CE34 - Contaminants, écosystèmes et santé

Approches Protéomique et Lipidomique pour la compréhension des mécanismes moléculaires de toxicité en lien avec l’altération du métabolisme lipidique chez l’espèce sentinelle Gammarus fossarum durant le cycle de reproduction – PLAN-TOX

Approches multi-omics pour la caractérisation de perturbations métaboliques chez G. fossarum après exposition à des résidus médicamenteux.

Les approches innovantes en spectrométrie de masse employées dans le cadre de ce projet en Lipidomique et en Protéomique vont permettre de mieux comprendre les mécanismes de toxicité de molécules hypolipémiantes au niveau du métabolisme énergétique chez G. fossarum.

Caractérisation moléculaire du métabolisme lipidique par spectrométrie de masse et imagerie multimodale

Les écosystèmes aquatiques sont constamment exposés à des facteurs de stress environnementaux comme les micropolluants chimiques provenant de l’environnement ou des activités anthropiques. Ces contaminants peuvent altérer l’homéostasie chimique interne des organismes aquatiques, visible à l’échelle moléculaire. A l’heure actuelle, les perturbations lipidiques induites par des résidus médicamenteux, que l’on peut retrouver dans les eaux de rivières, sur les espèces aquatiques comme G. fossarum ne sont pas connues. Un des verrous majeurs est l’absence d’information moléculaire au niveau du génome chez certaines espèces de pertinence environnementale. Les approches Multi-Omics (Protéomique, Lipidomique) permettent de caractériser les réponses moléculaires aux expositions toxiques des organismes aquatiques durant des étapes vulnérables du cycle de vie. Chez les crustacés, les lipides jouent des rôles essentiels dans les étapes vulnérables telles que la mue, la reproduction et le développement. <br />Le projet PLAN-TOX a pour objectif d'acquérir une compréhension mécanistique la plus exhaustive possible sur les effets toxiques des médicaments hypolipémiants chez l'organisme sentinelle G. fossarum par des approches Multi-Omics innovantes en spectrométrie de masse ciblée et en imagerie multimodale. Ce projet permettra de mieux comprendre la plasticité moléculaire du métabolisme énergétique et d'identifier les protéines et les lipides impliqués dans les changements et les réponses physiologiques liés à l'exposition.

Pour accéder à la caractérisation moléculaire des lipides et des protéines chez G. fossarum, des méthodes en spectrométrie de masse haute résolution (Shotgun Lipidomics) et approches innovantes et multiplexées en spectrométrie de masse ciblée ont été développées et appliquées, chez des organismes adultes (males, femelles), embryons et au niveau de différents organes (cephalon, muscle, hepatopancreas). L’utilisation de l’imagerie multimodale par spectrométrie de masse (MALDI avec mobilité ionique, ToF-SIMS) ont permis de localiser in situ la distribution spatiale de lipides dans des coupes de tissus de gammares adultes avant et après exposition à la pravastatine.
L’utilisation d’outils de statistiques multivariées va permettre d’analyser les données de lipidomique et de protéomique de manière intégrée pour mieux comprendre les perturbations métaboliques après exposition.

Le premier résultat marquant est la caractérisation exhaustive du lipidome par spectrométrie de masse haute résolution chez l’espèce sentinelle G. fossarum. Ces résultats ont permis de développer une preuve de concept en spectrométrie de masse ciblée pour le suivi d’un grand multiplex lipidique et protéique (approche Scout-MRM).
Ce projet a permis également de caractériser la distribution spatiale des métabolites et des lipides in situ au niveau des organes chez G. fossarum par imagerie multimodale (imagerie MALDI avec mobilité ionique et ToF-SIMS). Ces approches ont permis d’observer rapidement les perturbations lipidiques au niveau des organes reproducteurs femelles après exposition aux molécules hypolipémiantes durant les cycles de reproduction.
Les approches analytiques employées (imagerie multi-modale, shotgun lipidomics, Scout-MRM) ont été utilisées pour la première fois en écotoxicologie.

Les approches analytiques employées (imagerie multi-modale, shotgun lipidomics, Scout-MRM) dans ce projet permettront d’acquérir des informations moléculaires sur d’autres espèces sentinelles en environnement et dans différents contextes d’exposition à des contaminants (médicaments, pollution au cadmium…).

Un article scientifique d’imagerie MALDI avec mobilité ionique chez G. fossarum a été publié dans Journal of Mass Spectrometry (DOI : 10.1002/jms.4531). Un article preuve de concept sur la création d’un grand multiplexe de protéines par Scout-MRM est en cours de révision dans Journal of Proteomics. Ces articles permettent d’enrichir la connaissance d’un point de vue du métabolisme lipidique et au niveau des approches moléculaires employées chez cette espèce sentinelle. Les résultats obtenus ont été présentés également lors de manifestations scientifiques (ASMS, SETAC, GDR Ecotoxicologie aquatique, Bruker Webinar).

Les écosystèmes aquatiques sont constamment exposés à des facteurs de stress environnementaux comme les micropolluants chimiques provenant de l’environnement ou des activités anthropiques. Ces polluants peuvent altérer l’homéostasie chimique interne des organismes aquatiques, visible à l’échelle des omics. Un des verrous majeurs dans la connaissance des mécanismes des effets toxiques dans l’environnement chimique des organismes aquatiques est l’absence d’information moléculaire au niveau du génome chez des espèces de pertinence environnementale. Les technologies Omics - Transcriptomique, Protéomique, Lipidomique, Métabolomique offrent de grandes promesses pour mettre l’élucidation des réponses moléculaires aux expositions toxiques des organismes aquatiques durant des étapes vulnérables du cycle de vie. Le métabolisme lipidique est la voie métabolique fondamentale permettant la production d’énergie. Chez les crustacés, les lipides jouent un rôle essentiel dans les étapes vulnérables telles que la mue, la reproduction, le développement. Récemment, il a été montré que des composés chimiques interférant avec le métabolisme lipidique reconnus comme obésogènes telle que le tributylétain, perturbe la distribution et la synthèse des lipides dans un organisme modèle Daphnia magna. De plus, les composés pharmaceutiques utilisés dans l’hypercholestérolémie pour diminuer les concentrations en cholestérol et triglycérides comme les statines ou fibrates, ont été détectées dans les stations d’épuration. Une étude a montré que l’exposition à la simvastatine chez l’amphipode G. locusta perturbait la reproduction et la croissance de la population à des concentrations du ng/L. Pour comprendre et prédire les effets des composés toxiques, il est primordial d’identifier les réseaux métaboliques affectés. Les statines sont parmi les composés pharmaceutiques les plus utilisés et constituent des préoccupations environnementales majeures. Ce médicament inhibe de manière sélective l’enzyme HMG-CoA réductase impliquée dans la synthèse du mévalonate, précurseur des stérols. Cette enzyme est bien conservée chez les eucaryotes avec une homologie de séquence d’environ 60% entre les mammifères, les plantes et les mycètes. Notre hypothèse est que le métabolisme lipidique pourrait être la cible de la toxicité induite par des hypocholestérolémiants dans les espèces aquatiques. Cependant, nous faisons face à un manque cruel de connaissance sur les relations entre l’abondance des espèces de lipides, l’activation/inhibition de signalisation et/ou des voies de biosynthèse et des phénotypes observés. Le projet PLAN-TOX a pour objectif d'acquérir une compréhension mécaniste des effets toxiques des médicaments hypocholesterolémiants (statine, fibrate) chez l'organisme sentinelle G. fossarum. Nous proposons de développer et d'appliquer une approche multi-omique innovante en écotoxicologie, incluant (i) la cartographie fonctionnelle du protéome et du lipidome chez G. fossarum avant et après exposition, (ii) le développement de méthodes d'analyse de données multi-omiques intégrées. G. fossarum, espèce sentinelle est largement développée en écotoxicologie ou en surveillance environnementale et représente une espèce écologiquement pertinente pour laquelle nous pouvons évaluer la toxicité à différents stades de développement et cycles de reproduction chez les mâles et les femelles. Ce projet permettra de mieux comprendre la plasticité moléculaire du métabolisme énergétique et d'identifier les protéines et les lipides impliqués dans les changements/ réponses physiologiques liés à l'exposition.

Coordination du projet

Sophie Ayciriex (Institut des Sciences Analytiques)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ISA Institut des Sciences Analytiques

Aide de l'ANR 190 437 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 36 Mois

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