Soutenance de thèse de Marie TRIJAU

Les écosystèmes aquatiques et terrestre sont exposés aux radionucléides lors de rejets planifiés ou accidentels, en grande partie liés à leur utilisation dans les centrales nucléaires de production d’électricité. Afin de protéger durablement ces écosystèmes et leur fonctionnement, il est nécessaire d’évaluer l’impact de leur exposition aux radiations ionisantes sur le long terme. La sensibilité des organismes pouvant varier au fil des générations, l’évaluation des effets des radiations ionisantes sur des échelles multigénérationnelles est essentielle. Dans ce contexte, ce travail de doctorat a visé à améliorer la caractérisation des processus moléculaires et la prédiction des effets transgénérationnels lors d’une exposition aux radiations gamma. Afin de répondre à cet objectif, deux approches, l’une expérimentale et l’autre basée sur la modélisation, ont été mises en place. La première approche concerne l’étude des processus épigénétiques, c’est-à-dire des mécanismes régulant l’activité des gènes sans modification de la séquence d’ADN elle-même, de leurs modifications transgénérationnelles radio-induites, pouvant perdurer dans la progéniture après une irradiation parentale, et du lien entre ces modifications épigénétiques et la radiotoxicité à l’échelle de l’organisme. Pour cela, le micro-crustacé Daphnia magna a été exposé aux radiations gamma externe (6.5 µGy.h-1 et 41,3 mGy.h-1) pendant 25 jours (génération F0). Une évaluation des effets sur la survie, la croissance et la reproduction a été réalisée sur la génération F0 et chez sa descendance, à savoir la génération F1, exposée au stade d’embryon, la génération F2, exposée au stade de cellule germinale et la génération F3, première génération non-exposée. Les résultats ont montré une réduction de la fécondité en F0 mais aucun effet à l’échelle de l’organisme en générations F1, F2 et F3. Une analyse des modifications épigénétiques a été conduite dans les générations F0, F2 et F3, à l’aide du séquençage bisulfite sur le génome entier. Grâce à cette technique, des modifications significatives de la méthylation de l’ADN ont été détectées à l’échelle du nucléotide dans toutes les générations, indépendamment du débit de dose. Certaines de ces modifications sont communes aux débits de dose et/ou aux générations. Les gènes concernés par ces modifications de la méthylation sont en partie associés à des fonctions déjà connues pour être impliquées dans la réponse aux radiations ionisantes. Les modifications de la méthylation communes aux générations F2 et F3 démontrent clairement que certaines modifications épigénétiques peuvent être transmises par la lignée germinale vers les générations non-exposées. Dans la seconde approche, la modélisation avait pour objectif d’analyser les effets des radiations gamma sur la croissance et la reproduction de D. magna à l’échelle de plusieurs générations. Un modèle mécaniste, le DEBtox (Budget Energétique Dynamique appliqué à la toxicologie), a été modifié pour inclure des compartiments de dommage, dont le niveau peut être hérité d’une génération à la suivante. Le modèle a été ajusté aux données avec des méthodes d’inférence bayésienne afin d’estimer les paramètres tout en tenant compte des incertitudes qui leur sont associées. Nos résultats ont montré que ce modèle permet une bonne description de données acquises lors d’études multigénérationnelles. Toutefois, les incertitudes associées aux paramètres contrôlant la cinétique d’accumulation des dommages et l’apparition des effets, soulignent la nécessité de préciser davantage la nature des mécanismes moléculaires et métaboliques sous-jacents, afin de garantir une meilleure prédiction de l’évolution des effets sur le long terme.

Aquatic and terrestrial ecosystems are exposed to radionuclides during planned or accidental releases, mainly linked to their use in nuclear power plants. In this context, the protection of ecosystems and their functioning requires that the impact of long term exposure to ionizing radiation is assessed. Because radiosensitivity of organisms can vary from one generation to another, effects of ionizing radiation must be studied on a multigenerational scale. The aim of this PhD is to improve the characterization of molecular processes and the prediction of transgenerational effects during a gamma irradiation. In order to do so, an experimental approach and a modelling approach were carried out. First, the experimental approach investigated on epigenetic processes, i.e. mechanisms that regulate gene expression without changing DNA sequence itself, on their radio-induced transgenerational modifications, that might persist in the progeny after a parental irradiation, and on the link between these epigenetic modifications and radiotoxicity at organism scale. In this aim, the crustacean Daphnia magna was exposed to external gamma radiation (6.5 µGy.h-1 et 41,3 mGy.h-1) for 25 days (generation F0). Effects on survival, growth and reproduction were estimated in generation F0 and in its progeny, namely generation F1, exposed as embryonic stage, generation F2, exposed as germ cell and generation F3, the first truly unexposed generation. Results showed a decrease in fecundity in F0 and no effect at the organism scale in generations F1, F2 and F3. Epigenetic modifications were analyzed in generations F0, F2 and F3, using whole genome bisulfite sequencing. Significant changes in DNA methylation were detected at the nucleotide level in all generations independent of dose rate. Some of these changes were shared among dose rates and/or among generations. Associated gene functions included gene families and genes that were previously shown to play roles during exposure to ionizing radiation. Common methylation changes detected between generations F2 and F3 clearly showed that some epigenetic modifications could be transmitted through the germline to unexposed generations. Second, the modelling approach aimed to analyze effects of gamma radiation on D. magna growth and reproduction over several generations. A mechanistic model, the DEBtox (Dynamic Energy Budget model applied to toxicology), was modified in order to include damage compartments, with damage levels that were transmitted from one generation to the next. The model was fitted to data using Bayesian inference methods, in order to estimate the parameters while considering their associated uncertainty. Results showed that this model could provide a good description of data obtained during multigenerational studies. However, the uncertainties associated with parameters driving the damage kinetics and the onset of effects, highlighted the necessity to clarify further the nature of underlying molecular and metabolic mechanisms, in order to improve the prediction of changes in gamma radiation effects on the long term.