Dans la majorité des cas, l’hypersécrétion de cortisol résulte d’un adénome hypophysaire sécrétant de l’ACTH (maladie de Cushing). Plus rarement, le syndrome de Cushing est la conséquence d’un adénome corticosurrénalien unilatéral ou d’une hyperplasie bilatérale des surrénales (HMBS) sécrétant du cortisol. Ces deux pathologies appartiennent à la catégorie des hypercortisolismes dits ACTH-indépendants en raison des taux plasmatiques effondrés d’adrénocorticotrophine (ACTH). Les mécanismes moléculaires à l’origine de la sécrétion accrue de cortisol par ces lésions sont longtemps restés méconnus. Au cours des dernières années, des avancées considérables ont été réalisées dans la compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans la physiopathologie du syndrome de Cushing. Deux grands types d’anomalies paraissent impliqués dans la pathogénie de l’hypercortisolisme : des mutations germinales et somatiques activant des voies de signalisation intracellulaires et l’expression illégitime de récepteurs membranaires. Dans la surrénale humaine normale, la sérotonine (5-HT), synthétisée et libérée par les mastocytes sous-capsulaires, stimule la sécrétion des corticostéroïdes via son récepteur 5-HT4. Ce dernier est principalement localisé à la surface des cellules de la zone glomérulée mais faiblement exprimé au niveau des cellules de la zone fasciculée, expliquant l’action stimulante prédominante de la 5-HT sur la sécrétion d’aldostérone. Dans la dysplasie micronodulaire pigmentée des surrénales, l’activation de la voie AMPc/PKA par une mutation du gène PRKAR1A est responsable d’une surexpression de la tryptophane hydroxylase (TPH) de type 2, enzyme limitante de la synthèse de 5-HT, et des récepteurs sérotoninergiques 5-HT4, 5-HT6 et 5-HT7 couplés positivement à la voie AMPc/PKA dans les cellules cortisolosécrétrices. Chez l’Homme, la sécrétion de cortisol est physiologiquement stimulée par l’ACTH également via la voie AMPc/PKA. Les patients souffrant de maladie de Cushing, d’un syndrome de Cushing paranéoplasique (paraCS), d’un déficit en 21-hydroxylase ou d’HMBS présentent des taux d’ACTH plasmatique ou intrasurrénalienne élevés. Chez ces patients, nous montrons que la stimulation chronique de la voie AMPc/PKA par l’ACTH provoque une surexpression de la TPH de type 1, du récepteur eutopique 5-HT4 et des récepteurs ectopiques 5-HT6 et 5-HT7 dans les cellules stéroïdogènes. Pour l’un des patients avec paraCS, nous avons pu montrer que les cellules corticosurrénaliennes en culture sécrètent du cortisol en réponse à la 5-HT ou à des agonistes des récepteurs 5-HT4 ou 5-HT7. Par ailleurs, le rôle de la voie Wnt/-caténine dans l’apparition des récepteurs illégitimes reste controversé. Nous avons donc évalué l’expression des récepteurs 5-HT4, 5-HT6, 5-HT7, du LH-R et du GIP-R dans une tumeur corticosurrénalienne avec mutation germinale du gène APC et deux modèles d’activation constitutive de la voie Wnt/-caténine dans le cortex surrénalien, incluant des souris génétiquement modifiées et des cellules corticosurrénaliennes humaines en culture primaire. Nos résultats indiquent que l’activation de la voie Wnt/-caténine favorise une surexpression significative du LH-R dans les 3 modèles étudiés. Globalement, les données issues de notre travail montrent que l’activation de voies de signalisation intracellulaire, comme la voie AMPc/PKA par l’ACTH ou la voie Wnt/-caténine par des mutations génétiques, favorise l’émergence de systèmes de régulation surrénaliens aberrants. Ils indiquent en outre que la 5-HT intrasurrénalienne est impliquée dans l’hypersécrétion de corticostéroïdes associée à différentes pathologies incluant la maladie de Cushing et le syndrome de Cushing paranéoplasique, le bloc en 21-hydroxylase et l’HMBS. Le recours à des inhibiteurs sélectifs de la tryptophane hydroxylase pourrait donc permettre de réduire l’excès de stéroïdes chez les patients atteints de ces affections. / In most cases, cortisol hypersecretion (Cushing’s syndrome; CS) results from ACTH-producing pituitary adenoma (Cushing’s disease). Occasionally, CS is the consequence of a unilateral adrenal adenoma or a bilateral macronodular adrenal hyperplasia (BMAH) producing cortisol. In these conditions, hypercortisolism is referred to as “ACTH-independent” owing to suppressed plasma ACTH levels. The molecular mechanisms underlying the maintenance of cortisol hypersecretion by adrenocortical adenomas and BMAHs in the absence of circulating ACTH has long remained unknown. However, major advances have been made during the past recent years in the comprehension of the pathophysiology of primary adrenal CS. Two main types of molecular defects have been shown to favor cortisol hypersecretion by adrenocortical neoplasms: somatic mutations responsible for activation of intracellular signaling pathways and abnormally expressed (or illegitimate) membrane receptors by tumor cells. In the human adrenal gland, serotonin (5-HT), released by subcapsular mast cells stimulates corticosteroid secretion through activation of its type 4 receptor (5-HT4R). The 5-HT4R is principally expressed in zona glomerulosa cells but weakly expressed in zona fasciculata cells explaining why 5-HT strongly stimulates aldosterone production. Interestingly, in primary pigmented nodular adrenocortical disease (PPNAD) cells, activation of the cAMP/PKA pathway by PRKAR1A mutations triggers upregulation of the 5-HT synthesizing enzyme tryptophan hydroxylase (TPH) type 2 together with the 5-HT4, 5-HT6 and 5-HT7 receptors, positively coupled to cAMP/PKA signaling pathway. 5-HT strongly stimulates cortisol production and inhibition of TPH reduced corticosteroidogenesis in cultured PPNAD cells. In human, cortisol secretion is normally stimulated by ACTH also through activation of the cAMP/PKA signaling pathway. Patients suffering from Cushing’s disease, paraneoplastic Cushing’s syndrome (paraCS), 21-hydroxylase deficiency or BMAH display high plasma or intraadrenal ACTH levels. In these patients, we show that chronic stimulation of cAMP/PKA pathway by ACTH induces TPH type 1 and 5-HT4/6/7 receptors overexpression in steroidogenic cells. In primary cultured adrenocortical cells originating from a patient with paraCS, 5-HT and 5-HT4/7 receptors agonists were able to activate cortisol secretion. On the other hand, the role of Wnt/-catenin signaling pathway in the emergence of illegitimate receptors is still debated. We therefore evaluated 5-HT4, 5-HT6, 5-HT7, LH/hCG and GIP receptors expression in an adrenocortical tumor with APC germline mutation and two experimental models of constitutive activation of β-catenin in adrenocortical cells, namely genetically modified mice and human transfected adrenocortical cells. Our results indicate that Wnt/-catenin pathway activation promotes significant overexpression of LH/hCG receptor in the 3 models investigated. Globally, our data show that activation of intracellular signaling pathways such as the cAMP/PKA pathway by ACTH or Wnt/-catenin by genetic mutations favors the emergence of abnormal regulatory systems in the adrenal cortex. Our results also demonstrate that intraadrenal 5-HT is involved in corticosteroids hypersecretion related to different diseases including Cushing’s disease, paraneoplastic Cushing’s syndrome, 21-hydroxylase deficiency and BMAH. TPH inhibitors may thus represent a new therapeutic approach of corticosteroid excess in patients suffering from these disorders.

Dans ce mémoire, nous présentons l’utilisation de techniques de model-checking pour l’inférence de paramètres de réseaux de régulation génétique (GRN) et l’analyse formelle d’une voie de signalisation. Le coeur du mémoire est décrit dans la première partie, dans laquelle nous proposons une approche pour inférer les paramètres biologiques régissant les dynamiques de modèles discrets de GRN. Les GRN sont encodés sous la forme d’un méta-modèle, appelé GRN paramétré, de telle façon qu’une instance de paramètres définit un modèle discret du GRN initial. Sous réserve que les propriétés biologiques d’intérêt s’expriment sous la forme de formules LTL, les techniques de model-checking LTL sont combinées à celles d’exécution symbolique et de résolution de contraintes afin de sélectionner les modèles satisfaisant ces propriétés. L’enjeu est de contourner l’explosion combinatoire en terme de taille et de nombre de modèles discrets. Nous avons implémenté notre méthode en Java, dans un outil appelé SPuTNIk. La seconde partie décrit une collaboration avec des neuropédiatres, qui ont pour objectif de comprendre l’apparition du phénotype protecteur ou toxique des microglies (un type de macrophage du cerveau) chez les prématurés. Cette partie exploite un autre versant du model-checking, celui du modelchecking statistique, afin d’étudier un type de réseau biologique particulier : la voie de signalisation Wnt/β-caténine, qui permet la transmission d’un signal de l’extérieur à l’intérieur des cellules via une cascade de réactions biochimiques. Nous présentons ici l’apport du model-checker stochastique COSMOS, utilisant la logique stochastique à automate hybride (HASL), un formalisme très expressif nous permettant une analyse formelle sophistiquée des dynamiques de la voie Wnt/β-caténine, modélisée sous la forme d’un processus stochastique à événements discrets. / In this thesis, we present the use of model checking techniques for inference of parameters of Gene Regulatory Networks (GRNs) and formal analysis of a signalling pathway. In the first and main part, we provide an approach to infer biological parameters governing the dynamics of discrete models of GRNs. GRNs are encoded in the form of a meta-model, called Parametric GRN, such that a parameter instance defines a discrete model of the original GRN. Provided that targeted biological properties are expressed in the form of LTL formulas, LTL model-checking techniques are combined with symbolic execution and constraint solving techniques to select discrete models satisfying these properties. The challenge is to prevent combinatorial explosion in terms of size and number of discrete models. Our method is implemented in Java, in a tool called SPuTNIk. The second part describes a work performed in collaboration with child neurologists, who aim to understand the occurrence of toxic or protective phenotype of microglia (a type of macrophage in the brain) in the case of preemies. We use an other type of model-checking, the statistical model-checking, to study a particular type of biological network: the Wnt/β- catenin pathway that transmits an external signal into the cells via a cascade of biochemical reactions. Here we present the benefit of the stochastic model checker COSMOS, using the Hybrid Automata Stochastic Logic (HASL), that is an very expressive formalism allowing a sophisticated formal analysis of the dynamics of the Wnt/β-catenin pathway, modelled as a discrete event stochastic process.