ANNÉE 2017 THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1 sous le sceau de l’Université Bretagne Loire pour le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1 Mention : Biologie et Sciences de la Santé École doctorale Biologie-Santé présentée par Thomas DARDE Préparée à l’IRSET Inserm U1085 Équipe « Physiology and physiopathology of the urogenital tract » UFR Sciences de le Vie et de l’Environnement Identification et Thèse dirigée par : classification de Frédéric CHALMEL Chargé de recherche - Inserm U 1085 IRSET composés Antoine ROLLAND reprotoxiques par Maître de conférence - Inserm U 1085 IRSET des approches de et soutenue à Rennes le 3 octobre 2017 toxicogénomique devant le jury composé de : Karine AUDOUZE prédictive Maitre de conférences – Université Paris Diderot Rapporteur Odile LECOMPTE Maitre de conférences – iCube Rapporteur Farzad PAKDEL Directeur de recherche – Inserm U1085 IRSET Président du jury Serge NEF Professeur - University of Geneva Medical School Examinateur Christian DELAMARCHE Professeur – Université Rennes 1 Examinateur Frédéric CHALMEL Chargé de recherche – Inserm U1085 IRSET Directeur de thèse i Table des matières Table des matières ....................................................................................................................... ii  Liste des tableaux ....................................................................................................................... vi  Liste des figures ....................................................................................................................... viii  Liste des abréviations .................................................................................................................. x  Remerciements ......................................................................................................................... xiv  Préambule ................................................................................................................................... 1  1.  Introduction ......................................................................................................................... 3  1.1.  Le système endocrinien et ses hormones .................................................................... 3  1.1.1.  Qu’est-ce que le système endocrinien ? .............................................................. 3  1.1.2.  Présentation des différents types d’hormones ..................................................... 5  1.1.3.  Le mécanisme d’action des hormones ................................................................ 7  1.1.4.  La régulation du système endocrinien ................................................................ 9  1.1.5.  Les glandes endocrines et leurs hormones ........................................................ 11  1.2.  Le testicule ................................................................................................................ 19  1.2.1.  Généralités sur l’anatomie du testicule adulte .................................................. 19  1.2.2.  Fonction exocrine du testicule .......................................................................... 20  1.2.3.  Fonction endocrine du testicule ........................................................................ 25  1.2.4.  Mécanismes de régulation de la stéroïdogenèse ............................................... 28  1.3.  Les perturbateurs endocriniens ................................................................................. 31  1.3.1.  Histoire de la perturbation endocrinienne ......................................................... 31  1.3.2.  Un souci de définition ....................................................................................... 34  1.3.3.  Mécanisme(s) d’action d’un perturbateur endocrinien ..................................... 35  1.3.4.  Effets des perturbateurs endocriniens sur l’Homme ......................................... 36  1.3.5.  Présentation de perturbateurs endocriniens connus .......................................... 46  1.4.  Évaluation des risques ............................................................................................... 53  1.4.1.  La règlementation européenne .......................................................................... 53  1.4.2.  Règlementation non adaptée aux PEs? ............................................................. 56  ii 1.4.3.  Outils de détection de toxicités ......................................................................... 58  1.4.4.  Tests spécifiques de détection des perturbateurs endocriniens ......................... 61  1.5.  La toxicologie prédictive .......................................................................................... 67  1.5.1.  Outils de toxicologie prédictive ........................................................................ 67  1.5.2.  Méthodes de prédiction ..................................................................................... 73  2.  Objectifs de ma thèse ........................................................................................................ 91  3.  Matériels et méthodes ....................................................................................................... 93  3.1.  Ressources informatiques et environnement de travail ............................................ 93  3.1.1.  Langages de programmation ............................................................................. 93  3.1.2.  Environnement web .......................................................................................... 96  3.2.  Outils et ressources bio-informatiques .................................................................... 101  3.2.1.  Suites logicielles ............................................................................................. 101  3.2.2.  Navigateurs de génome ................................................................................... 101  3.2.3.  Galaxy ............................................................................................................. 102  3.2.4.  Vocabulaires contrôlés et ontologies .............................................................. 104  3.2.5.  Bases de données ............................................................................................ 105  3.2.6.  Description des différents types de fichiers .................................................... 107  3.3.  Estimateurs mathématiques .................................................................................... 111  3.3.1.  Estimateurs de distances ................................................................................. 111  3.3.2.  Évaluation d’un modèle statistique de classification ...................................... 113  3.4.  Méthodes statistiques .............................................................................................. 117  3.4.1.  Analyse en composantes principales .............................................................. 117  3.4.2.  Enrichissement – Loi hypergéométrique ........................................................ 122  3.4.3.  Méthodes de prédiction de classe ................................................................... 123  3.5.  Méthodes appliquées dans le cadre du projet ChemPSy ........................................ 127  3.5.1.  Méthodes appliquées sur les données de la CTD ............................................ 127  3.5.2.  Méthodes appliquées sur les données issues de GEO ..................................... 129  4.  Résultats et discussion .................................................................................................... 137  4.1.  ChemPSy : un système de priorisation pour les substances chimiques .................. 137  4.1.1.  Résultats obtenus à partir de la CTD .............................................................. 137  iii 4.1.2.  Résultats obtenus à partir de GEO .................................................................. 140  4.1.3.  Conclusion et perspectives du projet ChemPSy ............................................. 159  4.2.  TOXsIgN : un espace de dépôt pour les signatures toxicogénomique ................... 163  4.2.1.  Manuscrit en préparation ................................................................................ 165  4.2.2.  Résultats et discussion .................................................................................... 191  4.2.3.  Conclusion et perspectives .............................................................................. 196  4.3.  The ReproGenomics Viewer (RGV) : un navigateur de génome pour les données de reprogénomique .................................................................................................................. 199  4.3.1.  Publication du ReproGenomics Viewer .......................................................... 199  4.3.2.  Résultats .......................................................................................................... 213  4.3.3.  Discussion et perspectives .............................................................................. 217  5.  Autre publication ............................................................................................................ 219  Conclusion .............................................................................................................................. 231  Références ............................................................................................................................... 235  Annexes ....................................................................................................................................... ii  1.  Conditions expérimentales des groupes sélectionnés ......................................................... ii  1.1.  Conditions expérimentales du groupe 1 ...................................................................... ii  1.2.  Conditions expérimentales du groupe 2 ..................................................................... iv  1.3.  Conditions expérimentales du groupe 3 ...................................................................... v  Résumé ..........................................................................................................................................   iv v Liste des tableaux Tableau I.  Tableau récapitulatif des différentes hormones et leurs actions ........................... 16  Tableau II.  Tests officiels de l’OCDE pour la détection de perturbateurs endocriniens ..... 62  Tableau III.  Symboles utilisés dans le moteur de recherche Elasticsearch .......................... 99  Tableau IV.  Colonnes composant un fichier BED .............................................................. 108  Tableau V.  Colonnes composant un fichier GFF .............................................................. 109  Tableau VI.  Paramètres adaptés aux matrices discrétisées de ChemPSy ........................... 112  Tableau VII.  Matrice de confusion ................................................................................... 114  Tableau VIII.  Tableau de confusion .................................................................................. 114  Tableau IX.  Résumé des données intégrées dans ChemPSy .............................................. 140  Tableau X.  Corrélations entre les estimateurs mathématiques de similarité toxicogénomique et d’effets toxicologiques. ....................................................................................................... 142  Tableau XI.  Résultat de la classification des CEs sans récursivité ..................................... 144  Tableau XII.  Résultat de la classification des CEs avec récursivité ................................ 145  Tableau XIII.  Molécules du premier groupe sélectionné. ................................................. 148  Tableau XIV.  Molécules présentes dans le second groupe ................................................ 150  Tableau XV.  Molécules présentes dans le troisième groupe ............................................ 152  Tableau XVI.  Spécificité et sensibilité moyenne pour chaque technique de classification155  Tableau XVII.  Liste des études disponibles dans RGV ...................................................... 214  vi vii Liste des figures Figure 1.  Modes de communications cellulaires. ................................................................... 4  Figure 2.  Schéma des différents types d’hormones ................................................................ 6  Figure 3.  Mécanismes d’action des hormones ....................................................................... 8  Figure 4.  Schéma du système endocrinien ........................................................................... 10  Figure 5.  Schéma de l’hypothalamus et de l’hypophyse ...................................................... 12  Figure 6.  Anatomie du testicule adulte humain .................................................................... 20  Figure 7.  Coupe d’un tubule séminifère ............................................................................... 21  Figure 8.  Fonction exocrine du testicule : la spermatogénèse .............................................. 24  Figure 9.  La stéroïdogenèse .................................................................................................. 27  Figure 10.  Mécanisme de régulation de la stéroïdogenèse ................................................. 29  Figure 11.  Historique de la perturbation endocrinienne ..................................................... 33  Figure 12.  Différents modes d’action des PEs ................................................................... 37  Figure 13.  Schéma du syndrome de dysgénésie testiculaire selon Skakkebaek et al. 2016 42  Figure 14.  Schéma représentatif de la cryptorchidie et de l’hypospadias .......................... 45  Figure 15.  Planning et processus d’évaluation des risques chimiques selon REACH ....... 54  Figure 16.  Représentation d’une courbe dose-réponse et calcul de la DJA ....................... 57  Figure 17.  La toxicologie computationnelle et les bases de données ................................. 69  Figure 18.  Génération de modèles prédictifs ...................................................................... 72  Figure 19.  Création et utilisation des QSARs .................................................................... 75  Figure 20.  Calcul de distance topologique au sein de la molécule de cholestérol ............. 77  Figure 21.  Diagramme de flow de modèle PBPK .............................................................. 81  Figure 22.  Représentation des modèles PBPK les plus utilisés ......................................... 84  Figure 23.  Schématisation du modèle MVC. ..................................................................... 96  Figure 24.  Exemple de workflow sous Galaxy. ............................................................... 103  Figure 25.  Représentation en deux dimensions de l’ACP : matrice de coordonnées et de poids. 119  Figure 26.  Tableau disjonctif complet et tableau de Burt ................................................ 121  Figure 27.  Description des ensembles de la loi hypergéométrique .................................. 122  viii Figure 28.  Discrimination des données par SVM ............................................................ 124  Figure 29.  Travail effectué sur les données obtenues à partir de la CTD ........................ 128  Figure 30.  Représentation d’une puce à ADN ................................................................. 131  Figure 31.  Réduction des matrices ................................................................................... 132  Figure 32.  Répartition des composés en fonction des 111 groupes en pourcentage cumulé 138  Figure 33.  Exemple de courbe de classification d’une CE ............................................... 146  Figure 34.  Estimation de la meilleure distance de classification ..................................... 147  Figure 35.  Classification du fluconazole à 394 mg/kg, 6 heures ..................................... 149  Figure 36.  Courbe de classification du fénoprofène à 52 mg/kg, 1 jour .......................... 151  Figure 37.  Courbe d’erreur cumulée de la reclassification .............................................. 156  Figure 38.  Courbe de pourcentage de réussite cumulé de la reclassification ................... 157  Figure 39.  Capture d’écran de l’outil de recherche avancée de TOXsIgN ...................... 194  Figure 40.  Capture d’écran du résultat de comparaison (top 10) de la signature du fluconazole 195  Figure 41.  Outil de conversion de RGV ........................................................................... 216  ix