Bioindicateurs - Biomarqueurs
L'cotoxicologie
L'cotoxicologie, rassemblant, comme son nom lindique, toxicologie et cologie, a t dfinie en 1977 par Truhaut comme "la branche de la toxicologie qui tudie les effets toxiques provoqus par les substances naturelles ou les polluants d'origine synthtique sur les constituants des cosystmes animaux, y compris l'homme, vgtaux et micro-organismes, dans un contexte intgr".
Les donnes d'ordre cotoxicologiques sont indispensables pour l'valuation des risques et la gestion de l'environnement.
1. Concept et utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu1.1. Dfinitions1.2. Concept dune stratgie de bio-surveillance idale1.3. Le Contexte lgal : application de la DCE
2. Accumulation de contaminants dans les organismes2.1. Mthodes de dtection : avantages et inconvnients des mesures dans leau (air), les sdiments (sols) et les organismes2.2. Les bioaccumulateurs idaux
3. Mesures deffets biologiques3.1. Les biomarqueurs
3.1.1. Df. : marqueurs deffet, dexposition, spcifiques, non spcif.3.1.2. Le systme de biotransformation3.1.3. Gnotoxicit3.1.4. Protines de stress3.1.5. Mtallothionines3.1.6. Marqueurs de neurotoxicit3.1.7. Les marqueurs physiol. : ex. de limposex chez les gastrop.3.1.8. Les marqueurs morphologiques
3.2. Les tests de toxicit3.3. Effets biologiques au niveau des populations
3.3.1. Les indicateurs cologiques
Effets biologiques des perturbations: fondements dcotoxicologie et notions de bioindicateurs
1. Concept et utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu1.1. Dfinitions1.2. Concept dune stratgie de bio-surveillance idale1.3. Le Contexte lgal : application de la DCE
2. Accumulation de contaminants dans les organismes2.1. Mthodes de dtection : avantages et inconvnients des mesures dans leau (air), les sdiments (sols) et les organismes2.2. Les bioaccumulateurs idaux
3. Mesures deffets biologiques3.1. Les biomarqueurs
3.1.1. Df. : marqueurs deffet, dexposition, spcifiques, non spcif.3.1.2. Le systme de biotransformation3.1.3. Gnotoxicit3.1.4. Protines de stress3.1.5. Mtallothionines3.1.6. Marqueurs de neurotoxicit3.1.7. Les marqueurs physiol. : ex. de limposex chez les gastrop.3.1.8. Les marqueurs morphologiques
3.2. Les tests de toxicit3.3. Effets biologiques au niveau des populations
3.3.1. Les indicateurs cologiques
Effets biologiques des perturbations: fondements dcotoxicologie et notions de bioindicateurs
BIOEVALUATION
BIOACCUMULATION
BIOINDICATEUR BIOMARQUEUR
EVALUATION GLOBALE DE LA QUALITE DU MILIEU MARIN
EVALUATION PHYSICO-CHIMIQUEParamtres physico-chimiques dans leau et les sdiments
(temprature, salinit, O2 etc.)
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Dfinitions
BIOEVALUATION
BIOACCUMULATION
BIOINDICATEUR BIOMARQUEUR
EVALUATION GLOBALE DE LA QUALITE DU MILIEU MARIN
EVALUATION PHYSICO-CHIMIQUEParamtres physico-chimiques dans leau et les sdiments
(temprature, salinit O2 etc.)
Ensemble des procdures fondements biologiques qui peuvent servir ltablissement de diagnostics cologiques (Goldberg, 1976)
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Dfinitions
BIOEVALUATION
BIOACCUMULATION
BIOINDICATEUR BIOMARQUEUR
EVALUATION GLOBALE DE LA QUALITE DU MILIEU MARIN
EVALUATION PHYSICO-CHIMIQUEParamtres physico-chimiques dans leau et les sdiments
(temprature, salinit O2, etc.
Organisme ou ensemble dorganismes qui, par rfrence des variables biochimiques, cytologiques, physiologiques, thologiques ou cologiques, permet, de faon pratique et sre, de caractriser ltat dun cosystme ou dun cocomplexe et de mettre en vidence aussi prcocement que possible leurs modifications, naturelles ou provoques
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Dfinitions
BIOEVALUATION
BIOACCUMULATION
BIOINDICATEUR BIOMARQUEUR
EVALUATION GLOBALE DE LA QUALITE DU MILIEU MARIN
EVALUATION PHYSICO-CHIMIQUEParamtres physico-chimiques dans leau et les sdiments
(temprature, salinit, O2 etc.)
Changement observable et / ou mesurable au niveau molculaire, biochimique, cellulaire, physiologique ou comportemental, qui rvle lexposition prsente ou passe dun individu au moins un facteur de stress
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Dfinitions
BIOEVALUATION
BIOACCUMULATION
BIOINDICATEUR BIOMARQUEUR
EVALUATION GLOBALE DE LA QUALITE DU MILIEU MARIN
EVALUATION PHYSICO-CHIMIQUEParamtres physico-chimiques dans leau et les sdiments
(temprature, salinit, O2 etc.)
Accumulation par les organismes vivants de contaminants directement depuis le milieu ambiant (bioconcentration) ou depuis leur nourriture (biomagnification) jusqu des niveaux suprieurs ceux de la contamination du milieu physique
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Dfinitions
BIOEVALUATION
BIOACCUMULATION
BIOINDICATEUR BIOMARQUEUR
EVALUATION GLOBALE DE LA QUALITE DU MILIEU MARIN
EVALUATION PHYSICO-CHIMIQUEParamtres physico-chimiques dans leau et les sdiments
(temprature, salinit, O2 etc.)
Indication des contaminants biodisponibles, donc
potentiellement toxiques pour les organismes
Indication des effets moyen et long terme sur les populations et communauts
Indication dune exposition ou deffets
prcoces sur les organismes
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Dfinitions
Dtecter les perturbations de lenvironnement marin
Mesurer les effets de cette perturbation
Apprcier les modifications des conditions environnementales rsultant de la prise de dispositions remdiatrices
Le rle des bioindicateurs :
Une seule espce (approche) ne peut pas permettre datteindre ces objectifs
Il faut abandonner ce concept au profit dune collection dorganismes (d outils) situs diffrents niveaux trophiques et couvrant tous les types dhabitats
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Dfinitions
Stress : ensemble de perturbations biologiques provoques par une agression quelconque sur un organisme.
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Dfinitions
Facteurs de stress dun organismes
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Concept dune stratgie idale 1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Concept dune stratgie idale
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Concept dune stratgie idale
mettre des signaux prcoces de problmes environnementaux ; identifier les relations de cause effet entre les facteurs daltration et les effets biologiques ; valuer ltat de stress global de lenvironnement travers diffrentes rponses dorganismes indicateurs ; valuer lefficacit de mesures rparatrices sur la sant des systmes biologiques.
Les bioindicateurs doivent tre utiliss pour :
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Concept dune stratgie idale
Face un stress, ltat physiologique dun organisme peut tre caractris par trois niveaux majeurs de stress. Ces niveaux sont dtermins en fonction des dommages causs par les facteurs de stress
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Concept dune stratgie idale
DES BIOINDICATEURS REPRESENTATIFS DE CHAQUE NIVEAU DE STRESS
NIVEAU 1 NIVEAU 2 NIVEAU 3
TRES SENSIBLE MOYENNEMENTSENSIBLE
PEU SENSIBLE
Enzymes de dtoxication Histopathologies Paramtres de la population
Dommages lADN Immunologie Paramtres de la communaut
Mtabolites dans la bile Energie Altration du sex-ratio
Enzymes anti-oxydantes Indices de condition Altration du rgime alimentaire
Paramtres sanguins Croissance Relations entre les niveauxtrophiques
Protines de stress Reproduction
Une sensibilit dpendante du niveau dorganisation biologique o leffet est mesur
Contaminants Sources Biomarqueurs potentielsHydrocarbures et ptroles Puits de ptrole, industrie
du ptrole, trafic maritime,accidents
CYP1A, Mtabolites des HAP
Mtaux lourds Extraction de minerais,mtallurgie, agriculture
MT, HSP, Marqueurs de stressoxydants
Pesticides Agriculture, industries, zones de loisirs
CYP1A, AChE, HSP, GST,Vitellogenine
Organochlors Activit industrielle,transformateurs, combustion,dchets toxiques, etc.
CYP1A, HSP, GST, Vitellogenine, Stress oxydant
Hydrocarburespolyaromatiques
Mtallurgie, combustion CYP1A, HSP, GST, Mtabolitesdes HAP, dommages lADN
TBT Peintures antifouling, ports,etc.
Imposex
Alkyl phnols Dtergents industriels,plastiques, etc.
Vitellogenine
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Concept dune stratgie idale
Une bonne spcificit pour certains bioindicateurs(+++ les biomarqueurs)
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Concept dune stratgie idale
Le cadre lgal : DIRECTIVE 2000/60/CEtablissant un cadre pour une politique communautaire dans le domaine de l'eau
dfinir des principes communs pour . amliorer la qualit des eaux protger les cosystmes aquatiques assurer l limination de substances dangereuses prioritaires obtenir dans l'environnement marin des concentrations qui soient proches des niveaux de fond pour les substances prsentes naturellementetc. etc. etc...
Objectif 2015 !.Bon tat cologiqueNon dtrioration des milieuxUn effort sur les substances dites prioritaires Mise en place de zones protges
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Concept dune stratgie idale
Le cadre lgal : DIRECTIVE 2000/60/CENotion de Bon tat
tat cologique5 niveaux
tat physico-chimique2 niveaux
TrTrs bons bonBonBonMoyenMoyenMMdiocrediocreMauvaisMauvais
BonBonMauvaisMauvais
Dcoupage, typologie des masses d eau
Dfinition dindicateurs
Sites de rfrencesDfinir le TRES BON
Sites perturbs
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu - Concept dune stratgie idale
Le cadre lgal : DIRECTIVE 2000/60/CELes paramtres slectionns
1) Paramtres physico-chimiques(transparence, temprature, bilan oxygne, salinit, nutriments, polluants fixs par dautres textes)
2) Paramtres hydromorphologiques(profondeur, zone inter-tidale, structure sdiment, dbit, exposition aux vagues, etc.)
3) Paramtres biologiques ou plutt . cologiquePhytoplancton : composition, biomasse
Macrophytes benthiques : Phanrogames et macroalgues, composition et abondanceMacrofaune benthique : composition et abondance
Ichtyofaune : composition et abondance, ge (eaux douces et transition uniquement)
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu1.1. Dfinitions1.2. Concept dune stratgie de bio-surveillance idale1.3. Le Contexte lgal : application de la DCE
2. Accumulation de contaminants dans les organismes2.1. Mthodes de dtection : avantages et inconvnients des mesures dans leau (air), les sdiments (sols) et les organismes2.2. Les bioaccumulateurs idaux
3. Mesures deffets biologiques3.1. Les biomarqueurs
3.1.1. Df/ : marqueurs deffet, dexposition, spcifiques, non spcif.3.1.2. Le systme de biotransformation3.1.3. Gnotoxicit3.1.4. Protines de stress3.1.5. Mtallothionines3.1.6. Marqueurs de neurotoxicit3.1.7. Les marqueurs physiol. : ex. de limposex chez les gastrop.3.1.8. Les marqueurs morphologiques
3.2. Les tests de toxicit3.3. Effets biologiques au niveau des populations
3.3.1. Les indicateurs cologiques
Effets biologiques des perturbations: fondements dcotoxicologie et notions de bioindicateurs
2. Accumulation de contaminants dans les organismes
Trois types de mesures pour trois informations complmentaires
Dans leau : image instantane de la quantit totale de polluants prsents dans le milieu (RNO)
Dans les sols, les sdiments : accumulation travers le temps, intgration des sources de variations (problme de granulomtrie)
Dans les organismes (biomoniteurs) : image de la fraction biodisponible, potentiellement toxique (en fonction de la biologie de lespce et du comportement trophique)
Limites de dtection des appareillages utiliss!...
2. Accumulation de contaminants dans les organismes
des espces opportunistes, tolrantes faces aux perturbations de l'environnement. sdentaires et abondants sur les sites tudier. faciles rcolter et identifier. Accumule et non pas rgule les contaminants ; reflte les variations de la qualit chimique du milieu
Les bioaccumulateurs idaux
Les vgtaux : algues et phanrogames marines sources dissoutes de contaminants Les invertbrs filtreurs : bivalves et spongiaires sources particulaires et dissoutes de contaminants Les dtritivores : vers polychtes et crustacs contaminants accumuls dans les sdiments
Ex. : Mussel watch
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu1.1. Dfinitions1.2. Concept dune stratgie de bio-surveillance idale1.3. Le Contexte lgal : application de la DCE
2. Accumulation de contaminants dans les organismes2.1. Mthodes de dtection : avantages et inconvnients des mesures dans leau (air), les sdiments (sols) et les organismes2.2. Les bioaccumulateurs idaux
3. Mesures deffets biologiques3.1. Les biomarqueurs
3.1.1. Df. : marqueurs deffet, dexposition, spcifiques, non spcif.3.1.2. Le systme de biotransformation3.1.3. Gnotoxicit3.1.4. Protines de stress3.1.5. Mtallothionines3.1.6. Marqueurs de neurotoxicit3.1.7. Les marqueurs physiol. : ex. de limposex chez les gastrop.3.1.8. Les marqueurs morphologiques
3.2. Les tests de toxicit3.3. Effets biologiques au niveau des populations
3.3.1. Les indicateurs cologiques
Effets biologiques des perturbations: fondements dcotoxicologie et notions de bioindicateurs
3. Mesures d effets biologiques
Bioindicateurs de quoi?
est-ce que les bioindicateurs peuvent attirer notre attention sur la qualit de lenvironnement ?
est-ce quun bioindicateur peut suggrer une cause responsable dune altration, et nous permettre den dduire des consquences et ventuellement des mesures de remdiation ?
est-ce quun organisme donn, prslectionn, peut servir caractriser brivement ou exprimer une gnralit ?
3. Mesures d effets biologiques
Les mesures deffets biologiques peuvent se faire diffrents niveaux, de linfra-individuel jusqu lcosystme
Les biomarqueurs sont dfinis comme des paramtres biologiques de rponses sub-ltales et deffets des polluants sur des organismes aquatiques. Cette dfinition inclut un certain nombre de paramtres molculaires, cellulaires et physiologiques, qui peuvent, en principe, tre mesurs par des mthodes peu onreuses (Lagadic et al., 1997).
Lunit biologique du monde vivant rend possible lutilisation des mmes types de biomarqueurs chez des organismes appartenant des groupes taxonomiques trs varis du rgne animal et vgtal.
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Dfinitions
Xnobiotique
Biotransformations(systmes
enzymatiques)
Mtabolites ractifs
Macromolcules cellulaires
Toxicit
limination
Organisme vivant
Mtabolites hydrosolubles
inactifs
Distribution tissulaire
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Dfinitions
On distingue gnralement plusieurs types de biomarqueurs :
+ les indices gnraux de stress, dits non spcifiques et les marqueurs plus spcifiques
valuer les consquences de la contamination des individus sur des niveaux dorganisation biologiques plus levs (populations, communauts), et finalement sur lcosystme.difficult
Le biomarqueur dexposition indique que le polluant prsent dans le milieu a pntr dans lorganisme. Gnralement, il est le rsultat dinteractions avec des molcules naturelles ou des liquides biologiques.
Le biomarqueur deffet indique, quaprs avoir pntr, le polluant sest rpandu dans les diffrents tissus, en exerant des effets toxiques ou non.
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Dfinitions
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Dfinitions
Lutilit des biomarqueurs comme outil dvaluation de la qualit de lenvironnement selon Wolfe, 1992
estimer la distribution de substances potentiellement toxiques la fois dans lenvironnement et dans les organismes vivants,
mettre en vidence des rponses des organismes lexposition des contaminants,
tablir des relations de cause effet entre la prsence des contaminants et les rponses biologiques,
valuer les consquences de la contamination des individus sur des niveaux dorganisation biologiques plus levs (populations, communauts), et finalement sur lcosystme
Xnobiotique
Mtabolites ractifs
Macromolcules cellulaires
Toxicit
Elimination
Organisme vivant
Mtabolites hydrosolubles
inactifs
Distribution tissulaire
Biotransformations
Phase I
Phase II
Phase I
Phase II
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Systmes de biotransformation
La mtabolisation de toute molcule xnobiotique caractre hydrophobe met en jeu des mcanismes permettant daugmenter son hydrosolubilit
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Systmes de biotransformation
Xnobiotiques
Xnobiotiques
Mtabolites
Conjugus
Mtabolites lectrophiles
Conjugus
Composs radicalaires
Espces ractives de loxygne
Xnobiotiques
Pntration
Excretion
Mtabolisme de Phase I
Mtabolisme de Phase II
Ractions radicalaires
Cycles redox + autres
Mtabolisme de Phase I
pro
tect
ion
s
Pigeurs de radicaux libres
Enzymes anti-oxydantes
Mtabolisme de phase II
EFFETS
TOXIQUES
Dtrioration des membranes
Proxydation lipidique
Enzymes inactives
Dtrioration de lADN
+ autres
Effets subcellulaires
CELLULE
Mtabolisme Activation Protection Toxicit
Des transformations non enzymatiques peuvent galement se produire par captage de formes actives de loxygne induites par le mtabolisme oxydant.= peroxydation
Malgr ces mcanismes de detoxication, certains mnent la formation
4 sources potentielles despces toxiques drives du contaminant
Le contaminant lui mme
des mtabolites issus de la phase I
des drivs radicalaires
des espces ractives de loxygne
Esp.toxiques lectrophiles susceptibles de se lier de manire covalente avec des sites nuclophiles (ADN, ARN, Prot.)
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Systmes de biotransformation
Phase I = phase de fonctionnalisation
une oxydation rendant la molcule plus polaire. Ce mcanisme est assur par les complexes multienzymatiques dpendants du cytochrome P450.
Phase II = phase de conjugaison Les enzymes intervenant sont principalement les UDP-glucuronosyl-transfrases, les glutathion-S-transfrases, les sulfotransfrases et catalysent respectivement la conjugaison du substrat avec l'acide glucuronique, le glutathion, le sulfateou une molcule d'eau. Les xnobiotiques, ainsi oxyds puis conjugus, sont hydrosolubles et donc excrtables.
Phase I = phase de fonctionnalisation
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Systmes de biotransformation
La distribution des monooxygnases P450 (ou MFO pour Multi-Function Monoxygenase) semble universelleDes systmes enzymatiques complexes intervenant :
dans l'limination des substances trangres l'organisme (xnobiotiques),
dans la mtabolisation de substrats physiologiques essentiels, le P450 tant aussi impliqu dans le mtabolisme endogne. Cela comprend des ractions d'hydroxylation du cholestrol, des strodes, des vitamines A et D, d'alcanes et d'acides gras.
Phase I = phase de fonctionnalisation Cytochrome P-450, sous-familles et substratsprincipaux
Inducteurs majeurs Activits types
IA
xnobiotiques plans(ex: HAP)
HAP3-mthylcholanthrne (3-MC) - naphtoflavonedibenzo-p-dioxines etdibenzofuranes chlorsPCB plan
ERODECODBPH
IIBxnobiotiques globulaires(ex: barbiturates)
phnobarbitalPCB non plan
PROD, EMND,APND
IIIA(ex: strodes)
prgnnolone-16a-carbonitrilephnobarbitaldexamthasone
EMNDT6HP6H
IVA(ex: acides gras)
clofibrateesters de phtalate
LAH
EROD (7-thoxyrsorufine O-dthylase); ECOD (7-thoxycoumarine O-dthylase); BPH (benzo(a)pyrne hydroxylase); PROD (pentoxyrsorufine O-dalkylase); EMND (thylmorphine N-dmthylase); APND (aminopyrine N-dmthylase); T6H (testostrone 6-hydroxylase); P6H (progestrone 6-hydroxylase); LAH (laurate hydroxylase)
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Systmes de biotransformation
Phase II = phase de conjugaison 3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Systmes de biotransformation
Le plus souvent indissociable de la phase I : la phase I prpare le xnobiotique pour la conjugaison, tape finale de la dtoxication
Les ractions de phase II ont comme rle physiologique :
la rgulation de l'activit biologique de composs endognes tels que les hormones strodes
le transport de ces hormones dans l'organisme afin de prolonger leur demi-vie et d'atteindre slectivement leurs cellules cibles
les plus importantes pour le mtabolisme des xnobiotiques
la glucuronidation, la sulfatation et la conjugaison au glutathion
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Gnotoxicit
ADN = structure molculaire dpositaire du patrimoine gntique
Lintgrit de sa structure complexe est essentielle la survie de la cellule
Modifiable par des agents dits gnotoxiques
Dtectable par : lanalyse directe de la structure de lADN la dtection des traductions fonctionnelles
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Gnotoxicit
Les xnobiotiques peuvent induire deux types daltrations susceptibles dtre utilises comme biomarqueurs:
1) la formation de produits daddition entre le xnobiotique et les nuclotides, appels adduits
2) des cassures au niveau dun seul brin, ou des deux brins, dADN conduisant parfois la formation de micronoyaux.
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Gnotoxicit
Formation d adduits
Liaisons covalentes entre un Liaisons covalentes entre un xxnobiotiques (nobiotiques (lectrophiles) et les lectrophiles) et les sites nuclsites nuclophiles de lophiles de lADNADN
Reprsentation schmatique de lactivation des HAP amenant la formation dadduits lADN Schma dactivation du benzo[a]pyrne en
carcinogne ultime (diolepoxyde) et formation de ladduit correspondant
N-2-benzo[a]pyrne-diol-dsoxyguanosine
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Gnotoxicit
Fragmentation de l ADN
Le test comte
Cassures de monoCassures de mono--brins brins ddADN (Single Strand ADN (Single Strand Break)Break)
Extraction, dnaturation et droulement de l ADN
Les brins casss sont les premiers
Sparation par chromatographie et quantification
Pas d extraction
Analyse sur les noyaux inclus dans de l agarose et prsents sur lame
Dnaturation et migration par lctrophorse
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Protines de stress
Les protines de stress - toutes les protines inductibles par un sens au sens large : protines de choc thermique, protines glucose rgules , ubiquitine, mtallothionines ou P-glycoprotines du systme MXR...
Une rponse similaire chez tous les organismes. Des molcules ubiquistes, marqueurs phylogntiques.La rponse universelle un stress = induction de protines jouant un rle cl dans les processus de protection, rparation et/ou limination des protines endommages Des protines susceptibles daccrotre la tolrance des organismes Leur accumulation peut permettre d identifier les organes cibles de substances chimiques nouvelles
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Protines de stress - HSP
Famille Fonctions Localisation
HSP 110 Chaperon Noyau
HSP 90 (83-90 kDa) Association au rcepteur desstrodes, antignes tumoraux
Cytoplasme,rticulum
HSP 70 (68-73 kDa) Chaperon molculaire :- assemblage des protines- translocation des protines- maintien de la solubilit desprotines nuclaires et
cytosoliques- ciblage des protines vers leslysosomes- apprtement de lantigne
Cytoplasme,rticulum,
mitochondrie,noyau
HSP 60 Chaperon molculaire Cytoplasme,mitochondrie,
chloroplaste,cytoplasme
HSP de faible poidsmolculaire (20-30kDa)
Protines de liaison du collagne,chaperons molculaires,
constitution du protasome
Cytoplasme
Nucloplasmide Formation du nuclosome NoyauFerritine Stockage du fer Cytoplasme
Ubiquitine (7-8 kDa) Constituant du protasome Cytoplasme
Protines de choc thermique :
Plusieurs familles de HSP de diffrents poids molculaires, surexprimes en rponse une grande varit de stress
Protines de stress :Maintien de l homostasie cellulaire sous l influence de stress environnementaux
Des gnes et des protines remarquablement conservs
Thierry Perez
Des protines normalement exprimes en labsence de stressElles peuvent reprsenter jusqu 5% des protines cellulaires totalesElles jouent un rle dans la rcupration (aprs dnaturation) ou dans la mise en place initiale (aprs synthse) de la conformation tridimensionnelle d autres protinesElles sont sur-exprimes pour faire face une grande varit de stress
Facteurs destress
HSP Rfrences
Spongiaires Temprature,PCB, TBT, Cd
70 Batel et al., 1993 ; Mller et al., 1995 ; Koziol, 1998 ;Mller et al., 1998 ; Schrder et al., 1999
Actiniaires Temprature 70 Sharp et al., 1994Madrporaires Temprature 20-30, 70, 90 Black et al., 1995Octocoralliaires Temprature,
PCB (CB118)90 Wiens et al., 2000
Mollusquesbivalves
Temprature,Cd, PCB
70 Sanders, 1988 ; Brown et al., 1995 ; Bradley et al., 1998 ;Smerdon et al., 1995 ; Chapple et al., 1998 ; Steinert &Pickwell, 1993 ; Lundebye et al., 1997
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Protines de stress - HSP
PROBLEME
Bien que prometteur, ce biomarqueur a t rarement employ en conditions naturelles
Une majorit dtudes effectues en conditions exprimentales de stress aigu
OBJECTIFS
tudier in situ les variations des niveaux dexpression de la HSP 70Confronter les rsultats aux variations de la qualit du milieu, et en particulier aux variations de la contamination chimique de S. officinalis
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Protines de stress - HSP 3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Protines de stress - HSP 70
Une mthode de dtection : le western-blot
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Protines de stress - HSP 70 3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Protines de stress - HSP 70
0
0.02
0.04
0.06
0.08
1012141618202224
oct
20022002 20032003 20042004nov dec jan mar avr maifev jun jul aou sep oct nov dec jan fev mar avr jun jul aoumai
Temperature (C)HSP 60 (HSP 60 (g/g/g de protg de protine)ine)
0.08
0.06
0.04
0.02
0fev mar avr mai jun jul aou sep oct nov dec jan fev mar avr mai jun
1012141618202224Temperature (C)
20002000 20012001
HSP 60 (HSP 60 (g/g/g g de protde protine)ine)
Expression des protExpression des protines de choc thermique ines de choc thermique en relation avec les fluctuations saisonnien relation avec les fluctuations saisonnires res de tempde tempraturerature
Hemimysis margalefiHemimysis margalefi 1 1 chantillonnage mensuelchantillonnage mensuel 2 p2 priodes entre 2000 et 2004riodes entre 2000 et 2004
Analyse de corrAnalyse de corrlation multiple : lation multiple : temptemprature et facteurs biotiquesrature et facteurs biotiques
pas de corrpas de corrlation avec la templation avec la tempraturerature aucun autre facteur pris en compte aucun autre facteur pris en compte nnexplique la variabilitexplique la variabilit
HSP 85HSP 85
corrcorrlation significative avec la templation significative avec la tempraturerature variation partiellement expliquvariation partiellement explique par le % de e par le % de femelles gravides dans lfemelles gravides dans lchantillon chantillon (( HSP)HSP)
HSP 60HSP 60
corrcorrlation significative avec la templation significative avec la tempraturerature variation partiellement expliquvariation partiellement explique par le % e par le % ddindividus immatures (individus immatures ( HSP)HSP)
HSP 45HSP 45
Expression des protExpression des protines de choc thermique et ines de choc thermique et production de dproduction de dfenses chimiques dans le contexte de fenses chimiques dans le contexte de la maladie de 2003la maladie de 2003
0
100
200
300
400
500EC 50 EC 50 g / mlg / ml
Dates (chantillonnage mensuel)
0,0
0,6
1,2
1,8
2,4HSP 70 (HSP 70 (g / g prot.)g / g prot.)
Dates (chantillonnage mensuel)
27/08/200327/08/200311rere observation de nobservation de ncroses croses chez les spongiaireschez les spongiaires
RefRefrencerence MaladieMaladie
1,96*Ec.-Type
1,00*Ec.-TypeMoyenne
10/09/200310/09/2003
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Protines de stress - Mtallothionines
Cys Cys CysCys
Cys
Cys Cys Cys Cys Cys
Des ligands intracellulaires inductibles par les mtaux
La famille des mtalloprotines : faible PM (
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Protines de stress - Mtallothionines
Des groupements thiols libres
Formation de complexes metal-thiolates
Affinit pour les ions mtalliques lourds : Zn, Cd, Ag, Cu, Hg
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Protines de stress - Mtallothionines
Trois classes de protines de type MT (PTM ou MTLP)Classe I : MT des vertbrs, certains invertbrs, certains champignonsClasse II : entre autre, les MT des oursinsClasse III : petits peptides non cods gntiquement, des plantes, des champignons
Deux rles essentielsDeux rles essentiels
Homostasie : Zn et Cu sont essentiels, activit des polymrases, facteurs de transcription et autres mtalloenzymes. Les MT sont des formes de stockage de ces ions et peuvent librer en cas de ncessiter.
Detoxication : Fixe (squestre, chlate) les mtaux. Leur induction lors de contaminations suggrent leur implication dans la protection contre la toxicit des mtaux.
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Marqueurs de Neurotoxicit
Action toxique des pesticides organophosphors et des carbamates au niveau du systme nerveux
Toxicit lie leur action inhibitrice sur lactivit de lactylcholinestrase
Lenzyme (AChE) met fin au signal nerveux en liminant le neuromdiateur des synapses
Sinon...
Blocage de linflux nerveux
Les toxiques prsentent des analogies avec lactylcholine. Il s agit donc d une inhibition comptitive(fixation du comptiteur au niveau du site actif de lenzyme)
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Marqueurs physiologiques
Atteinte du mAtteinte du mtabolisme tabolisme nergnergtiquetique
BIL
AN
M
ETA
BO
LIQU
E =
F
(ta
t de
sant
)
Deux mthodes appliques en routine aux bivalves
Scope for Growth C = R + F + U + P (daprs Widdows)C: consommation
R: nergie lie au catabolisme endogne, estime par la conso. en O2F: nergie rejete sous forme particulaireU: nergie rejete sous forme d urine (ou excrtion azote)P: nergie disponible pour la production = gain brut (tissus, scrtion)c
ole
anglo
-sa
xonn
e
Stress on stress
cole i
talien
ne
(Daprs Viarengo)= la rsistance l anoxie
En dautres termes le temps de survie l air en laboratoire
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Marqueurs physiologiques
Atteinte des fonctions reproductrices
Les facteurs du milieu exercent leur influence sur les gniteurs(gamtognse et fcondit), sur les gamtes (fcondabilit, spermiotoxicit, ovotoxicit) et sur ltat de la descendance(embryotoxicit, tratognse)
Trs employ chez les poissons
Trs employ chez les mollusques
Employ chez les chinodermes
Reproduction success
+++ tests de toxicit
Atteinte des fonctions reproductrices
IMPOSEX
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Marqueurs physiologiques
Marqueur spcifique d une contamination par les TBT
Nucella lapillus (gastropodes)
En grande partie due linteraction avec le mtabolisme des strodes
Apparition de caractres mle chez des femelles
Un indice TRP (%) = moy X / moy Y RSP
moy X = valeur moyenne (male) du rapport poids penis / poids du corpsmoy Y = valeur moyenne (femelle) du rapport poids penis / poids du corps
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Marqueurs morphologiques
Changements physiologiques et
biochimiques induits par les contaminants
Lsions des cellules, des tissus et organes
Les altrations morphologiques permettent
dvaluer les effets dexposition de longues
dures, mme de faibles niveaux de contamination
3. Mesures d effets biologiques - les biomarqueurs - Marqueurs morphologiques
Ncroses chez les invertbrs marins
Un concept applicable aux mtazoaires et macrophytes
Biomarqueur deffet , indicateur cologiques ?
HSP 70 Paramuricea clavata
Peu de variabilitPeu de variabilit intraintra--individuelleindividuelle
Forte variabilitForte variabilit intraintra--individuelleindividuelle
VariabilitVariabilit plus forte plus forte faible profondeur :faible profondeur :
Plane Cv = 85% Plane Cv = 85% (contre 40%)(contre 40%)Riou Cv = 40%Riou Cv = 40% (contre 22%)(contre 22%)
Un marqueur de rsistance au stress
VariabilitVariabilit de lde lexpression des protexpression des protines de ines de choc thermique chez un gorgonairechoc thermique chez un gorgonaire
HSP 70 Paramuricea clavata
Un marqueur de rsistance au stress
Une variabilitUne variabilit des capacitdes capacits de rs de rsistance visible sistance visible llil nu !il nu !
VariabilitVariabilit de lde lexpression des protexpression des protines de ines de choc thermique chez un gorgonairechoc thermique chez un gorgonaire
Les limites des biomarqueurs
Les traitements des chantillons La rfrence bruit de fond Facteurs gntiques (MXR Multi-Xenobiotic-
Resistance) Facteurs physiologiques (lage, le sexe, les facteurs
nutritionnels, les saisons) Les pollutions mixtes et les interactions avec
dautres polluants La dure des effets biologiques
Le caging pour matriser les sources de variations
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu1.1. Dfinitions1.2. Concept dune stratgie de bio-surveillance idale1.3. Le Contexte lgal : application de la DCE
2. Accumulation de contaminants dans les organismes2.1. Mthodes de dtection : avantages et inconvnients des mesures dans leau (air), les sdiments (sols) et les organismes2.2. Les bioaccumulateurs idaux
3. Mesures deffets biologiques3.1. Les biomarqueurs
3.1.1. Dfinitions : marqueurs deffet, dexposition, spcifiques, non spcifiques3.1.2. Le systme de biotransformation3.1.3. Gnotoxicit3.1.4. Protines de stress3.1.5. Mtallothionines3.1.6. Marqueurs de neurotoxicit3.1.7. Les marqueurs physiologiques : exemple de limposex chez les gastropodes3.1.8. Les marqueurs morphologiques
3.2. Les tests de toxicit3.3. Effets biologiques au niveau des populations
3.3.1. Les indicateurs cologiques
Effets biologiques des perturbations: fondements dcotoxicologie et notions de bioindicateurs
Les tests ltaux
Ces tests sont les plus couramment utiliss en laboratoire, du fait de leur simplicit et de leur rapidit de mise en uvre. Les effets ltaux sont facilement identifiables et la courte dure du test ne pose pas de problme en ce qui concerne le maintien technique des organismes-test et des conditions exprimentales. Ces tests sont raliss partir de concentrations en polluant nettement suprieures celles mesures dans le milieu. De ce fait, leur manque de reprsentativit et la difficult d'extrapolation au milieu naturel leur ont valu de nombreuses critiques. Cependant, malgr leurs limites, ils restent indispensables ( condition qu'ils soient rigoureusement conduits) pour des tudes prliminaires sur l'valuation de l'impact de nouveaux produits chimiques, le suivi des effluents, les accidents ptroliers impliquant l'utilisation de dispersants, les "screening" des rejets de produits chimiques et les installations offshore.
3. Mesures d effets biologiques - les tests de toxicit
Les tests subltaux
Ils sont bass sur l'apprciation d'effets indsirables sur les individus. Ces effets ont souvent une origine biochimique tant donn que la plupart des toxiques exercent leurs effets par le biais de modifications d'activits enzymatiques. Les effets les plus couramment tudis concernent des arrts de croissance, des perturbations de la reproduction, des baisses de l'activit, des effets mutagnes L'effet pourra tre qualifi "d'indsirable" dans la mesure o l'on connat sa signification physiologique et cologique et o il ne s'agit pas d'une raction d'adaptation bnfique pour l'espce tudie.
3. Mesures d effets biologiques - les tests de toxicit
Les tests incluant des cosystmes exprimentaux
Ces tests consistent soit reproduire des cosystmes en laboratoire, soit raliser des expriences in situ par contamination du milieu. Leur finalit est l'tude des phnomnes de fixation et de concentration des polluants rmanents travers les espces.
3. Mesures d effets biologiques - les tests de toxicit
Diffrents tests de toxicit disponibles
Souvent empiriques (ne tiennent pas compte des mcanismes biochimiques et physiologiques qui aboutissent un effet ltal ou sub-ltal)
Pour une meilleure valuation de la qualit du milieu est envisager de coupler des bio tests avec des mesures de biomarqueurs
3. Mesures d effets biologiques - les tests de toxicit
Tests de toxicit oprationnelles: Tests letauxAcartia torsaChaetogamarus marinus boues de forageCrangon crangonBrachionus plicatilis effluents industrielsNitocra spinipesDicentrachus labrax produits chimiquesArtemia salinaFundulus heteroclitus dispersants dHC Tests subletauxPhotobacterium phosphoreumSkeletonema costatumBalanus improvisus boues de forageMytilus edulisMysidopsis bahiaArbacia punctulata effluentsCyprinodon variegatus
3. Mesures d effets biologiques - les tests de toxicit 3. Mesures d effets biologiques - les tests de toxicit
Des tests standardiss
Effet ltal sur le loup ou la truite : CL 50
Test Microtox : bioluminescence dune bactrie Vibrio fischeri(ex- Photobacterium phosphoreum)
Test Microtox : bioluminescence dune bactrie Vibrio fischeri(ex-Photobacterium phosphoreum)
Extraction des substances toxiques dans un solvant organique (mthanol/di-chloromthane)
Dissolution de lextrait dans de leau de mer synthtique
CompositionCompositionde lde lextraitextrait
Test pour une gamme de Test pour une gamme de concentrations constanteconcentrations constante EC 50 EC 50 ToxicitToxicit
Chromatographie Chromatographie (CCM, GC(CCM, GC--MS)MS)
Production de dProduction de dfenses chimiquesfenses chimiques1,5 fois inf1,5 fois infrieurerieure
Expression HSP 70Expression HSP 70 2 fois sup2 fois suprieurerieure
0
100
200
300
400
RefRefrencerence MaladieMaladie
EC 50 EC 50 g / mlg / ml
0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
RRffrencerence MaladieMaladie
HSP 70 (HSP 70 (g / g prot.)g / g prot.)
Expression des protExpression des protines de choc thermique et ines de choc thermique et production de dproduction de dfenses chimiques dans le contexte de fenses chimiques dans le contexte de la maladie de 2003la maladie de 2003
1,96*Ec.-Type
1,00*Ec.-TypeMoyenne
1,96*Ec.-Type
1,00*Ec.-TypeMoyenne
0
100
200
300
400
RefRefrencerence MaladieMaladie
EC 50 EC 50 g / mlg / ml
CapacitCapacit de dde dfense fense ==
Porte ouverte aux pathogPorte ouverte aux pathognesnes
Une diminution significative de la Une diminution significative de la production de dproduction de dfenses chimiquesfenses chimiques
Expression de Expression de certaines certaines molmolculescules
?
Expression des protExpression des protines de choc thermique et ines de choc thermique et production de dproduction de dfenses chimiques dans le contexte de fenses chimiques dans le contexte de la maladie de 2003la maladie de 2003
3. Mesures d effets biologiques - les tests de toxicit
Des tests standardiss
Effet ltal sur le loup ou la truite : CL 50
Test Microtox : bioluminescence dune bactrie Vibrio fischeri(ex- Photobacterium phosphoreum)
Test dinhibition de la croissance de Skeletonema costatum
Des critres de slection
Sensibilit : dceler des petites variations
Spcificit : rponse un paramtre donn
Reprsentativit : de phnomnes naturels
1. Concept et Utilisation de bioindicateurs de la qualit du milieu1.1. Dfinitions1.2. Concept dune stratgie de bio-surveillance idale1.3. Le Contexte lgal : application de la DCE
2. Accumulation de contaminants dans les organismes2.1. Mthodes de dtection : avantages et inconvnients des mesures dans leau (air), les sdiments (sols) et les organismes2.2. Les bioaccumulateurs idaux
3. Mesures deffets biologiques3.1. Les biomarqueurs
3.1.1. Df. : marqueurs deffet, dexposition, spcifiques, non spcif.3.1.2. Le systme de biotransformation3.1.3. Gnotoxicit3.1.4. Protines de stress3.1.5. Mtallothionines3.1.6. Marqueurs de neurotoxicit3.1.7. Les marqueurs physiol. : ex. de limposex chez les gastrop.3.1.8. Les marqueurs morphologiques
3.2. Les tests de toxicit3.3. Effets biologiques au niveau des populations
3.3.1. Les indicateurs cologiques
Effets biologiques des perturbations: fondements dcotoxicologie et notions de bioindicateurs
Les changements de structure des assemblages benthiques peuvent permettre une meilleure caractrisation de la distribution spatio-temporelle de la pollution. Il est ainsi possible de classer les espces des diffrents grands groupes dorganismes marins selon leur sensibilit ou leur tolrance aux perturbations dorigine anthropique (Glmarec, 1985) : les espces sensibles, dominant largement le peuplement en conditions normales,
les espces tolrantes, parmi lesquelles certaines ne fluctuent pas de faon significative dans des conditions anormales, et dautres prolifrent lorsquil y a une perturbation,
les espces opportunistes, supportant aisment des conditions de perturbation extrmes.
3. Mesures d effets biologiques au niveau des populations et communauts
Les indicateurs cologiques
3. Mesures d effets biologiques au niveau des populations et communauts
Les indicateurs cologiques
Des espces indicatrices : prsence, absence, abondance, morphologie (biomarqueur?)
3. Mesures d effets biologiques au niveau des populations et communauts
Les indicateurs cologiques
Des indices mathmatiques ou indices biotiques : des indices de diversit (Shannon), des distributions thoriques
Distribution log-normale (Gray, 1981; Warwick; 1993) Indice trophique (Word, 1990) Indice Annelidien de Pollution (Bellan, 1979) Indices biotiques et coefficient biotiques (Borja et al., 2000)
etc etc.
des indices simplifies (peut tre la solution?)
Capo (1998). Evaluation des bryozoaires comme bioindicateurs. Diplome d'Etudes Approfondies. Universit de la Mditerrane, 38 pages Harmelin & Capo (2002). Effects of sewage on bryozoan diversity in Mediterranean rocky bottoms. In : P. Wyse Jackson, C. Buttler & M. Spencer Jones (eds), Bryozoan Studies 2001: Proceedings of the 12th International Bryozoology Association Conference , Swets & Zeitlinger Publishers, Sassenheim.
Richesse spRichesse spcifique des assemblages de bryozoaires en souscifique des assemblages de bryozoaires en sous--blocsblocs
3. Mesures d effets biologiques au niveau des populations et communauts
0
2
4
6
8
10
12
Riou Sormiou Vaisse 1 Vaisse 2 Calsom CORTIOU Melette Cirque Maire
N SpeciesN Colonies
OUTLETSEWER
900m 700m 400m 400m 1300m 5000m2400m5000m
0 0 0
6
4 44
1
DOMINANT CIRCULATION: E - W
Large erect bryozoansRichness & abundance (x + sd)/quadrat
Distribution des grandes espDistribution des grandes espces dressces dresses sur le gradient de pollution es sur le gradient de pollution
3. Mesures d effets biologiques au niveau des populations et communauts
Top Related