Numerous three-dimensional model systems have emerged for emulating the biochemical and physiological states of native tissue. Yet little is known about the effects of mechanical forces on cell behavior in the context of an organized tissue structure in three-dimensional cell-culture. Epithelial cells cultured in a three-dimensional environment comprised of extracellular matrix proteins form spheroids of polarized cells. Cellular responses to mechanical cues, generated from dynamic interactions with the extracellular matrix and neighboring cells, are known to influence cellular behavior to a great extent. Previous studies have shown that tumorigenic progression has been frequently linked to the down regulation of E-cadherin, a cell-cell adhesion protein. This work proposes that E-cadherin plays a pivotal role in maintaining epithelial tissue integrity and homeostasis. Novel FRET-based biosensors were used to measure force across E-cadherin. First, I observed that 3D acini had significantly higher force than 2D monolayers. Next, I determined that low-force mutant phenotypes of E-cadherin resulted in impaired lumen formation. In order to examine the effects of E-cadherin force on the disruption of homeostasis, TGF-b was used to induce epithelial to mesenchymal transition (EMT). TGF-b resulted in a decrease in E-cadherin force, even at early time points prior to transcriptional changes. Forskolin, a known regulator of acini lumen size, was shown to increase E-cadherin force. Furthermore, forskolin was able to prevent TGF-b disruptions in acini homeostasis. Finally, I examined how changes in substrate stiffness, known to affect acini lumen structure, altered E-cadherin forces. Stiffer substrates (mediated by collagen doping of Matrigel) delivered higher E-cadherin forces while simultaneously including acinar luminal filling. It is possible that signaling through non-junction forces, due to changes in ECM proteins, may mediate loss of the lumen. Thus, the major conclusion of these studies is that higher E-cadherin force is required for the formation and maintenance of a single central lumen in epithelial acini. Lower junctional forces induced acinar luminal filling, possibly through disruption in the polarity and subsequent cellular reorganization. This work, thus, establishes the role of E-cadherin as a key regulator of tissue homeostasis.

Abstract Angiopoietins 1 and 2 (Ang1 and Ang2) are the ligands of the Angiopoietin/Tie signalling system, which is a binary pathway offering mechanisms for healthy vessels to reach and maintain their quiescence but also to rapidly respond to activating stimuli leading to a remodelling of endothelium. The latter is linked to disease settings such as inflammation and cancer where endothelial cell (EC) integrity is compromised and is often related to an increase in Ang2 expression. This study focused on the mechanisms enabling Ang1 to mediate both EC stability and migration and molecular and cellular determinants for ligand-specific functions of Ang2 and its isoform Ang2443. The findings revealed that Ang1 induces differential signalling depending on whether it anchors and activates Tie2 in cell-cell junctions in quiescent ECs, or in cell-matrix contacts in mobile ECs, thus leading to cellular phenotypes characteristic of resting and mobile ECs, respectively. In the second part of the thesis Ang2-Tie2 specific cell-extracellular matrix (ECM) contact sites were studied. Formation of Ang2/Tie2 EC-ECM contact sites was dependent on the collagen I and IV matrices, low Ang2 oligomerization state, α2β1-integrins, and intact microtubules. In the third part of the thesis the comparison of Ang2 mRNA splice variant Ang2443 with full length Ang2 (Ang2FL) revealed both redundant and ligand form–specific effects, expression of Ang2443443 increased the amount of monomeric ligand forms due to proteolytic processing and promoted transendothelial migration of cancer cells in vitro. On the other hand, both Ang2443 and Ang2FL were stored in endothelial Weibel-Palade bodies (WPBs), similarly induced Ang2-specific Tie2 cellular redistribution, and were mostly comparable in developmental angio- and lymphangiogenesis. / Tiivistelmä Angiopoietiinit 1 ja 2 (Ang1 ja Ang2) ovat Ang/Tie signalointireitin kasvutekijöitä. Ang1 kasvutekijää tarvitaan sydämen ja verisuoniston sikiöaikaiseen kehittymiseen, se vähentää Tie2 reseptorin kautta verisuonten läpäisevyyttä, mutta edistää myös yksittäisten endoteelisolujen liikkumista. Saman Tie2 signalointireitin toisen kasvutekijän Ang2:n ilmeneminen johtaa verisuonten läpäisevyyden kasvuun tulehduksessa, uusien verisuonten muodostumiseen syöpäkasvaimissa ja syöpäsolujen leviämiseen elimistössä. Väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin niitä solutason mekanismeja, joilla Ang1 kykenee välittämään sekä endoteelisolujen tiiviyttä että liikkumista. Lisäksi tutkittiin niitä molekyyli- ja solutason mekanismeja, joilla Ang2 ja sen isomuoto Ang2443 välittävät kasvutekijäspesifisiä vaikutuksiaan. Väitöskirjassa osoitettiin että Tie2 reseptori paikantuu verisuonten endoteelisoluissa Ang1 sitoutumisen seurauksena joko solu-soluliitoksiin, tai yksittäisissä endoteelisoluissa solu-soluväliaine rajapinnalle. Tie2:n siirtyminen solu-soluliitoksiin aktivoi soluissa signalointireittejä, jotka ovat tyypillisiä normaaleille tiiviille verisuonille ja solu-soluväliaineliitoksissa liikkuville endoteelisoluille tyypillisiä piirteitä. Väitöskirjatyön toisessa osassa tutkittiin Ang2:lle ominaisia vaikutuksia ja Ang2-Tie2 kompleksin paikantumista erityisiin solu-soluväliaineliitoksiin. Tämä oli riippuvaista Ang2:n oligomerisaatiosta, kollageenisoluväliaineesta, α2β1-integriinistä ja normaalista mikrotubulusverkostosta. Väitöskirjatyön kolmannessa osassa osoitettiin että Ang2443 isomuodolla on sekä yhteisiä että isomuotospesifisiä piirteitä verrattuna kokopitkään Ang2:een (Ang2FL). Liukoinen Ang2443, mutta ei Ang2FL, esiintyi yleisesti monomeerisenä ligandimuotona proteiinin multimerisaatio-osan pilkkomisen seurauksena. Ang2443 lisäsi myös syöpäsolujen liikkumista endoteelisolujen läpi. Toisaalta sekä Ang2443 että Ang2FL varastoitiin endoteelisoluissa Weibel-Palade varastokappaleisin, ne välittivät samanlaista Tie2 reseptorin paikantumista endoteelisoluissa ja toimivat pääsääntöisesti samanlaisina kasvutekijöinä veri- ja imusuonten kehityksen aikana hiiressä.