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Bull. Soc. zool. Fr., 2007, 132(1-2) : 37-44.
Écotoxicologie
LES DÉIODINASES THYROÏDIENNES CHEZ LES POISSONS :
LE DORÉ JAUNE (SANDER VITREUS), UN NOUVEAU MODÈLE
POUR L’ÉTUDE DES MODULATEURS ENDOCRINIENS
par
Michelle PICARD-AITKEN1, David J. MARCOGLIESE2, Richard PARISEAU3,
Henri FOURNIER3 et Daniel G. CYR1
Chez les poissons, les hormones thyroïdiennes (HT) influencent plusieurs fonctions
physiologiques en participant au développement, à la croissance, et à la reproduction, et ce,
particulièrement au début de la maturation sexuelle. La quantité d’HT actives dans les
tissus cibles est régulée par une famille d’enzymes, les déiodinases. Chez le doré jaune
(Sander vitreus), les gènes des trois types de déiodinase ont été clonés dans le foie. Le doré
jaune serait donc un nouveau modèle à exploiter dans l’étude de la physiologie des HT,
d’autant plus que plusieurs facteurs régulant sa maturation sexuelle sont connus. Par
ailleurs, lors de problématiques environnementales, l’étude des déiodinases permettra de
mieux comprendre les effets de la pollution sur les HT et sur la maturation sexuelle de cette
espèce.
Iodothyronine deiodinases in fish: walleye (Sander vitreus), a new
model for the study of endocrine disruption
In fish, thyroid hormones (TH) influence several physiological processes, including
development, growth and reproduction, particularly at the onset of sexual maturation. The
amount of TH in circulation and in target tissues is regulated by a family of enzymes, the
iodothyronine deiodinases. Deiodinase type I and II convert the prohormone thyroxine to
active triiodothyronine, whereas deiodinase type III catalyses the formation of inactive
metabolites from both thyroxine and triiodothyronine. As such, the activity and expression
of deiodinases has been suggested for use as biomarkers in the study of TH regulation and
disruption in fish. Unlike other teleost species in which the deiodinases have been cloned,
the walleye (Sander vitreus) is a top predator. Previous studies indicate that growth and
energy allocation are important factors in regulating the onset of sexual maturation in
walleye; however, the role of TH in this process remains to be examined in this species.
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Thus, walleye, as a top predator, is of considerable interest as a novel model in which to
examine the role of deiodinases in TH regulation, and may be sensitive to thyroid disruption by environmental toxicants. cDNAs for the three types of deiodinases were successfully cloned from mRNA transcripts extracted from walleye livers. The use of hepatic
deiodinase mRNAs in walleye liver is currently being examined as a molecular biomarker
of thyroid disruption in fish from the Ottawa River, following reports of delayed sexual
maturation in female walleye.
La régulation des HT chez les poissons
Le processus de biosynthèse et de régulation centrale des HT des poissons est
semblable à celui des mammifères. La thyroxine (T4), une forme relativement inactive
des HT, est produite par la glande thyroïde sous le contrôle de l’axe hypothalamo-hypophysaire (Figure 1). La T4 est synthétisée et secrétée en réponse à la thyréostimuline
(TSH) qui provient de l’adénohypophyse, tandis que les HT diminuent la production de
TSH, fermant ainsi la boucle de rétrocontrôle négatif (MORIYAMA et al., 1997).
Lorsque la T4 est libérée dans le système sanguin des poissons, elle se lie à des
protéines, dont l’albumine et la transthyrétine, qui la transportent jusqu’au foie ou jusqu’à d’autres tissus cibles (SANTOS & POWER, 1999). Dans les cellules des tissus
extra-thyroïdiens, dits périphériques, la T4 est transformée en triiodothyronine (T3), qui
est la forme active des HT : c’est la T3 qui interagit avec des récepteurs dans le noyau
des cellules pour réguler la synthèse de protéines (EALES et al., 1999). La conversion
de T4 en T3 est assurée par une famille d’enzymes nommées les déiodinases, qui peuvent aussi inactiver de façon permanente la T4 et la T3. Finalement, outre les déiodinases, des enzymes de conjugaison dans le foie peuvent transformer les HT afin de les
inactiver et de faciliter leur élimination par la bile (EALES & BROWN, 1993).
Les rôles physiologiques des HT
L’intérêt qu’on porte aux HT n’est pas sans raison : les fonctions physiologiques de
ces hormones sont essentielles et nombreuses chez les poissons. Par exemple, les HT ont
été impliquées dans la croissance et le développement (embryonnaire et larvaire), ainsi
que dans la métamorphose (POWER et al., 2001) et la saumonification (SWEETING et
al., 1994). De plus, les HT joueraient un rôle clé dans le bon déroulement de la reproduction des poissons, particulièrement lors des premiers stades de maturation des
gamètes (voir CYR & EALES, 1996). En effet, des interactions complexes ont été
observées entre les hormones sexuelles (estrogènes, androgènes) et les HT, autant lors
de corrélations temporelles que lors d’études expérimentales. Ces observations suggèrent que les HT contribuerait de façon permissive au signal hormonal qui dirige l’allocation de l’énergie vers la maturation sexuelle, et ce, lorsque les réserves d’énergie sont
suffisantes.
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Déiodinases du doré jaune
Les déiodinases
Bien que la régulation de T4 passe par l’axe hypothalamo-hypophysaire, chez les
poissons le taux de l’hormone active, la T3, serait plutôt contrôlé au niveau des tissus
périphériques (EALES & BROWN, 1993). Les déiodinases dans le foie et dans les
autres tissus périphériques sont donc essentielles à la régulation du taux de T3 circulant
et de l’action locale des HT. Chez presque tous les vertébrés, on retrouve trois déiodinases: les déiodinases de type I (D1; absente chez les amphibiens) et de type II (D2), qui
vont principalement convertir la T4 en T3 en prélevant un atome d’iode de l’anneau extérieur de la T4, tandis que la déiodinase de type III (D3) désactive les HT en prélevant
l’atome d’iode de l’anneau intérieur (Figure 2). Les espèces de poissons étudiées jusqu’à présent utilisent principalement D2 pour assurer la formation de T3 dans le foie,
tandis que D1 intervient plus rarement, pour contrer une carence d’HT (hypothyroïdie)
(VAN DER GEYTEN et al., 2001). En cas d’hyperthyroïdie, l’activité hépatique de D2
Figure 1
Schéma de la régulation et du mode d’action des hormones thyroïdiennes sur les tissus cibles.
Abréviations : TSH (thyréostimuline) ; TSHR (récepteur à la TSH) ; T4 (thyroxine) ; T3 (triiodothyronine) ;
D3 (déiodinase de type III).
Schematic representation of thyroid hormone regulation and modes of action on target tissues.
Abbreviations: TSH (thyroid stimulating hormone); TSHR (TSH receptor); T4 (thyroxine); T3 (triiodothyronine); D3 (deiodinase type III).
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diminue, tandis que l’activité hépatique de D3 augmente, afin de désactiver le surplus
d’HT (VAN DER GEYTEN et al., 2005) ; dans ce cas, la transcription de D1 et D2 se
trouve diminuée dans le foie (GARCIA-G et al., 2004). Ainsi, les déiodinases maintiennent l’équilibre des HT au niveau physiologique optimal.
En conséquence, les déiodinases sont fortement impliquées dans les réponses physiologiques des HT, dont la croissance et le développement du poisson. Dans la maturation
sexuelle, l’activité des déiodinases hépatiques est corrélée avec le stade de maturation
des ovocytes de truite arc-en-ciel (Oncorhynchus mykiss) et semble assurer une forte
production de T3 au début de l’ovogenèse (RUBY & EALES, 1999). Chez le mâle,
l’expression du gène D2 dans le testicule de la truite arc-en-ciel augmente au début de
la spermatogenèse ; cette capacité de réguler localement le taux de T3 suggère un rôle
de cette hormone dans la maturation des gonades (SAMBRONI et al., 2001).
Figure 2
La déiodination des hormones thyroïdiennes. Les cercles pointillés indiquent l’emplacement de
l’atome d’iode qui a été prélevé par la déiodinase. Abréviations : T4 (thyroxine) ; T3 (triiodothyronine) ;
D1 (déiodinase de type 1) ; D2 (déiodinase de type 2) ; D3 (déiodinase de type 3).
Pathways of thyroid hormone deiodination. The dotted circles indicate the location of the iodide removed by the deiodinases. Abbreviations: T4 (thyroxine); T3 (triiodothyronine); D1 (deiodinase type I) ; D2
(deiodinase type II); D3 (deiodinase type III).
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Déiodinases du doré jaune
Compte tenu de l’importance des déiodinases dans le contrôle périphérique des
HT, l’activité et l’expression des déiodinases ont été proposées comme outils dans
l’étude de la régulation périphérique des HT chez les téléostéens et autres poissons
(EALES et al., 1999).
Modèle d’un grand prédateur : le doré jaune
Un téléostéen, le doré jaune, présente un intérêt particulier, puisque, contrairement
aux poissons jusqu’alors observés dans les études sur les HT, il est un piscivore vorace
et occupe un niveau trophique élevé (VANDER ZANDEN et al., 1997). En tant que
grand prédateur, le doré jaune se nourrit préférentiellement de poisson, ce qui maximise
son bénéfice énergétique et lui permet une croissance accélérée (GRAEB et al., 2005).
Ce régime pourrait se traduire par une régulation modifiée des HT, surtout par rapport à
la croissance et l’allocation de l’énergie ; par contre, aucune équipe n’a encore étudié la
thyroïde de cette espèce.
D’autre part, ce membre de la famille des percidés, très prisé par les pêcheurs
sportifs en Amérique du Nord, est une espèce clé autant sur le plan économique qu’écologique. Suivant l’importance de ce poisson, plusieurs études se sont portées sur son
cycle biologique et sur les facteurs qui jouent sur sa santé reproductrice. Par exemple, il
a été démontré que les femelles ont un taux de croissance plus élevé que les mâles, ce
qui leur permet d’emmagasiner la grande quantité d’énergie nécessaire à la production
d’œufs pour la fraie (avril-mai) (HENDERSON et al., 2003). Si les femelles n’accumulent pas de réserves d’énergie suffisantes, leurs gonades ne se développent pas et les
femelles demeurent immatures (HENDERSON et al., 1996). Ainsi, les femelles matures
sont plus grosses que les mâles du même âge, et leur première maturation sexuelle survient à un âge plus avancé, vers 4-5 ans plutôt que vers 2-3 ans (HENDERSON &
MORGAN, 2002). Encore une fois, malgré le lien reconnu entre la maturation sexuelle
et les HT, aucune de ces études ne se sont penchées sur les HT ou sur les déiodinases du
doré jaune.
Les déiodinases chez le doré jaune : Un nouvel outil d’étude
Pour étudier les déiodinases chez le doré jaune, nous avons cloné la séquence
d’ADN des déiodinases à partir de leur ARN messager exprimé dans le foie. Avec un
protocole standard de transcription inverse-amplification en chaîne par polymérase (RTPCR), D1, D2 et D3 furent clonés chez le doré jaune. Avec le tilapia (Oreochromis niloticus), le doré jaune est donc maintenant la deuxième espèce de poisson, et le premier
grand prédateur, chez qui les séquences des trois déiodinases sont disponibles. Avec les
séquences de D1, D2 et D3, il est possible d’obtenir des informations sur l’expression
de ces gènes chez le doré jaune sous différentes conditions, par exemple lors de la maturation sexuelle, ou lors du contrôle des taux d’HT en cas d’hypo- ou d’hyperthyroïdie.
L’expression de ces enzymes peut ainsi être mesurée rapidement dans différents tissus,
et donner une indication de la régulation locale des HT (EALES et al., 1999).
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Cet outil pourrait aussi servir à évaluer l’impact de divers polluants sur les HT. En
effet, plusieurs substances ont la capacité de dérégler les hormones des animaux, même
à de faibles concentrations ; ces substances sont alors appelées des modulateurs endocriniens. Tel qu’observé chez plus de 30 espèces de poissons, la régulation et l’homéostasie des HT sont sensibles aux polluants, par exemple au niveau de l’activité des
déiodinases (EALES et al., 1999 ; BROWN et al., 2004). Ces modulateurs endocriniens, dont les biphényls polychlorés (BPC), les dioxines, les pesticides, les métaux, les
produits pharmaceutiques, les agents ignifuges, et plusieurs autres, proviennent de plusieurs sources, dont les usines de traitement des eaux municipales et de pâtes et papier
(BROWN et al., 2004). Plusieurs d’usines de ce type rejettent leurs effluents dans la
Rivière des Outaouais à proximité de la région métropolitaine de Gatineau et d’Ottawa ;
quels sont donc les effets sur le doré jaune ?
Une problématique à suivre
Des indications de la part de pêcheurs sportifs et des agents du ministère des
Ressources naturelles et de la faune suggèrent l’apparition d’anormalités, depuis une
dizaine d’années, chez les dorés jaunes femelles pris en aval des villes de Gatineau et
d’Ottawa dans la Rivière des Outaouais. Ils rapportent que les femelles de grande taille,
qui auraient normalement des gonades matures remplies d’œufs, étaient toujours immatures. Cet effet serait-il dû à des polluants qui affectent les HT ? Des études sont en
cours pour établir si des contaminants présents dans la Rivière des Outaouais modifient
les taux de HT et l’expression des déiodinases chez les dorés jaunes, et si les effets
observés sont corrélés avec les atteintes à la santé reproductrice des femelles. Ainsi, les
séquences des déiodinases pourront servir non seulement à approfondir les connaissances sur les HT et le rôle de ces hormones dans la maturation sexuelle du doré jaune,
mais aussi comme outil afin d’évaluer l’impact des polluants sur les HT et la santé
reproductrice de ce poisson.
Remerciements
Merci à Evemie Dubé et Stéphanie Nadzialek pour la révision du texte. MPA est boursière de la
Fondation Armand-Frappier et de FQRNT. Ce projet a reçu le support financier du VRQ-RRESL,
d’Environnement Canada, du Ministère des Ressources naturelles et de la faune (QC) et le Plan d’action
Saint-Laurent.
1. INRS-Institut Armand-Frappier, Pointe-Claire, QC, Canada.
2. Centre Saint-Laurent, Environnement Canada, Montreal, QC, Canada.
3. Ministère des Ressources naturelles et de la Faune, Gatineau, QC, Canada.
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Déiodinases du doré jaune
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(reçu le 13/02/06 ; accepté le 21/02/06)