Herst, Pauline Mathilde

Les polluants organiques persistants (POPs) sont très préoccupants dans les écosystèmes arctiques car ils sont résistants à la dégradation, semi-volatils et lipophiles. En raison des courants océaniques et atmosphériques naturels, l'Arctique est constamment contaminé par des POPs. Une fois dans l'Arctique, les POPs affectent non seulement la faune (par exemple les ours polaires), mais aussi la population autochtone, en particulier en raison de leur dépendance à leur régime alimentaire traditionnel. De multiples disparités de santé sont liées aux POPs, il n'est donc pas surprenant qu'il existe de grandes différences de santé entre les Canadiens autochtones et non autochtones. À l'échelle moléculaire, les POPs ont été associés à des changements épigénétiques suite à une exposition in utero et adulte. L'hérédité épigénétique paternelle a été décrite dans des cohortes humaines et des modèles animaux allant du ver à la souris. L'exposition aux contaminants environnementaux au cours des moments clés du développement a été corrélée avec des changements physiologiques chez la progéniture future qui s'étendent souvent sur plusieurs générations. Malgré ces observations, les mécanismes moléculaires sous-jacents de l'hérédité non génétique (épigénétique) restent inconnus. Ici, nous émettons l'hypothèse que l'exposition in utero à un mélange de POPs représentatif de l'environnement induit des épimutations dans la lignée germinale paternelle qui sont ensuite transmises à travers la lignée paternelle compromettant ainsi le développement embryonnaire précoce sur plusieurs générations (non) exposées. Nous émettons en outre l'hypothèse qu'une intervention nutritionnelle, utilisant une supplémentation en acide folique alimentaire (vitamine B9), atténue et / ou réduit les épimutations spermatiques induites parles POPs et les phénotypes embryonnaires précoces générationnels associés. Pour tester ces hypothèses, les rates Sprague-Dawley fondatrices (F0) ont été gavées avec un mélange de POPs représentatif de l'environnement (500 μg de BPCs plus les autres POPs / kg de poids corporel) ou de l'huile de maïs et ont reçu un régime d'acide folique 1X ou 3X représentant l'apport des aliments enrichis ± prise d'une multivitamine. Les traitements ont été administrés cinq semaines avant la reproduction et jusqu'à la mise bas. Seules les femelles fondatrices F0 ont été directement exposées au mélange de POPs et / ou au régime d'acide folique 3X. Les descendants F1-F4 suivants ont reçu un régime d'acide folique 1X. À 90 jours, les mâles F1 ont été reproduits avec des femelles non traitées pour obtenir les portées F2. Similairement, les descendants des générations F3 et F4 ont été générés. Pour chaque génération, les spermatozoïdes des mâles (âgés de 150 jours) ont été prélevés et des embryons au stade deux cellules ont été collectés des femelles. Cette thèse démontre que de multiples mécanismes épigénétiques spermatiques, à savoir les miARN, la méthylation de l'ADN et la marque d'histone H3K4me3, sont significativement affectés par l'exposition in utero aux POPs et sont partiellement sauvés par la supplémentation en acide folique de manière inter- (F1, F2) et parfois transgénérationnelle (F3, F4). Bien que la lignée paternelle F3 n'ait pas montré de paramètres spermatiques altérés, elle a produit les pires résultats de grossesse par rapport à toutes les autres générations. Ceci est particulièrement intéressant car l'expression des gènes des embryons à deux cellules F4 a révélé le plus grand nombre de gènes exprimés différentiellement en raison de tous les traitements. Ces altérations précoces du développement pourraient être le fondement de résultats phénotypiques défavorables ultérieurs. En plus de ce qui précède, dans un chapitre complémentaire, nous démontrons que l'exposition aux POPs environnementaux est associée à l'expression du gène du tissu adipeux de la mère ours polaire sauvage et de ses oursons. Ceci peut être lié à un dysfonctionnement métabolique, mettant ainsi en évidence les différences physiologiques de réponse entre les adultes et leurs petits. Les résultats de cette thèse servent de preuves pour des concepts essentiels qui ont des implications majeures pour les populations humaines et fauniques.Paternal epigenetic inheritance has been described in human cohorts and animal models ranging from worm to mouse. Exposure to environmental contaminants during key developmental time points has been correlated with physiological changes in future offspring that oftentimes last over multiple generations. Despite these observations, the underlying molecular mechanisms of nongenetic (epigenetic) inheritance remain unknown. Persistent organic pollutants (POPs) are of great concern in Arctic ecosystems as they are resistant to degradation, semi-volatile and lipophilic. Due to naturally-occurring ocean and atmospheric currents, the Arctic is persistently contaminated with POPs. Once in the Arctic, POPs affect wildlife (e.g. polar bears) and also the Indigenous human population particularly through their reliance on the traditional diet. Multiple adverse health outcomes are related to POPs, and an increasing body of evidence showed big health discrepancies between Indigenous and non-Indigenous Canadians. On a molecular scale, POPs cause epigenetic changes following in utero and adult exposure. Here we hypothesize that in utero exposure to an environmentally-relevant Arctic POPs mixture induces epimutations in the paternal germline that are subsequently transmitted through the paternal lineage thereby compromising early-embryonic development in multiple (un)exposed generations. We further hypothesize that a nutritional intervention, using dietary folic acid (Vitamin B9) supplementation, mitigates and/or reduces the POPs induced sperm epimutations and associated generational early-embryonic phenotypes. Folic acid's potential protective role against environmental pollutants, such as BPA, DDT and air pollutants, has been demonstrated multiple times. Folic acid functions as a methyl donor in the methyl cycle, a cycle that is of high importance during prenatal development as rapid cell division and epigenetic reprogramming occur. To test these hypotheses, founder Sprague-Dawley rat dams (F0) were gavaged with an environmentally-relevant POPs mixture (500 μg PCBs plus remaining POPs/kg body weight) or corn oil and were fed a 1X or 3X folic acid diet representing intake from fortified foods ± additional supplementation. Treatments were administered five weeks before reproduction and until parturition. Only F0 founder females were directly exposed to the POPs mixture and/or 3X folic acid diet. Subsequent F1-F4 offspring received a 1X folic acid diet. At 90 days of age, F1 males were bred with untreated females to obtain F2 offspring. Likewise, F3 and F4 generation offspring were generated. For each generation, sperm were collected from males (150 days of age) and two cell embryos from females. This thesis demonstrates that multiple epigenetic mechanisms in sperm, specifically non-coding micro RNAs (miRNAs), DNA methylation and histone mark H3K4me3, are significantly affected by in utero POPs exposure and are partially restored by folic acid supplementation in an inter- (F1,F2), sometimes, transgenerational (F3, F4) manner. Although the F3 paternal lineage did not show altered sperm parameters, it did display the worst pregnancy outcomes compared to all other generations. This is particularly interesting as F4 two-cell embryo gene expression revealed the highest number of differentially expressed genes due to all treatments. These early developmental alterations could be the foundation for later adverse phenotypic outcomes. In a complementary chapter, we hypothesized that exposure to POPs differentially alters genome-wide gene transcription in the adipose tissue from mother polar bears and their cubs, highlighting molecular differences in response between adults and young. Results confirm that environmental POPs exposure is associated to wild polar bear mother and cub adipose tissue gene expression, which may be linked to metabolic dysfunction; thereby highlighting physiological differences in response between adults and their young. The outcomes of this thesis serve as essential proof-of concept that has major implications for human and wildlife populations

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A Father's Long-Lasting Legacy : the multigenerational burden of in utero exposure to Arctic pollutants on the sperm epigenome and folic acid supplementation as a shield across generations

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