Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Role of ENaC in skin wound healing and phenotypic analysis of GILZ-deficient mice

In my first project, I analyzed the role of the amiloride-sensitive epithelial sodium channel ENaC) in the skin during wound healing. ENaC is present in the skin and a function in keratinocyte differentiation and barrier formation has been demonstrated. Previous findings suggested, that ENaC might be implicated in keratinocyte migration, although its role in wound healing was not analyzed yet. Using skin-specific (K14-Cre) conditional ENaC knockout and overexpressing mice, I determined the wound closure kinetic and performed morphometric measurements. The time course of wound repair was not significantly different in knockouts or transgenics when compared to control mice and the morphology of the closing wound was not altered. In my second project, I studied the glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ is widely expressed and an important role has been predicted in immunity, adipogenesis and renal sodium handling. Mice were generated that constitutively lack all the functional domains of the Gilz gene. In these mice, the expression of GILZ mRNA transcripts and protein were completely abolished in all tissues tested. Surprisingly, knockout mice survived. To test whether GILZ mimicks glucocorticoid action, we studied its implication in T- and B- cell development and in a model of sepsis. We measured cytokine secretion in different inflammatory models, like in peritoneal and bone marrow-derived macrophages, in splenocytes and a model of sepsis. In all our experiments, cytokine secretion from GILZ- deficient cells was not different from controls. From 6 months onwards, knockout mice contained significantly less body fat and were lighter. Following sodium and water deprivation experiments, water and salt homeostasis was preserved. Sterility of knockout males was associated with a severe testis dysplasia, smaller seminiferous tubules, the number of Sertoli and germ cell was reduced while increased apoptosis, but not cell proliferation, was evidenced. The interstitial Leydig cell population was augmented, and higher plasma FSH and testosterone levels were found. Interestingly, the expression of the target gene Ppar2 was diminished in the testis and in the liver, but not in the skin, kidney or fat. Tsc22d1 mRNA transcript level was found to be upregulated in testis, but not in the kidney or fat tissue. In most tissue, excepted the testis, GILZ-deficient mice reveal functional redundancy amongst members of the Tsc22d family or genes involved in the same regulatory pathways. In summary, contrarily to the published in vitro data, GILZ does not play a crucial role attributed in immunology or inflammation, but we identified a novel function in spermatogenesis. -- Dans mon premier projet, j'ai analysé le rôle du canal épithélial sodique sensible à l'amiloride (ENaC) dans la cicatrisation de la peau. ENaC est présent dans la peau et il a une fonction dans la différenciation des kératinocytes et dans la formation de la barrière. Des études suggèrent qu'ENaC pourrait être impliqué dans la migration des kératinocytes, cependant, son rôle dans la cicatrisation n'a pas encore été étudié. A l'aide de souris qui surexpriment ou qui sont knockout pour ENaC, spécifiquement dans la peau (K14-Cre), j'ai analysé le temps de clôture de la cicatrice et j'ai aussi étudié la morphologie de la plaie guérissant. Chez les souris qui surexpriment ou chez les knockouts, la vitesse de fermeture et la morphologie de la cicatrice étaient identiques aux souris contrôles. Dans mon second projet, j'ai étudié le glucocorticoid-induced leucine zipper (GILZ, Tsc22d3). GILZ est largement exprimé et un rôle important a été prédit dans l'immunité, l'adipogénèse et le transport sodique rénal. Des souris ont été générées dont les domaines fonctionnels du gène Gilz sont éliminés. L'expression de GILZ en ARNm et protéine a été complètement abolie dans tous les tissus testés. Étonnamment, ces souris knockout survivent. Afin de tester si GILZ imite les effets des glucocorticoïdes, nous avons étudié son implication dans le développement des cellules T et B ainsi qu'un modèle de septicémie. Nous avons mesuré la sécrétion de cytokines à partir de différents modèles d'inflammation tels que des macrophages péritonéaux ou de moelle, de splénocytes ou encore d'un modèle de septicémie. Dans toutes nos expériences, la sécrétion de cytokines de cellules GILZ-déficientes était semblable. Dès 6 mois, les knockouts contenaient significativement moins de graisses et étaient plus légères. Suite à une privation sodique et aqueuse, l'homéostasie du sel et de l'eau était préservée. Les mâles knockouts présentaient une stérilité accompagnée d'une dysplasie testiculaire sévère, de tubules séminifères étaient plus petits et contenaient un nombre réduit de cellules de Sertoli et de cellules germinales. L'apoptose était augmentée dans ces cellules mais pas la prolifération cellulaire. Le nombre de cellules de Leydig était aussi plus élevé, ainsi que la FSH et la testostérone. L'expression du gène cible Pparγ2 était diminuée dans le testicule et le foie, mais pas dans la peau, le rein ou le tissu adipeux. L'ARNm de Tsc22d1 était plus exprimé dans le testicule, mais pas dans le rein ou le tissu adipeux. Dans la plupart des tissus, sauf le testicule, les souris knockouts révélaient une redondance fonctionnelle des autres membres de la famille Tsc22d ou de gènes impliqués dans les mêmes voies de régulation. En résumé, contrairement aux données in vitro, GILZ ne joue pas un rôle essentiel en immunologie, mais nous avons identifié une nouvelle fonction dans la spermatogénèse.

Analysis of stop-gain and frameshift variants in human innate immunity genes.

Loss-of-function variants in innate immunity genes are associated with Mendelian disorders in the form of primary immunodeficiencies. Recent resequencing projects report that stop-gains and frameshifts are collectively prevalent in humans and could be responsible for some of the inter-individual variability in innate immune response. Current computational approaches evaluating loss-of-function in genes carrying these variants rely on gene-level characteristics such as evolutionary conservation and functional redundancy across the genome. However, innate immunity genes represent a particular case because they are more likely to be under positive selection and duplicated. To create a ranking of severity that would be applicable to innate immunity genes we evaluated 17,764 stop-gain and 13,915 frameshift variants from the NHLBI Exome Sequencing Project and 1,000 Genomes Project. Sequence-based features such as loss of functional domains, isoform-specific truncation and nonsense-mediated decay were found to correlate with variant allele frequency and validated with gene expression data. We integrated these features in a Bayesian classification scheme and benchmarked its use in predicting pathogenic variants against Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM) disease stop-gains and frameshifts. The classification scheme was applied in the assessment of 335 stop-gains and 236 frameshifts affecting 227 interferon-stimulated genes. The sequence-based score ranks variants in innate immunity genes according to their potential to cause disease, and complements existing gene-based pathogenicity scores. Specifically, the sequence-based score improves measurement of functional gene impairment, discriminates across different variants in a given gene and appears particularly useful for analysis of less conserved genes.

Developmental and Environmental Regulation of Aquaporin Gene Expression across Populus Species: Divergence or Redundancy?

Aquaporins (AQPs) are membrane channels belonging to the major intrinsic proteins family and are known for their ability to facilitate water movement. While in Populus trichocarpa, AQP proteins form a large family encompassing fifty-five genes, most of the experimental work focused on a few genes or subfamilies. The current work was undertaken to develop a comprehensive picture of the whole AQP gene family in Populus species by delineating gene expression domain and distinguishing responsiveness to developmental and environmental cues. Since duplication events amplified the poplar AQP family, we addressed the question of expression redundancy between gene duplicates. On these purposes, we carried a meta-analysis of all publicly available Affymetrix experiments. Our in-silico strategy controlled for previously identified biases in cross-species transcriptomics, a necessary step for any comparative transcriptomics based on multispecies design chips. Three poplar AQPs were not supported by any expression data, even in a large collection of situations (abiotic and biotic constraints, temporal oscillations and mutants). The expression of 11 AQPs was never or poorly regulated whatever the wideness of their expression domain and their expression level. Our work highlighted that PtTIP1;4 was the most responsive gene of the AQP family. A high functional divergence between gene duplicates was detected across species and in response to tested cues, except for the root-expressed PtTIP2;3/PtTIP2;4 pair exhibiting 80% convergent responses. Our meta-analysis assessed key features of aquaporin expression which had remained hidden in single experiments, such as expression wideness, response specificity and genotype and environment interactions. By consolidating expression profiles using independent experimental series, we showed that the large expansion of AQP family in poplar was accompanied with a strong divergence of gene expression, even if some cases of functional redundancy could be suspected.

Graphical probabilistic analysis of the combination of items of evidence

Unlike the evaluation of single items of scientific evidence, the formal study and analysis of the jointevaluation of several distinct items of forensic evidence has to date received some punctual, ratherthan systematic, attention. Questions about the (i) relationships among a set of (usually unobservable)propositions and a set of (observable) items of scientific evidence, (ii) the joint probative valueof a collection of distinct items of evidence as well as (iii) the contribution of each individual itemwithin a given group of pieces of evidence still represent fundamental areas of research. To somedegree, this is remarkable since both, forensic science theory and practice, yet many daily inferencetasks, require the consideration of multiple items if not masses of evidence. A recurrent and particularcomplication that arises in such settings is that the application of probability theory, i.e. the referencemethod for reasoning under uncertainty, becomes increasingly demanding. The present paper takesthis as a starting point and discusses graphical probability models, i.e. Bayesian networks, as frameworkwithin which the joint evaluation of scientific evidence can be approached in some viable way.Based on a review of existing main contributions in this area, the article here aims at presentinginstances of real case studies from the author's institution in order to point out the usefulness andcapacities of Bayesian networks for the probabilistic assessment of the probative value of multipleand interrelated items of evidence. A main emphasis is placed on underlying general patterns of inference,their representation as well as their graphical probabilistic analysis. Attention is also drawnto inferential interactions, such as redundancy, synergy and directional change. These distinguish thejoint evaluation of evidence from assessments of isolated items of evidence. Together, these topicspresent aspects of interest to both, domain experts and recipients of expert information, because theyhave bearing on how multiple items of evidence are meaningfully and appropriately set into context.