Integrated approach of ionizing radiation damage on Caenorhabditis elegans : from DNA to proteins
Approche intégrée des dommages des rayonnements ionisants chez Caenorhabditis elegans : de l’ADN aux protéines
Résumé
Because of the ubiquitous nature of ionizing radiation, the risk assessment on ecosystems has become a major environmental concern. However, the environmental risk assessment of chronic exposures suffers from a lack of knowledge, especially because the extrapolation of data acquired after acute exposure in order to predict the effects of chronic exposures is not always relevant. Indeed, the effects on the individual parameters, i.e reproduction, differ between these two irradiation modes, suggesting that underlying mechanisms are also different. It is therefore necessary to carry out studies at the individual and at the subcellular level in order to better understand molecular mechanisms governing these differences in the observed effects. Proteins are the functional molecules in organisms, they can be the targets of oxidative damage (i.e carbonylation), and are likely to be relevant and sensitive markers of exposure to ionizing radiation. Thus, the objective of this research project was to improve the understanding of molecular mechanisms of radiotoxicity (acute vs chronic), particularly by studying the proteome contribution, on the biological model Caenorhabditis elegans. The study of the acute and chronic gamma irradiation effects, on a large dose range (between 0.5 and 200Gy, including 4 common doses to both irradiation modes), was performed at the individual level with the reproduction as endpoint, a parameter likely to directly influence the dynamic of populations. In addition, the modulation of protein expression but also their damage (i.e. carbonylation) and their degradation by the proteasome were evaluated. The results showed that acute irradiation induced an effect on hatching success and on total spawning from 30 Gy whereas only total spawning was impacted after chronic irradiation from 3.3 Gy. At the molecular level, the global level of carbonylated proteins was not so modified after chronic or acute exposure to ionizing radiation. The proteasome appears to be involved in the degradation of carbonylated proteins after chronic irradiation whereas after acute irradiation, it seems overtaken, suggesting a possible involvement of other defense mechanisms (autophagy). The protein expression, and particularly proteins involved in apoptosis, DNA repair, replication and reproduction, is differentially modulated after acute and chronic exposure. Thus, the proteins involved in embryonic development are repressed after acute irradiation as soon as 0.5 Gy whereas those involved in the germline development are overexpressed. These results suggest that the radiotoxicity mechanisms between acute and chronic exposures are quite different and that the effects of acute irradiation may be due to an embryogenesis disturbance (via the accumulation of genotoxic damage). Conversely to acute, chronic irradiation induces an effect on gametogenesis, resulting in a decrease of the total spawning without impacting embryogenesis. This research project allowed us to provide knowledge on the molecular cascade events following different gamma irradiation conditions and highlights the need of using an integrated approach to better predict and understand the observed effects on major biological functions. Moreover, this work allowed characterizing more sensitive markers of exposure than the individual ones as the proteasome activity and the protein expression is modulated from 0.5Gy. Ultimately this dataset would help to improve the environmental risk assessment.
De par l'omniprésence des rayonnements ionisants, l’évaluation de leur impact sur les écosystèmes est devenue une préoccupation environnementale majeure. Cependant, l’évaluation des risques environnementaux liés aux expositions chroniques souffre d’un manque de connaissances, d’autant que l’extrapolation des données acquises après exposition aiguë (plus nombreuses) ne semble pas adaptée pour la prédiction des effets des expositions chroniques. Pour exemple, les effets sur les paramètres individuels i.e. la reproduction, diffèrent entre ces deux modes d’expositions, suggérant que les mécanismes moléculaires sous-jacents diffèrent également. Il est donc nécessaire de réaliser des études au niveau individuel et subcellulaire afin de mieux comprendre les différences de radiotoxicité observées entre les deux modes d’irradiation. Les protéines sont les molécules fonctionnelles dans les organismes, elles peuvent être les cibles de dommages oxydatifs (i.e carbonylation), et sont susceptibles d’être des marqueurs pertinents et sensibles de l’exposition aux rayonnements ionisants. Ainsi, l’objectif de ce projet de thèse était d’améliorer la compréhension des mécanismes moléculaires de radiotoxicité (aigu vs chronique) en étudiant particulièrement la contribution du protéome chez un organisme modèle, le nématode Caenorhabditis elegans. Pour ce faire, l’étude des effets d’irradiation gamma aiguë et chronique sur une large gamme de doses (0,5 - 200Gy, dont 4 doses communes aux deux modes d’exposition) a été opérée au niveau individuel, et en particulier sur la reproduction, paramètre susceptible d’influencer directement la dynamique des populations. En complément, la modulation de l'expression des protéines mais aussi leurs dommages (i.e carbonylation) et leur dégradation par le protéasome ont été évalués. Les résultats ont montré que l’irradiation aiguë induit un effet sur le succès d’éclosion et sur la ponte totale dès 30Gy alors que seule la ponte totale est impactée par l’irradiation chronique à partir de 3,3Gy. A l’échelle moléculaire, les niveaux de protéines carbonylées sont très peu modulés après exposition chronique ou aiguë aux rayonnements ionisants. Le protéasome semble être impliqué dans la dégradation des protéines carbonylées après irradiation chronique. En revanche, après irradiation aiguë, celui-ci semble dépassé, suggérant une possible implication d’autres mécanismes de défense (autophagie). Les profils d’expression des protéines, et notamment de protéines impliquées dans l’apoptose, la réparation des dommages à l’ADN, la réplication et la reproduction sont différents après irradiation aiguë et chronique. Ainsi, les protéines nécessaires au développement embryonnaire sont réprimées après irradiation aiguë dès 0,5 Gy alors que celles impliquées dans le développement de la lignée germinale sont surexprimées. Ces dernières sont réprimées après irradiation chronique dès 0,5 Gy. Ces résultats, suggèrent que les mécanismes de radiotoxicité entre les expositions aiguës et chroniques sont bien distincts, et que les effets de l’irradiation aiguë pourraient être dus à une perturbation de l’embryogénèse (via l’accumulation de dommages génotoxiques). A l’inverse, l’irradiation chronique induirait un effet sur la gamétogénèse se traduisant par une baisse de la ponte totale sans affecter l’embryogénèse. Ce projet de recherche nous a permis d’apporter des connaissances sur les cascades d’évènements moléculaires suite à différentes conditions d'irradiation gamma et illustre l’intérêt d’utiliser une approche intégrée pour mieux prédire et comprendre les effets observés sur les grandes fonctions biologiques. De plus ces travaux ont permis de caractériser des marqueurs protéiques d’exposition plus sensibles que les marqueurs individuels puisque l’activité du protéasome et l’expression des protéines est modulée dès 0,5Gy. In fine cet ensemble de données contribuera à améliorer l’évaluation des risques pour l’environnement.