . . . . . . . . . . . .

162 163 163 164

Table des matires

xiii

2.

Endocrinologie compare du tissu adrnocortical et hormones corticostrodes . . . . . . . 2.1. Anatomie compare : poissons tlostens, amphibiens et mammifres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Cellule corticostrodognique et voies de signalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Les hormones corticostrodes et leurs effets physiologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Travaux sur le terrain et effets des expositions chroniques chez les poissons . . . . . . . . . . . . . . 3.1. La dfaillance cortisolique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Effets des mtaux sur la capacit dosmorgulation . . . . 3.3. Effets des mtaux sur la croissance et le mtabolisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Expositions in vitro : mcanismes impliqus dans la dfaillance cortisolique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Les interactions des mtaux avec le Ca2+ intracellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Effets des mtaux et des pesticides sur les enzymes strodogniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pesticides et stress oxydatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Dfinition du stress oxydatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Les systmes de dfense antioxydants . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Travaux en laboratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Exposition in vitro lendosulfan . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2. Travaux sur le terrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Utilisation des biomarqueurs hormonaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1. Recommandations et protocoles pour lutilisation sur le terrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Avantages et limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

166 166 167 169 170 170 173 174 175 176 178 181 182 182 184 184 185 186 186 188 189 189 191

3.

4.

5.

6.

7. 8.

xivChapitre 5


Rtinodes : biomarqueurs et base molculaire deffets de substances toxiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Monique Boily, Marjolaine Bisson et Philip A. Spear

197 198 199 200 200 205 206 208 212 212 215 220 221 223 225 226 229 230 230 237 244 245

Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biochimie, mtabolisme et action molculaire . . . . . . . . . . . . . 2.1. Absorption, mtabolisme, stockage et transport des rtinodes majeurs . . . . . . . . . . 2.2. Mtabolisme de lacide rtinoque et formes apparentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Interactions au niveau des rcepteurs nuclaires . . . . . . 2.4. Aspects nutritionnels de la vitamine A et effets dun excs en acide rtinoque sur lembryon . . . . . . . . . Dsquilibres des rtinodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Dsquilibre des formes de stockage . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Stockage au niveau du foie et certains organes . . 3.1.2. Corrlations entre enzymes et rtinodes hpatiques stocks . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Rserve au niveau des ufs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4. Effet des contaminants sur la HER, la LRAT et lARAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5. Conclusions propos du stockage de rtinodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Rtinol sanguin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Effets sur le mtabolisme de lacide rtinoque . . . . . . . . Exemples des rtinodes comme biomarqueurs dans le contexte dtudes cotoxicologiques . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Programmes de surveillance des colonies aviennes sur les Grands Lacs et le fleuve Saint-Laurent . . . . . . . . . 4.2. tudes sur les populations desturgeon jaune . . . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Table des matires

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Chapitre 6

Les interactions multiples en cotoxicologie : le cas du benzo(a)pyrne et du tributyltain chez lomble chevalier (Salvelinus alpinus) . . . . . . . . . . . . . . .Jaime Padrs, milien Pelletier et Ciro A. de Oliveira Ribeiro

257 258 259 260 262 266 268 268 268 268 269 269 270 270 270 270 271 271 271 272 273 274 275 276 277 279 281 283

Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Introduction gnrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Lantagonisme slnium/mercure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Introduction au problme du TBT et du BaP . . . . . . . . . . 1.3. Hypothses de travail et objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Matriel et mthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Produits chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Poissons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Traitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Prlvement des tissus cibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Prparation des essais enzymatiques et dosages biochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Analyse des mtabolites du BaP dans la bile . . . . . . . . . . 2.7. Isolement des macromolcules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Analyses chimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9. Analyses histopathologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10. Analyses statistiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Effets interactifs du BaP et du TBT sur lactivit du P4501A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Effets du TBT sur le mtabolisme du BaP . . . . . . . . . . . . . 3.3. Effets du TBT sur la bioactivation du BaP . . . . . . . . . . . . 3.4. Effets interactifs du BaP et du TBT sur les activits de la GST et de la GR hpatiques . . . . . . 3.5. Effets interactifs du BaP et du TBT sur le glutathion . . . 3.6. Effets du BaP sur le mtabolisme du TBT . . . . . . . . . . . . . 3.7. Effets interactifs du BaP et du TBT sur lhistopathologie du tissu hpatique . . . . . . . . . . . . . . Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Inhibition de la bioactivation du BaP par le TBT . . . . . . . 4.2. Potentiation du mtabolisme et/ou de lexcrtion du TBT par le BaP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.

3.

4.

xvi


4.3. Effet modulateur du TBT sur lactivit du P4501A . . . . . 4.4. Diminution de lactivit de la GST et du glutathion et effet protecteur du BaP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Protection mutuelle entre le BaP et le TBT au niveau tissulaire hpatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. 6. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perspectives sur les interactions multiples en cotoxicologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chapitre 7

284 286 288 288 291 294

Interactions cellule-cellule : cible des xnobiotiques . . . . . .Daniel G. Cyr, Stphane Pillet et Jean-Marc Nicolas

301 302 303 303 303 305 315 315 321 321 322 323 327 329 329 330 332 335 335 336

Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Intgrines et slectines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Slectines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Intgrines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jonctions lacunaires et communication intercellulaire . . . . . . . 3.1. Connexines et jonctions lacunaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Effets des xnobiotiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Phnobarbital (PB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Organochlors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4. Mtaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jonctions dadhsion cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Cadhrines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Voie de signalisation des cadhrines . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Rgulation de la jonction adhrente . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Effets du cadmium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.

4.

5.

Table des matires

xvii

Chapitre 8

Stress physiologique et perturbation endocrinienne chez les bivalves marins . . . . . . . . . . . . . . . . . .Jocelyne Pellerin, Sophie Gauthier-Clerc, Ahmed Siah et Olivier Assoi-Etchian

349

Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Les biomarqueurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signaux cellulaires et molculaires de stress physiologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Les processus oxydants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Exemples de stress oxydant en milieu marin . . . . 2.1.2. Observations interspcifiques . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. La dstabilisation de la membrane lysosomale . . . . . . . . 2.2.1. Rponses de la membrane lysosomale aux paramtres du milieu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Rponses de la membrane lysosomale aux stress anthropiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. La croissance : un signal physiologique, intgrateur des dysfonctionnements . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Les paramtres du milieu : exemples de leur influence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Le potentiel de croissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signalisation cellulaire de la reproduction et de ses dysfonctionnements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. La gamtogense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Le dveloppement des ovocytes . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Lenzyme aspartate transcarbamylase . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Utilisation de lATCase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Rgulation de la gamtogense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. La strodogense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1. Relations entre la disponibilit des rserves nergtiques et la rgulation endocrinienne de la maturation des gonades . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2. Le rle physiologique des strodes chez les mollusques bivalves . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Rle de la vitellognine et des protines associes . . . . . 3.5.1. La vitellogense chez les invertbrs . . . . . . . . . . .

350 351 352 352 352 354 355 356 358 359 359 359 360 361 362 362 362 363 363 364

3.

365 366 366 366

xviii4.


Les perturbateurs endocriniens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Problmatique gnrale des perturbateurs endocriniens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Le cas des xno-strognes dans lenvironnement . . . . 4.2.1. Identification et mode daction . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Prsence en milieu aquatique . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Utilisation de la vitellognine comme signal dexposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Autres effets associs lexposition aux xno-strognes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Les anti-strognes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signalisation cellulaire en milieu marin : rsultats rcents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Variation de la maturation sexuelle chez Mya arenaria dans le fjord du Saguenay (Qubec) : exposition des perturbateurs endocriniens ? . . . . . . . . . 5.1.1. Relations entre les rserves nergtiques et la maturation des gamtes . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Effets du tributyltain sur la reproduction des mollusques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rle de la progestrone dans la maturation sexuelle : rsultats rcents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effets des perturbateurs endocriniens sur lenzyme aspartate transcarbamylase . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1. Cas du tributyltain (TBT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1. Rsultats rcents sur lATCase chez Mya arenaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2. Les acquis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1. Lintgration de signaux molculaires et cellulaires . . . . 8.2. Utilisation de Mya arenaria comme organisme sentinelle dans le cas dexposition des xno-strognes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

367 367 369 369 369 370 371 372 373

5.

373 373 377 378 383 383 384 386 386 386

6. 7.

8.

387 388 390

9.

Table des matires

xix

Chapitre 9

Biomarqueurs immunologiques appliqus lcotoxicologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Michel Fournier, Alain Lalancette, Lucie Mnard, Marie-Soleil Christin-Pich, Sylvain De Guise et Pauline Brousseau

401

Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Considrations gnrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Diversit des effets immunotoxiques . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Procdures dvaluation toxicologique et prvision dimmunotoxicit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Principes dune exploration immunotoxicologique . . . . 1.5. valuation du risque en immunotoxicologie . . . . . . . . . . Immunotoxicologie des invertbrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Rponses immunitaires non spcifiques . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. La phagocytose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Lactivit des cellules NK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Rponses immunitaires spcifiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Rponse mdiation cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Rponse mdiation humorale . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Les cytokines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Les biomarqueurs immunologiques chez les invertbrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Les marqueurs immunologiques chez les annlides oligochtes . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2. Biomarqueurs immunologiques chez les mollusques bivalves . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Immunotoxicologie des amphibiens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. La structure du systme immunitaire . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Le thymus et les lymphocytes T . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. La rate et les lymphocytes B . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Autres organes lymphodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Limmunit inne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Limmunit acquise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1. Le complexe majeur dhistocompatibilit . . . . . . . 3.4.2. Les immunoglobulines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3. La diversit des anticorps dans la rponse humorale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

402 403 403 403 405 405 406 407 407 408 408 409 410 410 411 411 411 411 415 421 421 421 422 422 422 423 423 424 424 424 425

2.

3.

xx


3.5. La tolrance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Les changements dans le systme immunitaire lors de la mtamorphose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Sensibilit des amphibiens diffrents pathognes lors de la mtamorphose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8. Effets toxiques des produits chimiques sur le systme immunitaire des amphibiens . . . . . . . . . . 3.9. Effets immunotoxiques dun mlange de pesticides sur les grenouilles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. 5. Discussion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

425 426 426 427 429 431 433 434 445 451 457

Glossaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Table des matires

xxi

LISTE DES FIGURES

Figure 1.1 Figure 1.2 Figure 1.3 Figure 1.4

Schma gnral montrant la spciation chimique des mtaux en solution . . . . . . . . . . . . . . . . . Modle conceptuel des interactions entre les mtaux et les organismes aquatiques . . . . . . Prise en charge de mtaux par des organismes aquatiques mcanismes gnraux . . . . . . . . . . . . . . . Schma gnral des courbes dose-rponse typiquement observes chez un organisme vivant pour i) un macro-lment nutritif (p. ex., Ca) ; ii) un micro-lment nutritif (p. ex., Cu) ; et iii) un lment toxique non essentiel (p. ex., Pb) . . Liens entre lexposition aux mtaux, leur prise en charge, leur dtoxication, et la manifestation deffets dltres . . . . . . . . . . . . . . . Structure tridimensionnelle des deux domaines de chlation mtallique de la mtallothionine 2a du foie de lapin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modle de synthse et de dgradation de la mtallothionine lchelle cellulaire . . . . . . . . .

17 21 23

35

Figure 1.5

38

Figure 1.6

43 46

Figure 1.7

xxiiFigure 1.8


Changements dans les concentrations dhmocyanine, de cuivre et de zincthionine dans lhpatopancras du crabe bleu Callinectes sapidus au cours de son cycle de mue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effet de lintroduction dun mtal toxique dans lenvironnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Approche cotoxicologique intgre . . . . . . . . . . . . . . Modles de cytotoxicit (ou de dbordement) cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Concentration de mtallothionine . . . . . . . . . . . . . . . . Ractions des populations de bivalves au niveau de contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Productivit des populations de bivalves en fonction de la contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mtabolisme des organismes prototrophiques arobies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Voie catabolique oxydative du biphnyle et des chlorobiphnyles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Structure probable du centre Rieske . . . . . . . . . . . . . . . Mode dhydroxylation et proprits catalytiques des dioxygnases du biphnyle des souches B-356, KF707 et LB400 envers les congnres chlorobiphnyles . . . Comparaison des squences en acides amins des portions C-terminales des chanes des dioxygnases du biphnyle des souches LB400, B-356 et KF707 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modes dattaque du 2,2'-dichlorobiphnyle par la dioxygnase du biphnyle de LB400 . . . . . . . . . volution molculaire par recombinaison in vitro alatoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Colonies induites de E. coli exposes aux vapeurs de biphnyle

48 69 72 78 81 90 93 113 122 124

Figure 2.1 Figure 2.2 Figure 2.3 Figure 2.4 Figure 2.5 Figure 2.6 Figure 3.1 Figure 3.2 Figure 3.3 Figure 3.4

126

Figure 3.5

127 130 132

Figure 3.6 Figure 3.7 Planche 1

Liste des figures

xxiiiConstructions dhybrides entre la dioxygnase de la souche LB400 et celle de la souche B-356 et leur activit envers le biphnyle . . . . . . . . . . . . . . . . Potentiel catalytique et alignements des squences de variants de la dioxygnase du biphnyle obtenus par recombiaison in vitro alatoire . . . . . . . . . . . . . . . . Mcanisme dinhibition de la 2,3-dihydroxybiphnyle 1,2-dioxygnase par le 3-chlorocatchol . . . . . . . . . . . . Niveaux dorganisation anatomique et fonctionnelle de laxe HHI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lorganisation cellulaire du tissu interrnal chez le poisson tlosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Voies signaltiques de la synthse du cortisol dans la cellule strodognique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sites chantillonns dans ltude cotoxicologique de la perchaude Perca flavescens dans la rgion minire de Rouyn-Noranda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Le bioessai utilis pour valuer in vivo et in vitro la toxicit adrnale chez les poissons et les amphibiens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enzymes impliques dans la dfense oxydative . . . . . Effet dune exposition in vitro lendosulfan sur la scrtion de cortisol par les cellules corticostrodogniques de la truite arc-en-ciel. . . . . . Structure gnrale des rtinodes . . . . . . . . . . . . . . . . . Schma gnral des interactions concernant les rtinodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . tude sur les colonies de grands hrons nichant le long du fleuve Saint-Laurent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chromatogrammes par HPLC des extraits de foie desturgeons jaunes, Acipenser fulvescens, provenant du fleuve Saint-Laurent et de la rgion dAbitibi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figure 3.8

138

Figure 3.9

141 145 165 168 170

Figure 3.10 Figure 4.1 Figure 4.2 Figure 4.3 Figure 4.4

171

Figure 4.5

180 183

Figure 4.6 Figure 4.7

185 200 201 235


242

xxivFigure 5.5


Proportions (A) et concentrations (B) de rtinodes hpatiques pour lesturgeon jaune, Acipenser fulvescens, du fleuve Saint-Laurent et de la rgion dAbitibi (site de rfrence) . . . . . . . . . Structures chimiques du benzo(a)pyrne (BaP) et du chlorure de tributyltain (TBTCl) . . . . . . . . . . . . Schma gnral du mtabolisme des xnobiotiques chez le poisson . . . . . . . . . . . . . . . . Processus de bioactivation du BaP en un mtabolite cancrogne (+)-anti-BaPDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effets interactifs du BaP et du TBT sur lactivit de lEROD hpatique (UF/min/mg de protine) . . . . Effets interactifs du BaP et du TBT sur lactivit de la GST hpatique (nmol/min/mg de protine) dans le foie . . . . . . . . . . . Effets interactifs du BaP et du TBT sur le contenu en GSH (nmol/g de tissu) dans le foie . . . . . . . . . . . . . Coupes microscopiques (5m) du foie de Salvelinus alpinus expos 6 doses successives, soit de TBT, soit de BaP, ou encore de TBT + BaP, colores lhmatoxyline et losine (agrandissement 400 ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Distribution des aires non colores du cytoplasme . . Reprsentation schmatique des interactions intercellulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principales molcules dadhrence intercellulaire et leur implication dans le processus squentiel de migration cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reprsentation schmatique dune plaque jonctionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reprsentation schmatique de linsertion dune connexine au sein de la membrane plasmatique . . . .

243 263 265 267 272

Figure 6.1 Figure 6.2 Figure 6.3 Figure 6.4 Figure 6.5

275 276


278 280 304

Figure 6.8 Figure 7.1 Figure 7.2

307 316 319


Liste des figures

xxvReprsentation schmatique du complexe cadhrine-catnine dans une cellule pithliale . . . . . Reprsentation schmatique de la voie de signalisation Wnt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suivi des processus oxydants chez Mya arenaria via lactivit catalasique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suivi des processus oxydants chez Mya arenaria autant en milieu naturel que transplants dans les msocosmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemple de rponses du potentiel de croissance (Scope for growth) chez Mya arenaria et Mytilus edulis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exposition de Mya arenaria et de Mytilus edulis du TBT via du phytoplancton contamin . . . . . . . . . Profil des variations de la maturation sexuelle de Mya arenaria dans le fjord du Saguenay . . . . . . . . . Profil saisonnier des variations des concentrations en glycogne de Mya arenaria dans le fjord du Saguenay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Profil des variations des concentrations en protines apparentes aux vitellines dans lhmolymphe de Mya arenaria dans le fjord du Saguenay . . . . . . . . . Frquence des diffrents stades de maturation sexuelle chez Mya arenaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Profil de la progestrone chez Mya arenaria . . . . . . . . . Influence du TBT sur lactivit de lATCase gonadique de Mya arenaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagramme de points de la dispersion en taille (FSC) et en complexit (SSC) dune population dhmocytes de myes (Mya arenaria) . . . . . . . . . . . . . .


331 333 356

357

Figure 8.3

358 361 374

Figure 8.4 Figure 8.5 Figure 8.6

375

Figure 8.7

376 380 381 385


417

xxvi


Table des matires

xxvii

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1.1 Tableau 1.2 Tableau 1.3 Tableau 1.4

Comparaison cotoxicologique entre les mtaux traces et les micro-polluants organiques . . . . . . . . . . . Classification des lments mtalliques dans un contexte environnemental . . . . . . . . . . . . . . . . Spciation chimique des mtaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spciation inorganique typique de quatre mtaux traces (Cd, Cu, Pb, Zn) dans les eaux douces oxyques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proprits chimiques des substances humiques et processus biogochimiques reconnus qui y sont associs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Influence de la matire organique dissoute (MOD) naturelle sur la biodisponibilit des mtaux . . . . . . . . Facteurs physiologiques et exprimentaux entranant linduction de mtallothionine chez les mammifres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . tudes montrant le rle des mtallothionines dans lacquisition de tolrance accrue aux mtaux . . Relations entre la MT chez diffrentes espces dinvertbrs et le niveau de cadmium dans le milieu (Cd2+) et dans les organismes (Cd dans le corps entier ou les branchies) . . . . . . . . . .

12 13 16

19

Tableau 1.5

30 32

Tableau 1.6 Tableau 1.7

44 50


74

xxviiiTableau 2.2 Tableau 2.3 Tableau 2.4 Tableau 2.5 Tableau 2.6 Tableau 2.7 Tableau 3.1 Tableau 3.2


Mthodes de mesure de la contamination au cadmium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Concentrations de cadmium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mthodes de mesure des variables dmographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caractristiques dmographiques dans les lacs slectionns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caractristiques morphomtriques et limnologiques des 9 lacs slectionns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effets de la contamination du milieu sur les populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quantit de substrat consomm 5 min aprs le dbut de la raction enzymatique . . . . . . . . . Activit de dioxygnases hybrides purifies par chromatographie daffinit de protines recombinantes portant une tiquette Histidine . . . . . Concentrations tissulaires en mtaux (g/g poids sec) de la perchaude, Perca flavescens, prleve dans la rgion minire de lAbitibi . . . . . . . . . . . . . . . . Sensibilit de cellules adrnocorticales de la truite aux mtaux et pesticides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Effets des contaminants sur le stockage de rtinodes majeurs au niveau du foie . . . . . . . . . . . Effets des organochlors sur lactivit de lARAT, de la LRAT et de la HER . . . . . . . . . . . . . . .

80 84 86 88 91 98 128

137

Tableau 4.1

172 181 213 224


Rsum des rsultats chez la population de lesturgeon jaune, Acipenser fulvescens, du fleuve Saint-Laurent comparativement aux sites de rfrence . . . . . . . . . . . 239 Effets du TBT sur la concentration biliaire de mtabolites du BaP (g/mg de protine) . . . . . . . . Effets du TBT sur la formation in vivo des adduits lalbumine (Alb), la globine (Gb) et lADN (pg BaP ttrol I-1/mg de macromolcule) . . . . . . . . . . 273


274

Liste des tableaux

xxix


Effets du BaP sur la concentration biliaire des composs butyltains (ng Sn/g de bile) . . . . . . . . Nature et incidence des effets morphologiques observs dans le foie de Salvelinus alpinus expos six doses de TBT, de BaP, ou de TBT + BaP . . . . . . . . Liste des connexines identifies ce jour chez les mammifres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Liste des connexines identifies ce jour chez les vertbrs aquatiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rcapitulatif des effets observs sur diffrentes espces exposes aux perturbateurs endocriniens . . . Concentrations inhibant de 50 % la phagocytose effectue par des hmocytes de myes (Mya arenaria) et des clomocytes de vers (Lumbricus terrestris) exposs divers mtaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Concentrations inhibant de 50 % la phagocytose effectue par des hmocytes de myes (Mya arenaria), de moules bleues (Mytilus edulis) et de mactres (Spisula polynima) exposs divers composs de butyltain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

277

279 317 318 368


414

Tableau 9.2

418

xxx


Table des matires

xxxi

ABRVIATIONS17b-HSD 2,4,5-T 2,4-D 3b-HSD 4-NP Actyl CoA ACTH ADN ADN AgNO3 AH + AF AHH Ahr Alb ALP AMPc APC APs ARAT ARN ASE ATCase BaP BaPDE BE BKME BLM BPB BPC C Sest CAT CCF-1 CdCl2 Cd-FPM Cd-HPM

17b-hydroxystrode dshydrognase-isomrase Acide 2,4,5-trichlorophnoxyactique Acide 2,4-dichlorophnoxyactique 3b-hydroxystrode dshydrognase-isomrase 4-nonylphnol Actyl coenzyme A Hormone adrnocorticotropique Acide doxyribonuclique Acide dsoxyribonuclique Chlorure dargent Acides humiques et acides fulviques Aryl-hydrocarbone-hydroxylase Aryl hydrolase Albumine Phosphore labile en milieu alcalin Adnosine monophosphate cyclique Suppresseur de tumeurs de polypose rtro-colique familiale (adenomatous polyposis coli tumor suppressor) Alkylphnols Acyl-coenzyme A rtinol-acyltransfrase Acide ribonuclique Anse Saint-tienne Aspartate transcarbamylase Benzo(a)pyrne Benzo(a)pyrne-7,8-diol-9,10-poxyde Baie ternit Effluents dusine de pte kraft blanchie (bleached Kraft pulp mill effluents) Modle du ligand biotique (Biotic Ligand Model) Biphnyles polybroms Biphnyles polychlors Carbone dans le seston < 80 m Catalase Facteur cytolytique clomique de type 1 (coelomic cytolytic factor-1) Chlorure de cadmium Cadmium li aux ligands de faible poids molculaire Cadmium li aux ligands de haut poids molculaire

1

xxxiiCd-MT CE50 CH3HgCl Chl.a CI10 CI50 CL50 CMH-I CMH-II CNRC COD CRABP CRBP CuCl2 Cx CYP DbcAMP DBT DDT DEN DMF DMSO DSh E-Cad ECOD EDTA EE2 EIT ELAM ELISA ER ERE ERO EROD ESEE FAD


Cadmium li aux protines sapparentant aux mtallothionines Concentration efficace 50 % Chlorure de mthyl mercure Chlorophylle a Concentration requise pour obtenir 10 % dinhibition Concentration requise pour obtenir 50 % dinhibition Concentration ltale 50 % Complexes dhistocompatibilits majeurs de classe I Complexes dhistocompatibilits majeurs de classe II Conseil national de recherches du Canada Carbone organique dissous Cellular Retinoic Acid-Binding Protein Cellular Retinol-Binding Protein Chlorure de cuivre Connexine Cytochrome P450 Dibutiryle AMP cyclique Dibutyltain (C4H9)2Sn(IV) 1,1,1-trichloro-2,2-bis(p-chlorophnyl)thane Dinotrosamine N,N-dimthylformamide Dimthylsulfoxyde Protine dishevel Cadhrine pithliale 7-thoxycoumarine-O-dthylase thylnediamine-ttraactate thynyloestradiol lments inhibiteurs de transcription Molcule dadhsion des leucocytes lendothlium (endothelial leukocyte-adhesion molecule) Immuno-absorption enzymatique (enzyme-linked immunosorbent assay) Rcepteur strognique Composante ractive aux estrognes Espces ractives de loxygne 7-thoxyrsorufine-O-dthylase tude de suivi des effets sur lenvironnement Flavine adnine dinuclotide

Abrviations

xxxiiiFacteur de croissance fibroblastique (fibroblast growth factor) Rcepteur frizzle Globine Chromatographie en phase gazeuse couple une spectromtrie de masse Communication intercellulaire via les jonctions lacunaines (gap junctional intercellular communication) Glutathion peroxydase Glutathion rductase Glutathion Synthtase de glycogne Glutathion S-transfrase Hydrocarbures aromatiques polycycliques Hexachlorobenzne Hydrolase des esters du rtinol Chlorure de mercure Hydrolase des hydrocarbures aromatiques Acide 2-hydroxy-6-oxo-6-phnylhexa-2,4-dinoque Molcule dadhrence intercellulaire (intercellular adhesion molecule) Immunoglobuline Facteur de croissance semblable linsuline (insulin-like growth factor) Interleukine Isopropyl- -D-thiogalactopyranoside Constante du taux de croissance instantane Cadhrine rnale Coefficient de partage octanol/eau Longueur asymptotique thorique Chromatographie en phase liquide couple la spectromtrie de masse Molcule dadhrence cellulaire des leucocytes lendothlium (leukocyte-endothelial cell adhesion molecule) Ligands de faible poids molculaire Ligands de haut poids molculaire Effet observ dose faible Lipopolysaccharide Lcithine rtinol-acyltransfrase Lipovitellines Monobutyltain (C4H9)Sn(IV)

FGF Frz Gb GC-MS GJIC GPx GR GSH GSK GST HAP HCB HER HgCl2 HHA HOPDA ICAM Ig IGF IL IPTG K K-Cad KOW L LC-MS LECAM L-FPM L-HPM LOEL LPS LRAT LVn MBT

xxxivMDA MDCK MFO MIL MoCl4 MOD MT MTF-1 Mz+ N Sest NAD NADP NADPH NiCl2 NK NOAEL NOEL NP NP1EC NP2EC NPxEO NTA o,pDDE o,pDDT OFM OP P/B P450 PbCl2 P-Cad PCB PCDD PCDF PCP PCR PHMB PMN


Malondialdhyde Cellules rnales de chien Mardin-Darby (Mardin-Darby dog kidney) Oxygnas fonction mixte (mixed function oxygenase) Modle de lion libre Chlorure de molybdne Matire organique dissoute Mtallothionine Facteur de transcription impliqu dans linduction de la synthse de la mtallothionine Ion mtallique libre (incluant sa sphre dhydratation) Azote dans le seston < 80 m Nicotinamide adnine dinuclotide Nicotinamide adnine dinuclotide phosphate Dihydronicotinamide adnine dinuclotide phosphate Chlorure de nickel Celllule tueuse naturelle (natural killer) Dose sans effet nfaste observ (no observable adverse effect level) Pas deffet observ Nonylphnol Acide nonylphnoxyactique Acide nonylphnoxythoxyactique Nonylphnolpolythoxylates Nitrilotriactate o,p-dichlorodiphnyldichlorothylne o,pdichlorodiphnoltrichlorthane Oxygnases fonction mixte Octylphnol Ratio Production/Biomasse Cytochrome P-450 Chlorure de plomb Cadhrine placentaire Pentachlorobiphnyle Dibenzopolychlors (polychlorinated dibenzodioxin) Dibenzofuranes (polychlorinated dibenzofuran) Pentachlorophnol Raction de polymrisation en chane Para-hydroxymercuribenzoate Cellules polymorphonucles

Abrviations

xxxv

POP Polluants organiques persistants Protine StAR Steroidogenic Acute Regulatory Protein RAG Enzymes de recombinaison dactivation des gnes (recombination activating genes enzyme) RAG All-trans-rtinoylglucuronide RAR Rcepteurs de lacide rtinoque RBP Retinol-binding Protein RNI Intermdiaires ractifs dazote (reactive nitrogen intermediates) ROI Intermdiaires ractifs doxygne (reactive oxygen intermediates) RXR Rcepteurs X des rtinodes slectine-Ec Slectine-E circulante SH Groupes thiol SNC Systme nerveux central SOD Super oxyde dismutase TBT Tributyltain (C4H9)3Sn(IV) TCB Ttrachlorobiphnyle TCCD 2,3,7,8-dichlorodibenzo-dioxine TCDD 2,3,7,8-ttrachlorodibenzo-p-dioxine TCDD-EQ quivalences toxiques en TCDD TdT Transfrase-terminale (terminal deoxynucleotidyl transferase) TGFTNF TNT TTR UDP-GT UMP VCAM VLA ZnCl2 ZO -BHC Facteur de croissance de transformation bta (transforming growth factor ) Facteur de ncrose des tumeurs (tumor necrosis factor) Trinitrotolune Transthyrtine Uridine diphosphoglucuronyltransfrase Uridine monophosphate Molcule dadhrence vasculaire (vascular adhesion molecule) Gne dactivation tardive (very late antigen) Chlorure de zinc Zona occludens Gamma benzene hexachlorure

xxxvi


CHAPITRE

INTRODUCTION lcotoxicologie molculaire

MILIEN PELLETIERUniversit du Qubec Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski

PETER G.C. CAMPBELLUniversit du Qubec, INRS Eau, Terre et Environnement

FRANCINE DENIZEAUUniversit du Qubec Montral, Dpartement de chimie et biochimie

2


Lcotoxicologie se dfinit de faon concise comme tant la science qui traite de limpact des composs chimiques sur les cosystmes. Cette science, qui intgre la chimie, la toxicologie et lcologie, a fait ses premiers pas il y a un peu plus de trente ans lorsque le professeur Ren Truhaut a dfini cette nouvelle discipline comme une branche de la toxicologie concerne par ltude des effets toxiques causs par les polluants sur les constituants des cosystmes (voir Truhaut, 1977). Cest effectivement au cours des annes 1970 et au dbut des annes 1980 que les concepts et les mthodes propres lcotoxicologie se sont peu peu dvelopps, donnant lieu la publication de plusieurs ouvrages qui cherchaient de plus en plus intgrer les diffrents savoirs disciplinaires en une approche fonctionnelle portant la fois sur leffet des contaminants sur les cosystmes et sur le rle des cosystmes eux-mmes dans le devenir des contaminants (Butler, 1978 ; Moriarty, 1983 ; Nrnberg, 1984 ; Ramade, 1979). Louvrage de Levin et ses collaborateurs, publi en 1989, nous parat particulirement important parce quil fournit une excellente synthse de lavancement des connaissances la fin des annes 1980 et surtout parce que les auteurs abordent la question de lcotoxicologie prdictive par lintgration de rsultats exprimentaux des modles cologiques comportant des bases mathmatiques solides avec une bonne comprhension du comportement physico-chimique des composs chimiques dans lenvironnement. Lapproche de la fugacit dveloppe par le professeur Donald Mackay lUniversit de Toronto en est un exemple exceptionnel montrant comment des connaissances trs disciplinaires en physique et chimie peuvent servir dcrire le comportement complexe des composs chimiques dans les diffrents compartiments de lenvironnement (Mackay, 1991). Lide dutiliser des microcosmes (ou msocosmes selon leur taille) pour obtenir des donnes exprimentales en cotoxicologie provient dabord des cologistes marins qui ont cherch reproduire petite chelle des phnomnes difficiles observer en pleine mer (Grice et Reeve, 1980). Le Marine Ecosytem Research Laboratory (MERL) a t pendant les annes 1980 le haut lieu de la recherche sur le comportement des substances chimiques en prsence dorganismes marins plus ou moins organiss en populations et communauts plagiques ou benthiques (Gearing et Gearing, 1983). Des microcosmes deau douce ont aussi t dvelopps pour comprendre les mcanismes de bioaccumulation et les effets de contaminants chez les invertbrs et les poissons (Boudou et Ribeyre, 1989). Plusieurs ouvrages publis depuis les annes 1990 ont mis laccent sur lvaluation des impacts des contaminants sur les cosystmes et sur les risques pour les humains et les organismes de vivre en contact avec des environnements pollus (Landis et Yu, 1995 ; Wright et Welborn, 2002). Ainsi, la seconde dition de limposant ouvrage de Gary Rand sur la

Introduction

3

toxicologie aquatique (Rand, 1995) consacre maintenant quinze chapitres (350 pages) lvaluation des risques environnementaux alors que la premire dition (Rand et Petrocelli, 1985) nen comportait que quatre (62 pages), preuve tangible des progrs enregistrs en matire de lgislation et de mthodes de caractrisation du risque associ la contamination des cosystmes. Ces mthodes ont progress parce que notre comprhension des mcanismes fondamentaux qui rgissent les modes daction des composs chimiques sur les processus vitaux a progress et que des bioindicateurs qui permettent de poser un diagnostic environnemental de qualit ont t dvelopps. Le dveloppement dune cotoxicologie applique lvaluation des risques et au suivi de la sant des cosystmes passe par la mise au point doutils de diagnostic la fois sensibles et pertinents au plan cologique (Huggett et al., 1992). Ces outils sont le plus souvent regroups sous le vocable de biomarqueurs et diviss en sous-groupes en fonction de lutilisation quon veut en faire, soit pour dterminer les niveaux dexposition (bioaccumulation de xnobiothiques ou formation de mtabolites), soit pour caractriser les effets toxiques partir du niveau cellulaire jusquau niveau dun cosystme entier. Il nexiste pas de biomarqueur universel qui fournirait ltat de sant dun cosystme donn ou mme dune population spcifique au sein dun cosystme. La solution prconise en sant environnementale, tout comme dailleurs en sant humaine, est lutilisation dune batterie de tests (ou marqueurs biologiques) qui permette au clinicien environnemental de dtecter la prsence dun ou plusieurs stresseurs et den dterminer les effets sur des individus, des populations et des communauts. Notre ouvrage sur lcotoxicologie molculaire se prsente comme une suite logique aux travaux fondamentaux entrepris au cours des annes 1990 (Malins et Ostrander, 1993) sur les mcanismes biochimiques et cellulaires faisant intervenir une ou plusieurs substances chimiques, particulirement les mtaux et les petites molcules organiques ayant un caractre persistant dans lenvironnement. Les chapitres de ce livre ont t ordonns de faon montrer le passage progressif dune approche mcanistique de nature chimique et biochimique une approche de nature plus toxicologique aux niveaux cellulaire et tissulaire. Les deux premiers chapitres proviennent de lquipe de chercheurs dirige par les professeurs Peter G.C. Campbell, Bernadette Pinel-Alloul et Ladis Hare qui uvre depuis dj plusieurs annes comprendre laction toxicologie des mtaux chez les organismes aquatiques et relier la prsence de certains mtaux traces, comme le cadmium dans des lacs du nord du Qubec, des indicateurs dexposition et deffets toxiques chez les bivalves indignes. On trouve dans le premier de ces deux textes une analyse approfondie des mcanismes dinteraction chimique et biochimique des mtaux avec la cellule vivante et sur les outils dont

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dispose cette cellule pour contrler son environnement intracellulaire et se dfendre contre lintrusion des ions mtalliques. Les rles de rgulation et de dfense cellulaire dvolus de la mtallothionine y sont discuts dans une perspective dutilisation de cette protine comme biomarqueur dexposition aux mtaux. Le deuxime texte dcrit une application sur le terrain de loutil mtallothionine chez un bivalve deau douce, Pyganodon grandis, choisi comme espce sentinelle. La prsence dun gradient de contamination en cadmium entre une dizaine de lacs de la rgion de Rouyn-Noranda au nord du Qubec offre un cadre exprimental exceptionnel permettant de relier la prsence du cadmium ltat de sant gnral des moules et la mise en place de leurs moyens de dfense cellulaires. Le troisime chapitre, prpar par le professeur Michel Sylvestre et son quipe de recherche de lINRS-Institut Armand-Frappier, aborde le sujet trs novateur de la biologie molculaire applique lcotoxicologie. Les auteurs montrent les progrs trs rcents et prometteurs dune technique appele volution molculaire in vitro par recombinaison alatoire . Cette technique reproduit lchelle molculaire ce que lvolution a ralis sur des millions dannes et ouvre la porte des modifications gntiques qui permettront par exemple de transformer des bactries pour les rendre capables de dgrader des contaminants encore rcalcitrants aux attaques enzymatiques. La diffrence essentielle avec les mthodes classiques de slection des souches actives est que lvolution des nouveaux gnes se fait beaucoup plus rapidement que par slection naturelle. Cette approche ainsi que dautres mthodes en ingnierie molculaire sont dcrites en dtail et appliques au cas des biphnyles polychlors (BPC) ainsi que dautres composs organiques persistants. Cette approche mcanistique est fascinante, car elle montre les voies dapplication de la gnomique et de la protomique aux problmatiques environnementales. Les auteurs discutent aussi trs franchement des risques rels que pourraient reprsenter les organismes gntiquement modifis. Le quatrime chapitre est aussi un texte nettement orient sur les mcanismes chimiques et biochimiques au niveau cellulaire qui sinscrit dans une suite logique avec les chapitres prcdents. La question des perturbateurs endocriniens a t et reste au cur de lactualit environnementale puisque de nombreux xnobiotiques sont capables daffecter le systme endocrinien et par consquent dagir plusieurs niveaux dorganisation tant anatomique que fonctionnelle, aussi bien chez le poisson que chez les invertbrs. Le texte de la professeure Hontela et de son collaborateur nous prsente une synthse des travaux les plus rcents sur la dfaillance cortisolique induite entre autres par les mtaux, ainsi que sur les stress oxydatifs provoqus par la prsence de nombreux contaminants

Introduction

5

organiques. Ces travaux ont men les chercheurs proposer lutilisation de biomarqueurs hormonaux sur le terrain afin de dtecter la prsence et laction des perturbateurs anthropiques. Les auteurs montrent les difficults que prsente linterprtation des rsultats fournis par ces biomarqueurs dans un contexte environnemental o des dizaines de substances peuvent agir simultanment et o les organismes peuvent et doivent sadapter leur environnement. Le chapitre 5, propos par le professeur Spear et ses collaborateurs, nous plonge dans la chimie et la biochimie des rtnodes, petites molcules essentielles plusieurs fonctions biologiques dont la diffrenciation cellulaire et la vision. Or, le mtabolisme des rtnodes est sensible la prsence des contaminants environnementaux et une carence en rtnodes est considre comme dommageable pour la sant des organismes aquatiques. Ce texte prsente une revue trs exhaustive sur le stockage des rtnodes chez diverses espces animales et montre comment ce stockage peut tre utilis comme un biomarqueur dexposition sensible la prsence de contaminants lipophiles persistants ou non chez les oiseaux et les poissons. La deuxime partie du chapitre nous entrane vers lcotoxicologie applique en dcrivant comment les rtnodes ont t utiliss dans lapplication de grands programmes de surveillance environnementale sur les Grands Lacs et le fleuve Saint-Laurent au cours des annes 1980 et 1990. Tout en restant fermement ancr au monde des indicateurs chimiques et biochimiques, le chapitre 6, prpar par le professeur Pelletier et ses collaborateurs, nous prsente un exemple dinteractions multiples en cotoxicologie, un secteur de connaissances encore peu explor mais combien important quand vient le temps dinterprter des rsultats de biomarqueurs dexposition pouvant rpondre simultanment des stresseurs ayant des actions synergiques ou antagonistes. Ce chapitre prsente les rsultats rcents de deux expriences in vivo o des salmonids ont t exposs simultanment au benzo(a)pyrne (BaP) et au tributyltain (TBT) dont les actions individuelles sur le cytochrome P450 sont dj bien documentes. Le texte montre comment une batterie de biomarqueurs, allant de lactivit de lEROD jusquaux microlsions hpatiques en passant par les adduits lADN, peut tre utilise pour quantifier les effets antagonistes ou synergiques du BaP et du TBT et surtout pour comprendre les mcanismes biochimiques qui sous-tendent ces effets. Les auteurs proposent une nouvelle approche pour ltude des interactions chimiques qui passe par la prdiction dinteractions en se basant sur les voies mtaboliques des polluants et sur leur capacit de moduler lactivit du P450, le systme enzymatique cl impliqu la fois dans la bioactivation et la dtoxication des polluants organiques.

6


Le texte suivant, rdig par le professeur Daniel Cyr et son quipe de lINRS-Institut Armand-Frappier, nous amne examiner les effets des contaminants environnementaux sur les interactions cellule-cellule, afin de mieux comprendre les mcanismes de toxicit au niveau cellulaire. Cest le monde des protines membranaires, comme les slectines et les intgrines, qui rgissent les interactions entre les cellules du systme immunitaire et des cellules endothliales. Quoiquil existe encore peu de travaux dans ce domaine particulier, on comprend que toute modulation de la synthse de ces protines peut entraner dimportantes consquences au niveau du systme immunitaire. Ce chapitre prsente les dveloppements les plus rcents en toxicologie cellulaire et cherche comprendre comment certains xnobiotiques qui agissent sur les jonctions lacunaires peuvent induire la prolifration cellulaire et le dveloppement de tumeurs. Dans un deuxime temps, les auteurs dcrivent le rle jou par les cadhrines dans les jonctions adhrentes entre cellules et montrent comment un mtal comme le cadmium peut agir sur les cadhrines et ventuellement drgler les interactions cellule-cellule. Ce chapitre marque une transition entre les chapitres prcdents, plutt axs sur les mcanismes biochimiques intra-cellulaires, et les deux chapitres suivants, qui utilisent la signalisation cellulaire et la rponse du systme immunitaire pour quantifier des effets toxiques observs sur le terrain. Le chapitre 8, produit par la professeure Pellerin et son quipe dtudiants, illustre fort bien lutilisation des biomarqueurs pour des fins dvaluation de la sant environnementale de populations de bivalves marins. La gamme des biomarqueurs utiliss stale de la mesure du stress oxydant jusqu la dtermination histologique des stades de maturation sexuelle en passant par la stabilit de la membrane lysosomale et les mesures du potentiel de croissance et des rserves nergtiques permettant aux organismes de survivre aux multiples stresseurs tant anthropiques que naturels. Ces travaux montrent que lintgration des signaux molculaires et cellulaires permet de formuler un diagnostic environnemental pour plusieurs sites marins. Les rsultats obtenus sur le terrain montrent limportance dune meilleure comprhension de la strodognse et de la vitellognse chez les bivalves, notamment la mye Mya arenarias, qui montre un excellent potentiel comme organisme sentinelle de lestuaire du Saint-Laurent. Enfin, on ne pouvait prsenter un ouvrage sur lcotoxicologie molculaire sans y consacrer un chapitre aux effets immunotoxiques des contaminants et aux mthodes de dtection des diffrentes rponses immunitaires. Sachant que le systme immunitaire est une cible particulirement importante pour nombre de contaminants environnementaux, il apparat clairement que tous les niveaux de lorganisation biologique peuvent

Introduction

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montrer une sensibilit leve la prsence de substances chimiques capables de moduler lactivit immune et fragiliser le systme de dfense contre les pathognes. Les auteurs du chapitre 9 ont particulirement port attention aux biomarqueurs immunologiques chez les invertbrs (activit des lysosomes, phagocytose, drivs oxygns) et limmunotoxicologie chez les amphibiens, dont le systme immunitaire marque une transition entre les invertbrs aquatiques et les vertbrs terrestres. La succession de ces neuf chapitres montre toute la vigueur et la diversit de la recherche en cotoxicologie dans les universits au Qubec. On voit une convergence remarquable de tous ces laboratoires et quipes de recherches approcher lcotoxicologie dun point de vue molculaire et cellulaire et de chercher comprendre les mcanismes qui rgissent les interactions entre la matire inerte et le monde vivant, entre les molcules chimiques et la cellule capable de ragir et se dfendre face son agresseur. Sil fallait fournir une dfinition de lcotoxicologie molculaire en regard du contenu de cet ouvrage, on pourrait probablement avancer que cette branche de lcotoxicologie traite tout particulirement des mcanismes fondamentaux de la dfense cellulaire face aux stress du milieu et de lapplication de la biochimie et de la biologie molculaire aux problmatiques environnementales complexes auxquelles notre socit est quotidiennement confronte. Ce livre sadresse aux tudiants des deuxime et troisime cycles et aux chercheurs du domaine de la toxicologie environnementale et de lcotoxicologie au sens large. Il se veut une premire tentative dintgration de travaux trs diversifis en cotoxicologie et montre le dfi qui soffre aux futurs chercheurs du domaine qui consiste au fond trouver des causes molculaires et cellulaires des effets qui sobservent lchelle des populations et des communauts naturelles.

8 RFRENCES


BOUDOU, A. et F. RIBEYRE (1989). Aquatic Ecotoxicology : Fundamental Concepts and Methodologies, Boca Raton, FL, CRC Press. BUTLER, G.C. (1978). Principles of ecotoxicology , SCOPE, vol. 12, New York, Wiley and Sons. DALLINGER, R. et P.S. RANBOW (1993). Ecotoxicology of Metals in Invertebrates, Boca Raton, FL, Lewis Publishers. GEARING, J.N. et P.J. GEARING (1983). The effects of suspended load and solubility on sedimentation of petroleum hydrocarbons in controlled estuarine ecosystems , Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, vol. 40, p. 54-62. GRICE, G.D. et M.R. REEVE (1980). Marine Mesocosms : Biological and Chemical Research in Experimental Ecosystems, New York, Springer-Verlag. HUGGETT, R.J. et al. (1992). Biomarkers : Biochemical, Physiological, and Histological Markers of Anthropogenic Stress, Boca Raton, FL, Lewis Publishers. LANDIS, W.G. et M.H. YU (1995). Introduction to Environmental Toxicology : Impacts of Chemicals upon Ecological Systems, Boca Raton, FL, Lewis Publishers. LEVIN, S.A. et al. (1989). Ecotoxicology : Problems and Approaches, New York, Springer-Verlag. MACKAY, D. (1991). Multimedia Environmental Models : The Approach of Fugacity, Chelsea, MI, Lewis Publishers. MALINS, D.C. et G.K. OSTRANDER (1993). Aquatic Toxicology : Molecular, Biochemical and Cellular Perspectives, Boca Raton, FL, Lewis Publishers. MORIARTY, F. (1983). Ecotoxicology : The Study of Pollutants in Ecosystems, Londres, Academic Press. NRNBERG, H.W. (1984). Pollutants and Their Ecotoxicological Significance, Chichester, John Wiley and Sons. RAMADE, F. (1979). cotoxicologie, 2e dition, Paris, Masson. RAND, G.M. (1995). Fundamentals of Aquatic Toxicology : Effects, Environmental Fate, and Risk Assessment, 2e dition, Washington, Taylor and Francis. RAND, G.M. et S.R. PETROCELLI (1985). Fundamentals of Aquatic Toxicology : Methods and Applications, New York, Hemisphere Publishing Corporation. TRUHAUT, R. (1977). Ecotoxicology : Objectives, principles and perspectives , Ecotoxicology and Environmental Safety, no 1, p. 151-173. WRIGHT, D.A. et P. WELBORN (2002). Environmental Toxicology, Cambridge, UK, Cambridge University Press.

CHAPITRE

1

PRISE EN CHARGE ET DTOXICATION DES MTAUXchez les organismes aquatiques

PETER G.C. CAMPBELLUniversit du Qubec, INRS Eau, Terre et Environnement

YVES COUILLARDEnvironnement Canada, Division de lvaluation des produits chimiques

10 RSUM


Les espces mtalliques les plus communes dans les eaux naturelles sont de nature hydrophile, alors que les barrires biologiques que doivent franchir les mtaux sont plutt de caractre lipophile. quelques exceptions prs, les mtaux cationiques et leurs complexes ne peuvent traverser des membranes biologiques par simple diffusion ; au contraire, la prise en charge (uptake) des mtaux fait gnralement appel au transport facilit, impliquant des transporteurs protiques intgrs dans la membrane. Trois mcanismes de prise en charge ont t identifis : i) transport facilit du cation, impliquant soit un transporteur transmembranaire protique, soit un canal trans-membranaire ; ii) transport facilit dun complexe mtallique anionique, impliquant un transporteur danions relativement peu slectif (transport accidentel de lanion + le mtal qui y est associ) ; iii) transport passif, par simple diffusion, dun complexe mtallique neutre et lipophile (p. ex., HgCl20). Normalement cest la voie (i) qui prdomine ; dans de tels cas le modle du ligand biotique (BLM) sapplique et la rponse de lorganisme varie en fonction de la concentration de lion mtallique libre en solution, [Mz+], et de la concentration dautres ions pouvant concourir avec Mz+ pour le ligand biotique (Ca2+, Mg2+ et H+). Laction toxicologique dun mtal, une fois accumul, dcoule de son interaction anormale avec une biomolcule essentielle. Cette liaison dun mtal inappropri des molcules physiologiquement importantes peut induire des effets dltres de diffrentes manires : en bloquant des groupements fonctionnels essentiels de la biomolcule (souvent des groupements thiol) ; en dplaant des mtaux essentiels de leurs sites chez la biomolcule ; en modifiant la conformation (et donc lactivit) de la biomolcule. Dans ce cadre conceptuel, on peut envisager trois mcanismes de dtoxication : lorganisme peut agir i) sur le flux dentre (contrle du transport trans-membranaire), ii) sur les ligands intracellulaires disponibles (nature, concentration et compartimentalisation cellulaire), et iii) sur les flux de sortie (vers des vacuoles ou vers lextrieur de la cellule). Si lorganisme emploie le mcanisme (i) et/ou le mcanisme (iii), les teneurs intracellulaires du mtal seront contrles lintrieur dune gamme troite (cas des organismes rgulateurs ) ; si la cellule ragit plutt en synthtisant des ligands daffinit approprie (mcanisme (ii)), qui permettent de squestrer le mtal dans le milieu intracellulaire et de le rendre non-disponible (p. ex., la mtallothionine, ou MT ), les teneurs intracellulaires en mtal seront gnralement leves et varieront en fonction de lexposition (cas des organismes accumulateurs ). Selon ce modle intgr de toxicit/dtoxication, la dtermination de la spciation intracellulaire des mtaux pourrait en principe savrer utile pour diagnostiquer ltat physiologique dun organisme (concept dun biomarqueur deffets). Il sagirait de pouvoir diffrencier les mtaux lis des biomolcules sensibles de ceux qui ont t squestrs lintrieur de la cellule sous forme inerte. On approfondit cette ide dans la dernire section de ce chapitre, en mettant un accent particulier sur la mtallothionine, un peptide reconnu comme ligand cl pour les mtaux dans le milieu subcellulaire. On passe en revue les proprits biochimiques, la biosynthse et la dgradation de ce peptide cl, et on considre ensuite les diverses fonctions cellulaires qui lui ont t attribues, en insistant sur son rle dans la rgulation des mtaux essentiels, sa protection contre le stress oxydant et son implication possible dans la dtoxication des mtaux traces.

Prise en charge et dtoxication des mtaux

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1.

INTRODUCTION

1.1. CONTAMINATION ENVIRONNEMENTALEEn abordant le sujet de la contamination environnementale, il convient de considrer sparment les contaminants inorganiques (surtout mtaux) et les (micro)polluants organiques. Ces derniers furent lorigine de la prise de conscience environnementale des annes 1960 (p. ex., Carson, 1962) et ils sont abondamment tudis depuis ce premier rveil (voir Sylvestre, chapitre 3). En contraste, la contamination des cosystmes aquatiques par les mtaux a t quelque peu nglige pendant cette priode, avec lexception vidente du mercure (dont le comportement environnemental sapparente celui des contaminants organiques, au moins dans le cas de sa forme la plus nocive, le mthyl-mercure). On pourrait mme dire que les micro-polluants organiques ont domin le calendrier environnemental pendant cette priode. Lapproche rglementaire adopte par les agences environnementales, avec son accent sur la persistance, la bioaccumulation et la toxicit (P-B-T) dun produit comme critres dvaluation du risque, reflte cette dominance. Lide daborder sparment les contaminants organiques et inorganiques nest pas le rsultat dune simple formule ditoriale. Au contraire, il y a de bonnes raisons scientifiques pour considrer sparment les mtaux et les micro-polluants organiques (tableau 1.1). Il importe de noter ds le dpart que les mtaux sont naturellement prsents dans la crote terrestre et quils ne sont ni crs ni dtruits par les activits humaines (diffrence importante par rapport aux substances xnobiotiques et aux micro-polluants organiques synthtiques). Les mtaux ne sont donc pas sujets la biodgradation, mais ils peuvent subir des transformations rversibles dans lenvironnement naturel (p. ex., changements de spciation cf. section 2.1). Plusieurs mtaux et mtallodes sont essentiels la vie biologique (p. ex., le cuivre (Cu), le cobalt (Co), le fer (Fe), le manganse (Mn), le nickel (Ni) et le zinc (Zn)) et leur prsence dans le milieu ambiant est essentielle ; on ne peut en dire autant des contaminants organiques. La bioaccumulation des mtaux essentiels est donc un processus naturel, exig par tous les organismes vivants afin de satisfaire leurs besoins mtaboliques. Plusieurs organismes ont dvelopp des mcanismes efficaces pour contrler leurs concentrations internes de mtaux essentiels et pour maintenir celles-ci dans des gammes relativement restreintes (contrle homostatique). Comme nous le verrons dans ce chapitre, ces mcanismes de contrle homostatique peuvent galement jouer un rle dans la dtoxication de mtaux non essentiels (p. ex., le cadmium (Cd), le plomb (Pb) ou le mercure (Hg)).

12Tableau 1.1


Comparaison cotoxicologique entre les mtaux traces et les micro-polluants organiques Mtaux Naturellement prsents dans la crote terrestre ; nombre limit par le Tableau priodique des lments Pas sujets la (bio)dgradation, mais peuvent subir des transformations de forme (changements de spciation) ; ces changements sont rversibles Plusieurs mtaux et mtallodes sont essentiels la vie biologique (p. ex., Cu, Co, Fe, Mn, Ni, Zn) Bioaccumulation implique gnralement la prise en charge de formes hydrophiles (transport membranaire facilit) Chez plusieurs organismes il existe des mcanismes efficaces pour contrler les concentrations internes de certains mtaux essentiels (contrle homostatique) Micro-polluants organiques Naturellement absents de la crote terrestre (composs synthtiques, xnobiotiques ) ; nombre presque sans limite, et croissant Sujets la (bio)dgradation, des degrs divers (composs labiles composs rfractaires) ; ces changements sont gnralement irrversibles Jamais essentiels la vie biologique

Bioaccumulation implique gnralement la prise en charge de formes lipophiles (transport membranaire par simple diffusion) Aucun processus quivalent

1.2. IDENTIFICATION DE MTAUX PRIORITAIRESParmi les diffrences entre contaminants inorganiques et organiques, il y en a une qui simplifiera notre traitement contrairement la situation : des produits organiques synthtiques, dont le nombre ne cesse de crotre, dans le cas des contaminants mtalliques on se trouve limit par la ralit du Tableau priodique des lments (~80 mtaux et mtallodes). Comment doit-on identifier les mtaux prioritaires parmi ceux-ci, dans un contexte cotoxicologique ? Wood (1976) a propos une classification des mtaux et mtallodes en trois catgories : a) lments inoffensifs ; b) lments trs toxiques et relativement accessibles ; et c) lments toxiques mais insolubles ou trs rares (tableau 1.2). Campbell et al. (1985) se sont inspirs de cette premire classification en choisissant la catgorie b) et en y ajoutant une valuation du degr de perturbation du cycle gochimique naturel du mtal par les activits humaines.


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Tableau 1.2Classification des lments mtalliques dans un contexte environnemental (adapt de Wood, 1976 ; voir aussi Campbell et al., 1985) A. lments inoffensifs Ca Fe K Li Mg Mn1 Na Rb Si Sr calcium fer potassium lithium magnsium manganse sodium rubidium silicium strontium B. lments trs toxiques C. lments toxiques et relativement mais insolubles accessibles ou trs rares Ag argent Al2,4 aluminium As3,4 arsenic Au or Be bryllium Bi Cd4 Co Cr4 Cu4 Hg4 Ni4 Pb4 Pd Pt Sb Se3 Sn4 Te Tl Zn4 bismuth cadmium cobalt chrome cuivre mercure nickel plomb palladium platine antimoine slnium tain tellure thallium zinc Ba Ga Hf In La Nb Os Re Rh Ru Ta Ti W baryum gallium hafnium indium lanthane niobium osmium rhnium rhodium ruthnium tantale titane tungstne

Notes : 1. Wood (1976) na pas classifi le manganse, puisque selon lui cet lment couvrait plus dune catgorie , et il semble avoir oubli le chrome. 2. Wood (1976) a caractris laluminium d inoffensif , mais actuellement, la lumire notamment des recherches ralises sur les prcipitations acides, il faudrait le placer dans la catgorie B. 3. Larsenic et le slnium sont des mtallodes. 4. lment identifi par Environnement Canada comme substance dintrt prioritaire. Cr = Cr(VI) ; Sn = composs organomtalliques ; Al = sels utiliss dans le traitement des eaux ; Cu = rejets des fonderies de Cu ; Zn = rejets des fonderies de Zn. Pour de plus amples renseignements sur ltablissement de listes de substances prioritaires (LSP) dans le cadre de la Loi canadienne sur la protection de lenvironnement, voir Environnement Canada (1997).

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Dans un cycle gochimique naturel, non perturb, on peut identifier plusieurs sources naturelles de mtaux : laltration naturelle des roches prsentes la surface terrestre (weathering) ; les manations volcaniques ; les fentes sous-marines hydrothermales (deep-sea vents). celles-ci sajoutent des sources anthropiques possibles de mtaux : sources ponctuelles, comme les effluents miniers ou les effluents dusines impliques dans la transformation des mtaux, ainsi que des sources diffuses comme les fonderies impliques dans le raffinage de minerais sulfureux. ces sources videntes sen ajoute une dont limplication est plus subtile : les pluies acides et lacidification des sols peuvent mobiliser ( mettre en circulation ) des mtaux, constituant ainsi une source diffuse indirecte. Dans ce contexte, une premire question cl se pose : Quelles sont les contributions relatives des sources naturelles et des sources anthropiques aux quantits de mtaux couramment prsentes dans la partie superficielle de la terre ? Sachant quil existe pour chaque lment un bruit du fond ou background (qui nexiste videmment pas dans le cas des composs organiques xnobiotiques), il sagit de dterminer si ce bruit du fond a t perturb par les activits anthropiques. Pour y arriver, il convient de considrer le comportement des mtaux dans latmosphre ; les concentrations de mtaux dans ce compartiment environnemental tant normalement trs faibles, il est plus facile dy dtecter linfluence des activits humaines. On peut comparer pour chaque lment le taux dmission de sources naturelles celui de sources anthropiques = facteur de mobilisation ; comparer pour chaque lment sa concentration dans les arosols atmosphriques celle dans des matrices naturelles non perturbes = facteur denrichissement ; dterminer pour chaque lment les tendances temporelles de sa concentration dans la dposition atmosphrique. Lapplication de ces trois critres a permis didentifier neuf mtaux et deux mtallodes dont les cycles gochimiques avaient incontestablement t perturbs par les activits anthropiques, savoir : largent (Ag), le cadmium (Cd), le cuivre (Cu), le plomb (Pb), le manganse (Mn), le mercure (Hg), le nickel (Ni), le vanadium (V), le zinc (Zn) ; larsenic (As), le slnium (Se) (Campbell et al., 1985). Il faut raffiner ce premier rsultat de tri en y ajoutant des considrations de la toxicit inhrente du mtal (Kaiser, 1980 ; Newman et McCloskey, 1996 ; Tatara et al., 1997), permettant dtablir des seuils de concentration partir desquels le mtal pourrait exercer des effets toxiques. Ensuite il faut comparer ces seuils aux concentrations qui risquent de se


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prsenter dans le milieu rcepteur. Cette approche relve du domaine de lvaluation de risque cotoxicologique et nous encourageons le lecteur consulter la documentation pertinente (CCME, 1996 ; Chapman, 1996 ; Chapman et al., 1998 ; Chapman et Wang, 2000 ; Suter, 1993). Lapplication de ces critres mne lidentification du cadmium, du cuivre, du plomb et du zinc comme mtaux lintrt prioritaire (tableau 1.2), et ce sont ces mtaux et leurs complexes qui retiendront notre attention. ceuxci sajouteraient certainement le mercure (surtout le mthyl-mercure, produit de la mthylation in situ du mercure inorganique) et certains organomtaux synthtiques comme le tributyl-tain (TBT), employ comme agent pour empcher les salissures (fouling) sur la coque des bateaux (voir Padrs et Pelletier, chapitre 6). Cependant, puisque le comportement cotoxicologique de ces composs organomtalliques diffre considrablement de celui des mtaux cationiques (Cd, Cu, Pb, Zn), nous ne les considrerons pas dans le contexte du prsent chapitre.

1.3. PLAN DU CHAPITRECe chapitre comporte deux sections complmentaires, qui sont compltes par ltude de cas prsente dans le chapitre suivant. Dans la premire section, qui se veut une introduction gnrale la toxicologie des mtaux chez la faune et la flore aquatiques, on traite dabord des mcanismes de prise en charge (uptake) des mtaux chez ces organismes, pour ensuite considrer comment ces mtaux peuvent exercer leurs effets toxiques, une fois accumuls. Cette discussion mne naturellement un examen des mcanismes de dtoxication, o on introduit la notion de rpartition subcellulaire des mtaux, et on explore la possibilit que ce paramtre puisse tre utilis pour diagnostiquer ltat de sant dun organisme expos aux mtaux (concept dun biomarqueur deffets). Ayant introduit lide de rpartition subcellulaire des mtaux, nous mettons laccent sur un des acteurs principaux dans le milieu subcellulaire, la mtallothionine. Cette deuxime section du chapitre passe en revue les proprits biochimiques, la biosynthse et la dgradation de ce peptide cl. On considre ensuite les diverses fonctions cellulaires qui ont t attribues ce peptide cl, en insistant sur son rle dans la rgulation des mtaux essentiels, sa protection contre le stress oxydant et son implication possible dans la dtoxication des mtaux traces. Cette section se termine par un examen critique du potentiel de la mtallothionine comme biomarqueur pour les mtaux.

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Signalons que ce modle cotoxicologique est confront la ralit du terrain au chapitre 2, o on prsente une tude de cas portant sur un mollusque deau douce, Pyganodon grandis, un organisme filtreur qui vit naturellement dans des lacs du Bouclier canadien et qui offre beaucoup de potentiel comme organisme sentinelle .

2.

TOXICOLOGIE AQUATIQUE DES MTAUX NOTIONS

2.1. CHIMIE ENVIRONNEMENTALEAvant daborder la toxicologie aquatique des mtaux qui retiennent notre attention (Cd, Cu, Pb, Zn), il faut rappeler certains aspects de la spciation des mtaux. Par spciation dun mtal on entend sa rpartition parmi diffrentes formes physiques ou chimiques (Templeton et al., 2000). La spciation physique dun mtal fait appel sa distribution entre des formes particulaires (p. ex., >200 nm), collodales (10200 nm) ou dissoutes (< 10 nm), alors que la spciation chimique dun lment renvoie surtout son implication dans la formation de divers complexes de coordination. Dans ce dernier cas, pour un mtal cationique, on peut considrer les formes suivantes (figure 1.1 ; tableau 1.3) :

Tableau 1.3Spciation chimique des mtaux* Forme (A E dans la figure 1.1) A. Ion mtallique libre B. Hydroxo-complexes Exemples Al3+(H2O)6 Cu2+(H2O)6 AlOH2+, Al(OH)2+, Al(OH)4 FeOH2+, Fe(OH)2+, Fe(OH)4 Cu(OH)20 AlF2+, AlF2+ CdCl+, CdCl20, CdCl3 HgCl20, HgOHCl0 CuCO30 CdSO40 CuEDTA2 CdNTA Cdalanine Cdcitrate Fesidrophore Al, Fe, Cu, Pb ou Hg acide fulvique ou humique

C. Complexes simples inorganiques

D. Complexes simples organiques ii) synthtiques ii) naturels

E. Complexes polymres organiques

* Exemples de formes ou despces mtalliques qui sont potentiellement importantes sur le plan toxicologique.


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lion mtallique libre (p. ex., Cd2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+) des complexes inorganiques, impliquant les anions inorganiques couramment trouvs dans les eaux naturelles (p. ex., HO, F, Cl, 2 2 2 HCO3, CO3 , SO4 , S2O3 ) des complexes organiques, impliquant des ligands monomres simples (p. ex., acides amins, acides hydroxamiques, acides polycarboxyliques) des complexes organiques, impliquant des ligands polymres complexes (p. ex., acides fulviques et humiques ; protines).

Figure 1.1Schma gnral montrant la spciation chimique des mtaux en solution(H2O)n-1 M -OH hydroxo-complexes M -X complexes inorganiques X = Cl , F , SO42,

B

C

HCO3, CO32

M (H2O)Z+ aquo ion

A

DM -L complexes organiques (ligands monomres) L = acide amin acide polycarboxylique

E

M

substances humiques; acides fulviques et humiques (htropolymres)

La rpartition du mtal M entre les formes A, B, C et D peut se calculer laide de la modlisation des quilibres chimiques.

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Tel quindiqu la figure 1.1, lion mtallique libre joue un rle central dans la spciation des mtaux dissous. Il faut cependant noter que les cations mtalliques ne sont jamais parfaitement libres en solution aqueuse ils sont toujours associs des molcules deau dhydratation, Mz+(H2O)n, o n vaut normalement 4 ou 6. Cependant, par convention on crit souvent Mz+ sans indiquer la prsence de

ecotoxicologie-moleculair

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