Abstract Oxygen is vital for human survival. To ensure its sufficient supply, the body has an intricate system, which involves the circulatory, respiratory and neuroendocrine systems. When oxygen is lacking, a state of hypoxia occurs, and adaptive changes in gene expression increase oxygen delivery to promote survival. The key regulator of the transcriptional hypoxia response is hypoxia-inducible factor (HIF) which targets over 1000 genes. The HIF prolyl 4-hydroxylases (HIF-P4Hs) govern the stability of HIF in an oxygen-dependent fashion. In our studies we investigated whether activation of the hypoxia response through inhibition of either of two distinct HIF-P4Hs, HIF-P4H-2 or P4H-TM would reduce atherosclerosis in mice. We found that inhibition of HIF-P4H-2 led to reductions in numbers of atherosclerotic plaques, and levels of serum cholesterol and inflammation in white adipose tissue and aortic plaques. In addition, HIF-P4H-2 deficient mice had elevated levels of modified LDL-targeting, atheroprotective circulating autoantibodies. The P4H-TM knockout mice also had reduced numbers of atherosclerotic plaques and increased levels of atheroprotective autoantibodies in their sera, but in contrast to the HIF-P4H-2 deficient mice, they also showed a reduction in serum triglyceride levels. To determine how hypoxia alters maternal glucose and lipid metabolism in pregnancy, we studied pregnant mice that were predisposed to a hypoxic condition (15% ambient O2). We found that they had enhanced glucose metabolism due to reduced insulin resistance and an increased flux of glucose to maternal tissues. The hypoxic dams also failed to gain weight and store adipose tissue in the anabolic phase to the same extent as normoxic control dams. These results implicate HIF-P4H inhibition as a novel therapeutic mechanism for atherosclerosis, and suggest that the small molecule HIF-P4H inhibitors currently in clinical trials for renal anemia may have further possible therapeutic applications. In addition, greater understanding of the changes in maternal metabolism that underly reduced fetal growth in hypoxic conditions, and the development of targeted interventions may allow the preservation of fetal growth in cases of maternal hypoxia. / Tiivistelmä Happi on ihmiselle elintärkeää. Tämän vuoksi meille on kehittynyt pitkälle jalostunut verenkierto-, hengitys- ja neuroendokriininen järjestelmä sekä sellaisten geenien ilmentymisen muutoksia, jotka joko lisäävät hapen kuljetusta tai auttavat selviytymään hypoksisissa oloissa, jotta taataan riittävä hapen saanti. Hapen puutteessa hypoksiavaste, jonka tärkein säätelijä on hypoksiassa indusoituva transkriptiotekijä (HIF), aktivoituu. HIF:lla on yli 1000 kohdegeeniä joiden kautta sen vaikutukset välittyvät. HIF-prolyyli-4-hydroksylaasit (HIF-P4H:t) säätelevät HIF:n stabiilisuutta hapesta riippuvaisesti. Tutkimuksessamme selvitimme, vähentääkö hypoksiavasteen aktivointi HIF-P4H-2:n tai P4H-TM:n inhibition kautta ateroskleroosia hiirillä. Tuloksena oli, että HIF-P4H-2:n inhibitio vähensi ateroskleroottisia plakkeja, seerumin kolesterolia ja inflammaatiota valkoisessa rasvakudoksessa sekä plakeissa. Lisäksi hiirillä, joilta puuttui HIF-P4H-2, oli lisääntynyt määrä ateroskleroosilta suojaavia muokattua LDL:ää sitovia autovasta-aineita seerumissa. P4H-TM-poistogeenisillä hiirillä todettiin vastaavasti vähemmän ateroskleroottisia plakkeja ja lisääntynyt määrä ateroskleroosilta suojaavia autovasta-aineita seerumissa. Poiketen HIF-P4H-2-puutteisista hiiristä, niillä oli matalammat seerumin triglyseridi-tasot. Tutkimme raskaina olevia hiiriä, jotka altistimme hypoksisille olosuhteille (15% O2), jotta pystyisimme määrittämään, kuinka hypoksia vaikuttaa äidin sokeri- ja rasva-aineenvaihduntaan. Hypoksiassa raskaana olevilla hiirillä todettiin tehostunut sokeriaineenvaihdunta, joka oli seurausta alentuneesta insuliiniresistenssistä sekä lisääntyneestä sokerin sisäänotosta äidin kudoksiin. Hypoksiassa eivät raskaana olevien hiirten paino eivätkä rasvavarastot lisääntyneet samassa suhteessa normoksiassa raskaana olevien hiirten kanssa. Nämä tulokset tarjoavat uusia mahdollisuuksia HIF-P4H-inhibition käyttämiseen terapeuttisena vaihtoehtona ateroskleroosin hoidossa ja ehkäisemisessä. Kliinisissä kokeissa munuaisperäisen anemian hoidossa olevat HIF-P4H-estäjät voisivat näin ollen saada lisää indikaatioita. Lisäksi korkean ilmanalan aiheuttaman pienipainoisuuden takana olevien aineenvaihdunnan muutoksien ymmärtäminen voi mahdollistaa sikiön kasvun turvaamisen spesifein interventioin.

Abstract Adequate oxygen supply is necessary for aerobic cell survival. Cellular oxygen deprivation, also known as hypoxia, leads to various responses that aim to increase cellular oxygen delivery and reduce oxygen consumption. Oxygen homeostasis is mainly regulated by the hypoxia-inducible factor (HIF), which regulates the expression of over 300 genes in response to hypoxia. The stability of HIF is regulated by the HIF prolyl 4-hydroxylases (HIF-P4Hs), enzymes that catalyze the hydroxylation of proline residues in HIFα subunits and target them towards proteasomal degradation. HIF-P4Hs require oxygen as a cosubstrate for the reaction, allowing for hypoxic HIF stabilization and target gene induction at low oxygen concentrations. In this study we investigated the role of HIF-P4H-2 in the regulation of red blood cell production, erythropoiesis. We showed that Tibetans living at high altitude have genetically adapted to their hypoxic environment via mutations in the gene encoding for HIF-P4H-2. The Tibetan HIF-P4H-2 D4E,C127S variant showed enhanced hydroxylation of HIFα at low oxygen concentrations, resulting in reduced HIFα protein stabilization under hypoxia. In other studies we used a genetically modified HIF-P4H-2 hypomorphic mouse line which expresses a reduced amount of wild-type Hif-p4h-2 mRNA in tissues. We showed that these mice develop mild age-dependent erythrocytosis due to splenic extramedullary erythropoiesis, which is independent of serum erythropoietin concentration. In addition, these mice were protected against inflammation-induced anemia, a condition commonly seen in patients with inflammatory diseases. The HIF-P4H-2 hypomorphic mice also had altered basal metabolism in their skeletal muscles, which, together with an increase in mean capillary area, reduced their infarct size after skeletal muscle ischemia-reperfusion injury. These studies suggest that pharmacological HIF-P4H-2 inhibition may provide a novel treatment for EPO-resistant anemias and peripheral artery disease. / Tiivistelmä Riittävä hapensaanti on välttämätöntä aerobisten solujen selviytymiselle. Solun alentunut hapen määrä, toiselta nimeltään hypoksia, johtaa useisiin vasteisiin joiden tarkoituksena on turvata solun hapensaanti ja vähentää hapenkulutusta. Happitasapainoa säätelee hypoksiassa indusoituva tekijä (HIF), joka aktivoi yli 300 geenin luentaa hypoksisissa oloissa. HIFα:n määrää soluissa säätelevät HIF prolyyli-4-hydroksylaasientsyymit (HIF-P4H:t), jotka hydroksyloivat proliini-aminohappotähteitä HIFα-alayksiköissä ja ohjaavat ne proteasomaaliseen hajotukseen. HIF-P4H:t tarvitsevat reaktiossa happea mahdollistaen HIF:n stabilisaation ja kohdegeenien lisääntyneen luennan matalassa hapen osapaineessa. Tässä tutkimuksessa selvitimme HIF-P4H-2-entsyymin roolia punasolujen muodostuksen eli erytropoieesin säätelyssä. Osoitimme, että korkealla vuoristossa asuvat tiibetiläiset ovat geneettisesti sopeutuneet hypoksiseen elinympäristöönsä johtuen HIF-P4H-2-entsyymiä tuottavan geenin mutaatiosta. Tiibetiläisiltä löytynyt HIF-P4H-2D4E,C127S variantti hydroksyloi tehokkaammin HIFα-alayksiköitä matalassa hapen osapaineessa johtaen vähäisempään HIFα-alayksiköiden stabiloitumiseen hypoksiassa. Muissa tutkimuksissamme käytimme geneettisesti muunneltua HIF-P4H-2-hiirikantaa, joka tuottaa alentunutta määrää villityypin Hif-p4h-2 lähetti-RNA:ta kudoksissaan. Näille hiirille kehittyi ikäriippuvaisesti lievä punasoluylimäärä eli erytrosytoosi johtuen pernan kiihtyneestä punasolutuotannosta riippumatta seerumin erytropoietiinikonsentraatiosta. Lisäksi nämä hiiret olivat suojassa tulehduksen aiheuttamalta anemialta, joka on yleinen ilmiö tulehduksellisista sairauksista kärsivillä potilailla. HIF-P4H-2-muuntogeenisten hiirten lihasten energia-aineenvaihdunta oli muuttunut siten, että se yhdessä suurentuneen keskimääräisen kapillaaripinta-alan kanssa pienensi vaurioituneen kudoksen pinta-alaa alaraajaiskemia-altistuksen jälkeen. Nämä tutkimukset osoittavat, että lääkkeellinen HIF-P4H-2-entsyymin estäminen on mahdollinen uusi hoitomuoto erytropoietiinille resistenteissä anemioissa sekä alaraajojen valtimoahtaumataudissa.

Abstract Oxygen is essential for aerobic organisms, as shortage of oxygen (hypoxia) can induce cellular dysfunctions and even cell death, leading to tissue damage and decreased viability of the organism. Oxygen homeostasis is regulated delicately by several mechanisms, the major one being the hypoxia-inducible factor (HIF) pathway that is evolutionarily conserved. HIFα subunits are regulated in an oxygen-dependent manner via three HIF prolyl 4-hydroxylases (HIF-P4Hs). In the presence of oxygen HIF-P4Hs modify HIFα, which leads to its degradation, whereas in hypoxia the HIF-P4H enzymes cannot function and HIFα is stabilized. HIF regulates more than 300 genes that enhance oxygen delivery from the lungs to tissues and reduce oxygen consumption in tissues, such as those for erythropoietin and vascular endothelial growth factor. When a tissue suffers from hypoxia caused by a circulatory restriction, the situation is called ischemia. In this study we used a genetically modified HIF-P4H-2 hypomorph mouse line that expresses 8% of the wild-type Hif-p4h-2 mRNA in the heart and 19% in skeletal muscle, and has HIFα stabilization in both tissues. We showed that chronic HIF-P4H-2 deficiency leads to protection against acute ischemic injury both in the heart and in skeletal muscle. The protection was mainly due to enlarged capillaries and better perfusion in both tissues. Hypoxia is known to decrease body weight. The observation of the HIF-P4H-2 deficient mice being leaner than their wild-type littermates led us to study their body constitution, metabolism and adipose tissue in detail. We discovered that chronic HIF-P4H-2 deficiency protects against obesity and several metabolic dysfunctions including diabetes and metabolic syndrome. These beneficial outcomes were mimicked when a pharmacological pan-HIF-P4H inhibitor was administered to wild-type mice. In these studies we showed that pharmacological HIF-P4H-2 inhibition may provide a novel treatment for diseases such as acute myocardial infarction, peripheral artery disease and metabolic disorders. / Tiivistelmä Happi on edellytys aerobisen eliön, kuten ihmisen, elämälle; hapen niukkuus (hypoksia) voi johtaa monenlaisiin solun toimintahäiriöihin, jotka voivat edelleen aiheuttaa solun kuoleman, kyseisen kudoksen vaurion, ja lopulta eliön elinkyvyn heikkenemisen. Happitasapainoa säädellään monilla menetelmillä, joista merkittävin on hypoksiassa indusoituvasta tekijästä (HIF) riippuvainen reitti, joka on evoluutiossa säilynyt. HIFα alayksiköitä säätelee hapesta riippuvaisesti kolme HIF prolyyli 4-hydroksylaasia (HIF-P4Ht). Hapen läsnä ollessa HIF-P4H on aktiivinen ja johtaa HIFα:n hajottamiseen, kun taas hypoksiassa HIF-P4H entsyymit eivät voi toimia ja siten HIFα stabiloituu. HIF säätelee yli 300 geeniä, jotka edistävät hapen kuljetusta ja pääsyä keuhkoista kudoksiin sekä vähentävät hapenkulutusta. Näitä geenejä ovat mm. erytropoietiini sekä vaskulaarinen endoteelikasvutekijä. Kudoksen heikentyneestä verenkierrosta johtuvaa hapenpuutetta kutsutaan iskemiaksi. Tässä tutkimuksessa käytimme geneettisesti muunneltua HIF-P4H-2 hypomorfi-hiirikantaa, joka tuottaa Hif-p4h-2 lähetti-RNA:ta sydämessä vain 8 % ja luurankolihaksessa 19 % villityypin määrästä, ja jolla on HIFα stabiloituneena molemmissa kudoksissa. Osoitimme, että krooninen HIF-P4H-2:n puute suojaa sekä sydäntä että luurankolihasta akuutissa iskemiassa. Vaikutus johtui pääasiassa suuremmista kapillaareista ja paremmasta perfuusiosta molemmissa kudoksissa. Aikaisempien tutkimusten perusteella tiedetään, että hypoksia alentaa painoa. Huomio siitä, että HIF-P4H-2 puutteiset hiiret ovat hoikempia kuin villityypin sisaruksensa, johti meidät tutkimaan hiirten kehon koostumusta, aineenvaihduntaa ja rasvakudosta tarkemmin. Tutkimuksissamme selvisi, että krooninen HIF-P4H-2:n puute suojaa lihavuudelta ja monelta aineenvaihdunnan häiriöltä kuten sokeritaudilta ja metaboliselta oireyhtymältä. Nämä edulliset vaikutukset toistuivat, kun annoimme villityypin hiirille pan-HIF-P4H inhibiittoria. Kaiken kaikkiaan, näissä tutkimuksissa osoitimme, että lääkkeellinen HIF-P4H-2:n estäminen voi tarjota uuden keinon sydäninfarktin, luurankolihasiskemian ja aineenvaihdunnan häiriöiden hoitoon.