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Subcellular metal-handling strategies in two groups of aquatic animals (insect, fish): Contributions to the understanding of metal toxicity.

Rosabal-Rodriguez, Maikel (2015). Subcellular metal-handling strategies in two groups of aquatic animals (insect, fish): Contributions to the understanding of metal toxicity. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 258 p.

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Résumé

Titre français: Les stratégies intracellulaires de gestion de métaux traces chez deux groupes d'animaux aquatiques (insectes, poissons): Contributions à la compréhension de la toxicité des métaux. Les activités humaines ont augmenté le flux de plusieurs métaux traces. Ces métaux peuvent atteindre des systèmes aquatiques où ils peuvent être accumulés par des organismes pouvant entraîner des effets toxiques. Afin d‘évaluer les effets de ces contaminants dans l‘environnement, des évaluations de risque environnemental ont été développées. Ces approches ayant comme objectif d‘évaluer la probabilité des effets adverses causés par l‘exposition de contaminants métalliques ont généralement trois composantes principales : exposition, bioaccumulation et toxicité. Dans ce contexte, différents modèles ont été développés afin de lier la spéciation chimique des éléments traces avec la bioaccumulation et la toxicité. Néanmoins, des modèles ne sont pas capables de déterminer le métal qui est biologiquement actif et donc qui peut être responsable pour les effets adverses. Des mesures de fractionnement subcellulaire de métaux traces qui permettent la séparation des formes détoxiquées et les fractions contribuant aux effets toxiques sont nécessaires pour mieux comprendre la relation entre la bioaccumulation et toxicité des métaux traces. De telles études peuvent aussi révéler les stratégies de gestion de métaux traces utilisées par les organismes aquatiques afin de faire face à ces contaminants. De plus, des caractérisations détaillées des biomolécules qui sont impliquées dans les réponses de détoxication ou sensibles aux métaux traces sont nécessaires pour mieux comprendre la spéciation intracellulaire des métaux traces. Pour ce faire, deux organismes aquatiques ayant des tolérances différentes à ces contaminants ont été récoltés dans le milieu naturel : des larves de Chaoborus et des anguilles nord-atlantiques (A. anguilla et A. rostrata). Un protocole de répartition subcellulaire incluant des étapes de centrifugation différentielle, digestion avec hydroxyde de sodium et traitement thermique a été appliqué pour déterminer les concentrations de métaux trouvés dans le compartiment de métaux détoxiqués de celui dites sensible telles que dans les fractions de protéines thermosensibles, les mitochondries et d‘autres organites. Pour analyser des complexes métalliques avec des biomolécules intracellulaires, une approche métallomique basée sur l'analyse SEC-ICPMS a été aussi appliquée chez les larves de l'insecte. La répartition subcellulaire de métaux traces chez les organismes aquatiques étudiés a révélé des stratégies intracellulaires de gestions de métaux par ces animaux afin de prévenir la liaison de ces métaux non essentiels avec des sites physiologiquement importants. La séquestration de métaux par les métallothionéines ou par des protéines semblables aux métallothionéines joue un rôle important dans la détoxication des métaux (par exemple Cd, Ag). À cet égard, l'analyse métallomique des fractions du cytosol de Chaoborus a montré que différentes protéines thermostables (ou isoformes de métallothionéines) sont impliquées dans la séquestration du Cd. L'incorporation de métaux tels que Ni, Pb et Tl en inclusions minérales semble être une autre stratégie importante et complémentaire de détoxication de ces métaux. Cependant, ces stratégies de détoxication n‘ont pas été complètement efficaces pour éviter des accumulations de métaux traces dans les fractions sensibles, même chez des organismes exposés à des faibles concentrations de métaux traces. Ces liaisons de métaux avec des sites inappropriés peuvent induire des effets délétères chez les organismes étudies. Parmi les sites sensibles étudiés, les mitochondries, où des processus biochimiques importants ont lieu, se sont révélés comme la fraction la plus importante en concentrations de ces contaminants potentiellement toxiques (par exemple, pour l‘As, le Cd, le Pb et le Tl). Le pourcentage d‘un métal trace qui est détoxiquée a varié entre les métaux et les organismes étudiés. L‘ensemble des informations peuvent être utiles pour raffiner les évaluations de risque en précisant les concentrations de métaux accumulées qui sont susceptibles de causer des effets néfastes.

Abstract

Human-related activities have increased the fluxes of many trace elements from the earth‘s crust. Trace elements can reach freshwater ecosystems, where they can be readily accumulated, leading to toxic effects. As a result of the need to evaluate the effects of such contaminants on the environment, ecological risk assessments for trace elements have been developed in the last decades. These approaches used to assess the risk posed by trace metal contamination involve three main components: metal availability, metal bioaccumulation and metal toxicity. In this context, significant progress has been made in relating the chemical speciation of trace elements to their bioaccumulation and toxicity for a variety of aquatic organisms, but they have not been completely successful in predicting the toxicity of trace elements. One important element to be refined in such models is the estimation of the subcellular metal concentrations that are likely to be responsible for adverse effects in living cells. Such subcellular estimations will also reveal the metal-handling strategies that aquatic organisms use to cope with these contaminants. Furthermore, detailed characterizations of the biomolecules either involved in metal-detoxification responses or targeted by the trace metals are also required to better understand intracellular metal-trafficking in aquatic organisms chronically exposed in the environment. To do so, two aquatic animals with differing tolerance to trace metals were collected from metal-contaminated environments, final-instar larvae of the insect Chaoborus and North Atlantic yellow eels (A. anguilla and A. rostrata). A subcellular partitioning procedure using differential centrifugation, NaOH digestion and thermal shock steps was applied to obtain putative metal-sensitive fractions (heat-denatured proteins, mitochondria, microsomes and lysosomes) and detoxified metal fractions (heat-stable proteins and NaOH-resistant granules). To analyse metal complexes with intracellular biomolecules, a metallomic approach based on SEC-ICPMS analysis was applied to the insect. The subcellular partitioning of trace metals in these aquatic organisms revealed the metal-handling strategies used by these animals to prevent the binding of non-essential metals at physiologically important sites. Metal sequestration by metallothioneins or metallothionein-like proteins played an important role in metal detoxification (e.g., Cd, Ag). In this respect, the hyphenated analysis of the cytosolic fractions of Chaoborus showed that distinct thermostable proteins (or MT isoforms) are involved in Cd sequestration. Incorporation of metals such as Ni, Pb and Tl into mineral inclusions appears to be another important and complementary metal-detoxification strategy. These strategies were not completely successful since significant accumulations in metal-sensitive fractions were observed for all the metals studied; even for animals collected from references sites exposed at the lower end of the metal contamination gradient. These inappropriate bindings of non-essential metals could induce deleterious effects. Among the metal-sensitive fractions, mitochondria appear to be a major binding compartment (for As, Cd, Pb and Tl). The percentage of accumulated trace metals stored in detoxified form varied greatly among metals and animals. Such information should help the development of improved models for predicting metal toxicity, based on the biologically active pools that contribute to toxic responses and not on the total accumulated metal concentrations.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Hare, Landis
Co-directeurs de mémoire/thèse: Campbell, Peter G.C.
Mots-clés libres: distribution subcellulaire; métaux traces; détoxication; Chaoborus; Anguilla; séparation chromatographique
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 01 sept. 2016 13:32
Dernière modification: 01 sept. 2016 13:32
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/4032

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