The endogenous catecholamines and their metabolites play an integral role in establishing the presence or absence of a suspected sympatho-adrenal tumor. Highly elevated metabolites excreted in the urine are indicative of a tumor. For this reason numerous analytical methods has been developed to accurately quantify the levels of these compounds. However, current methods usually make use of conventional HPLC methods. Although effective, these methods require tedious sample preparation and are usually plagued by interferences. It was the aim of this work to develop a gas chromatographic – mass spectrometric (GC-MS) method that allow for the simultaneous analysis of the endogenous catecholamines, their basic and acidic metabolites using a single extraction procedure (which is easy to use and not tedious) with minimal derivatization steps. Furthermore, to develop GC-MS methods which do not require tedious sample preparation and yet be sensitive and accurate and allow for rapid analysis in the clinical pathology laboratory. Four different gas chromatographic - mass spectrometric methods were developed for the analysis of the catecholamines and their metabolites and are discussed in detail. / Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2009. / Chemical Pathology / unrestricted

Le cortex surrénalien produit des hormones stéroïdes, principalement le cortisol, l’aldostérone et des androgènes. Le cortex surrénalien peut être le siège de tumeurs –adénomes ou cancers-, hyperplasies et dysplasies. Ces lésions sont dans leur grande majorité bénignes. Elles peuvent être associés à une hypersécrétion d’hormone stéroïde, le plus souvent de cortisol (syndrome de Cushing) ou d’aldostérone. Il existe aussi des tumeurs non sécrétantes. Si des classifications moléculaires ont été établies pour les carcinomes, à ce jour il n’existe pas de classification pangénomique des tumeurs bénignes corticosurrénaliennes, qui pourrait renseigner sur les mécanismes de sécrétion autonome et de prolifération de ces lésions. Enfin le déterminisme génétique des dysplasies et hyperplasies n’est que partiellement connu. Au cours de ma thèse, j’ai pu analyser un jeu de données « omics » complet des lésions bénignes corticosurrénaliennes pour plus d’une centaine d’échantillons, incluant du séquençage haut-débit (exome/ciblé pour les mutations, RNA-seq pour l’analyse des microARNs), des puces transcriptome et méthylome, et des puces SNP pour la recherche d’altérations chromosomiques. J’ai pu identifier une classification moléculaire pangénomique relativement convergente entre les différentes « omics », qui concorde avec les types tumoraux et sécrétoires, mais identifie également des sous-groupes nouveaux au sein de ces lésions. Il ressort notamment que les mutations dans ces lésions sont des déterminants essentiels de la classification moléculaire. Ainsi sont regroupées les lésions selon la voie de signalisation ou le gène altéré, notamment la voie PKA/AMPc pour les lésions produisant du cortisol, la voie Wnt/beta-caténine pour les adénomes ne sécrétant pas ou peu de cortisol, et ARMC5 pour un sous-groupe d’hyperplasies macronodulaires. Ces groupes très distincts contiennent également des lésions sans mutation identifiée, avec vraisemblablement des mécanismes alternatifs d’altération de ces voies de signalisation. Dans le groupe des hyperplasies macronodulaires mutées ARMC5, la comparaison avec l’ensemble des autres lésions bénignes fait ressortir une signature d’expression ovarienne forte, marquée par l’expression de FOXL2 et de ses cibles CYP19A1 et PTHLH. Cette marque de différentiation spécifiquement gonadique au sein de la surrénale fait discuter une anomalie de développement. Cette analyse génomique intégrée identifie également des altérations épigénétiques de la stéroïdogenèse. Notamment les tumeurs sécrétant beaucoup de cortisol sont globalement hyperméthylées dans leurs îlots CpG. Par ailleurs l’hyperméthylation de CYP21A2 est vraisemblablement un mécanisme de déficits en 21-hydroxylase intratumoral. Des signatures de miRNA semblent également avoir un impact sur la stéroïdogenèse. Au cours de ma thèse j’ai également analysé l’exome des hyperplasies macronodulaires non mutées ARMC5. Je n’ai pas identifié de nouvelle mutation somatique récurrente. Au niveau de l’exome germinal, j’ai identifié plusieurs gènes candidats récurrents, qui ouvrent la voie à des analyses génétiques (extension de cohorte) et de biologie cellulaire complémentaires. Ce travail est la première caractérisation génomique d’envergure des lésions bénignes de la corticosurrénale. Même si tous les mécanismes ne sont pas élucidés dans le détail, ces données représentent une ressource importante pour orienter les recherches à venir dans la tumorigenèse surrénalienne bénigne et la stéroïdogenèse. / The adrenal cortex produces steroid hormones, mainly cortisol, aldosterone and androgens. The adrenal cortex can be the site of tumors - adenomas or cancers -, hyperplasias and dysplasias. These lesions are in their great majority benign. They may be associated with hypersecretion of steroid hormone, most commonly cortisol (Cushing's syndrome) or aldosterone. There are also non-secreting tumors. Although molecular classifications have been established for carcinomas, to date there is no genome-wide classification of benign adrenocortical tumors, which could provide information on the mechanisms of autonomic secretion and proliferation of these lesions. Finally, the genetic determinism of dysplasia and hyperplasia is only partially known. During my thesis, I analyzed a complete "omics" dataset of benign adrenocortical lesions for more than a hundred samples, including high-throughput sequencing (exome / targeted for mutations, RNA-seq for microRNA analysis), transcriptome and methylome microarrays, and SNP microarrays for chromosomal alterations. I was able to identify a relatively convergent genome-wide molecular classification between the different "omics", which is consistent with the tumor and secretory types, but also identifies new subgroups within these lesions. In particular, it appears that mutations in these lesions are essential determinants of molecular classification. Thus, the lesions are grouped according to the signaling pathway or the altered gene, in particular the PKA / cAMP pathway for lesions producing cortisol, the Wnt / beta-catenin pathway for adenomas that do not secrete little or no cortisol, and ARMC5 for a subgroup of macronodular hyperplasia. These very distinct groups also contain lesions with no identified mutation, presumably with alternative mechanisms of alteration of these signaling pathways. In the group of ARMC5 mutated macronodular hyperplasia, the comparison with all other benign lesions shows a strong ovarian expression signature, marked by the expression of FOXL2 and its targets CYP19A1 and PTHLH. This mark of specifically gonadal differentiation in the adrenal gland causes a development anomaly to be discussed. This integrated genomic analysis also identifies epigenetic alterations of steroidogenesis. In particular, tumors secreting a lot of cortisol are globally hypermethylated in their CpG islands. In addition, hypermethylation of CYP21A2 is probably a mechanism of intratumoral 21-hydroxylase deficiency. MiRNA signatures also appear to have an impact on steroidogenesis. During my thesis I also analyzed the exome of unmutated macronodular hyperplasia ARMC5. I did not identify a new recurrent somatic mutation. At the level of the germinal exome, I identified several recurrent candidate genes, which open the way for complementary genetic analyzes (cohort extension) and cell biology. This work is the first major genomic characterization of benign lesions of the adrenal cortex. Although not all mechanisms are fully elucidated, these data represent an important resource for guiding future research into benign adrenal tumorigenesis and steroidogenesis.

This study (1) quantitatively compared steroid production in cultured Y-l mouse adrenal tumor cells exposed to Camel and Carlton-smoke derived residues, and (2) localized the effects in the cell. Basal steroid production was increased by Camel residues but not by Carlton, while ACTH stimulation was interfered with by both residues. Camel basal stimulation was comparable to that of cAMP, and was abolished by Cytochalasin D. The stimulation was also comparable to that of cholera toxin, which activates adenyl cyclase. Results indicate that residue components dissolve in the membrane stimulating adenyl cyclase at a point similar to or before that utilized by cholera toxin for its stimulating effect.

La majorité des hyperplasies macronodulaires bilatérales des surrénales avec syndrome de Cushing ACTH-indépendant (AIMAH) est due à l’expression aberrante de divers récepteurs hormonaux au niveau du cortex surrénalien. Les gènes responsables des AIMAH familiales avec récepteurs aberrants n’ont pas été identifiés. Le but de ce projet est de les identifier. Une étude de liaison, visant à identifier la ou les régions du génome comprenant le ou les gènes pouvant être en cause dans les AIMAH familiales, a été réalisée en utilisant l’ADN des membres d’une famille (10 malades et 7 sains) originaire du Québec, atteinte d’AIMAH et syndrome de Cushing et caractérisée par l’expression des récepteurs β-adrénergique et V1-vasopressine. Diverses régions chromosomiques entre les personnes atteintes et non-atteintes de la famille ont été soulignées. Un total de 707453 SNPs a été obtenu, et après analyse statistique, 159 SNPs significatifs, pouvant être associés au phénotype, ont été mis en évidence entre les deux groupes. Il a été constaté que la majorité de ces SNPs se situaient sur les régions chromosomiques 1q32.1 et 16q12.2. Une étude du transcriptome a aussi été réalisée en utilisant l’ADN des tumeurs de deux patients de la famille, ainsi que l’ADN d'autres tumeurs surrénaliennes. Les analyses statistiques ont permis d’identifier 15 gènes susceptibles d’être reliés à la maladie (11 surexprimés et 4 sous-exprimés). En utilisant les données de ces deux études, nous avons ciblé six gènes du chromosome 1 (ATP2B4, PPP1R12B, SOX13, CACNA1S, ADORA1et PHLDA3), un du chromosome 16 (CHD9) et un du chromosome 13 (SPRY2), afin de rechercher la présence de mutations. Le séquençage n’a révélé aucun changement de nucléotide dans les gènes PPP1R12B et SOX13. Dans les gènes ATP2B4, CACNA1S, ADORA1et PHLDA3, le séquençage a révélé des changements de nucléotides n’entrainant soit pas de changement d’acide aminé soit un changement d’acide aminé jugé « non pertinent », du fait qu’il ne permettait pas de différencier les sujets sains des sujets atteints. Pour ce qui est de CHD9 et SPRY2, le séquençage a permis d’identifier des changements de nucléotides entrainant des changements d’acides aminés de façon plus fréquente chez les sujets atteints par rapport aux sujets sains. En conclusion, nos travaux nous ont donc permis d’identifier, par étude de liaison et par analyse du transcriptome, des gènes candidats qui pourraient être responsables de cette pathologie. Le séquençage de ces gènes candidats a révélé des mutations de CHD9 et SPRY2. Ces résultats s’avèrent prometteurs puisque ces deux gènes produisent des protéines impliquées dans le remodelage de la chromatine et dans la régulation de la signalisation des protéines kinases. Le phénotypage et le génotypage des patients atteints doivent être poursuivis pour vérification. / The majority of ACTH-independent macronodular adrenal hyperplasia with Cushing's syndrome (AIMAH) is due to the aberrant expression of various receptors in the adrenal cortex. The genes responsible for familial AIMAH with aberrant receptors have not been identified. The aim of this project is to characterize them. A linkage study to identify the region or regions of the genome comprising the gene or genes that may be involved in familial AIMAH was performed using DNA of family members (10 affected and 7 non affected) born in Quebec and harboring AIMAH and Cushing's syndrome, under the aberrant regulation of B-adrenergic and V1-vasopressin receptors. Various chromosomal regions between patients and non-affected family were highlighted. A total of 707,453 SNPs were obtained, and after statistical analysis, 159 significant SNPs, possibly associated with phenotype, were found between the two groups. It was found that the majority of these SNPs were located on chromosomal regions 1q32.1 and 16q12.2. A transcriptome analysis was conducted using DNA from tumours of two patients of the family, as well as DNA from other adrenal tumours; Statistical analysis identified 15 genes that may be linked to disease (11 up-regulated and 4 under-expressed). Using data from these two studies, we identified six genes on chromosome 1 (ATP2B4, PPP1R12B, SOX13, ADORA1, CACNA1S and PHLDA3), one on chromosome 16 (CHD9) and one on chromosome 13 (SPRY2), to investigate the presence of mutations. The sequencing revealed no nucleotide changes in gene PPP1R12B and SOX13. In ATP2B4, CACNA1S, ADORA1 and PHLDA3, the sequencing not revealed nucleotides changes leading to either amino acid changes or an amino acid changes considered “not-relevant”, because they do not differentiate healthy individuals from affected. The sequencing of CHD9 and SPRY2 identified nucleotide changes causing amino acid changes more frequently in patients compared to healthy subjects. In conclusion, our work has therefore identified by linkage analysis and DNA microarray candidate genes that can be responsible to this disease, and mutations in two of these genes, CHD9 and SPRY2. These results are promising because these genes produce proteins involved in chromatin remodeling and regulation of signaling protein kinases. Phenotyping and genotyping of patients should be pursued further.

La majorité des hyperplasies macronodulaires bilatérales des surrénales avec syndrome de Cushing ACTH-indépendant (AIMAH) est due à l’expression aberrante de divers récepteurs hormonaux au niveau du cortex surrénalien. Les gènes responsables des AIMAH familiales avec récepteurs aberrants n’ont pas été identifiés. Le but de ce projet est de les identifier. Une étude de liaison, visant à identifier la ou les régions du génome comprenant le ou les gènes pouvant être en cause dans les AIMAH familiales, a été réalisée en utilisant l’ADN des membres d’une famille (10 malades et 7 sains) originaire du Québec, atteinte d’AIMAH et syndrome de Cushing et caractérisée par l’expression des récepteurs β-adrénergique et V1-vasopressine. Diverses régions chromosomiques entre les personnes atteintes et non-atteintes de la famille ont été soulignées. Un total de 707453 SNPs a été obtenu, et après analyse statistique, 159 SNPs significatifs, pouvant être associés au phénotype, ont été mis en évidence entre les deux groupes. Il a été constaté que la majorité de ces SNPs se situaient sur les régions chromosomiques 1q32.1 et 16q12.2. Une étude du transcriptome a aussi été réalisée en utilisant l’ADN des tumeurs de deux patients de la famille, ainsi que l’ADN d'autres tumeurs surrénaliennes. Les analyses statistiques ont permis d’identifier 15 gènes susceptibles d’être reliés à la maladie (11 surexprimés et 4 sous-exprimés). En utilisant les données de ces deux études, nous avons ciblé six gènes du chromosome 1 (ATP2B4, PPP1R12B, SOX13, CACNA1S, ADORA1et PHLDA3), un du chromosome 16 (CHD9) et un du chromosome 13 (SPRY2), afin de rechercher la présence de mutations. Le séquençage n’a révélé aucun changement de nucléotide dans les gènes PPP1R12B et SOX13. Dans les gènes ATP2B4, CACNA1S, ADORA1et PHLDA3, le séquençage a révélé des changements de nucléotides n’entrainant soit pas de changement d’acide aminé soit un changement d’acide aminé jugé « non pertinent », du fait qu’il ne permettait pas de différencier les sujets sains des sujets atteints. Pour ce qui est de CHD9 et SPRY2, le séquençage a permis d’identifier des changements de nucléotides entrainant des changements d’acides aminés de façon plus fréquente chez les sujets atteints par rapport aux sujets sains. En conclusion, nos travaux nous ont donc permis d’identifier, par étude de liaison et par analyse du transcriptome, des gènes candidats qui pourraient être responsables de cette pathologie. Le séquençage de ces gènes candidats a révélé des mutations de CHD9 et SPRY2. Ces résultats s’avèrent prometteurs puisque ces deux gènes produisent des protéines impliquées dans le remodelage de la chromatine et dans la régulation de la signalisation des protéines kinases. Le phénotypage et le génotypage des patients atteints doivent être poursuivis pour vérification. / The majority of ACTH-independent macronodular adrenal hyperplasia with Cushing's syndrome (AIMAH) is due to the aberrant expression of various receptors in the adrenal cortex. The genes responsible for familial AIMAH with aberrant receptors have not been identified. The aim of this project is to characterize them. A linkage study to identify the region or regions of the genome comprising the gene or genes that may be involved in familial AIMAH was performed using DNA of family members (10 affected and 7 non affected) born in Quebec and harboring AIMAH and Cushing's syndrome, under the aberrant regulation of B-adrenergic and V1-vasopressin receptors. Various chromosomal regions between patients and non-affected family were highlighted. A total of 707,453 SNPs were obtained, and after statistical analysis, 159 significant SNPs, possibly associated with phenotype, were found between the two groups. It was found that the majority of these SNPs were located on chromosomal regions 1q32.1 and 16q12.2. A transcriptome analysis was conducted using DNA from tumours of two patients of the family, as well as DNA from other adrenal tumours; Statistical analysis identified 15 genes that may be linked to disease (11 up-regulated and 4 under-expressed). Using data from these two studies, we identified six genes on chromosome 1 (ATP2B4, PPP1R12B, SOX13, ADORA1, CACNA1S and PHLDA3), one on chromosome 16 (CHD9) and one on chromosome 13 (SPRY2), to investigate the presence of mutations. The sequencing revealed no nucleotide changes in gene PPP1R12B and SOX13. In ATP2B4, CACNA1S, ADORA1 and PHLDA3, the sequencing not revealed nucleotides changes leading to either amino acid changes or an amino acid changes considered “not-relevant”, because they do not differentiate healthy individuals from affected. The sequencing of CHD9 and SPRY2 identified nucleotide changes causing amino acid changes more frequently in patients compared to healthy subjects. In conclusion, our work has therefore identified by linkage analysis and DNA microarray candidate genes that can be responsible to this disease, and mutations in two of these genes, CHD9 and SPRY2. These results are promising because these genes produce proteins involved in chromatin remodeling and regulation of signaling protein kinases. Phenotyping and genotyping of patients should be pursued further.