Abstract Chronic overload of the heart is the major cause of left ventricular hypertrophy (LVH) and eventually heart failure. It is generally accepted that autocrine/paracrine factors, such as angiotensin II (Ang II) and endothelin-1 (ET-1) contribute to the development of LVH. Cardiac hypertrophy and failure are characterized by attenuated responsiveness to β- adrenergic stimulation and accumulation of collagenous material to the left ventricular wall. The present study aimed to characterize the roles of ET-1 and Ang II in the regulation of cardiac function. The role of the plasmamembrane Ca2+-ATPase (PMCA) in ET-1 induced cardiac responses and the role of type XV collagen in cardiac function were also studied. Both ET-1 infusion and mechanical loading were able to induce positive inotropic effect and induction of early response genes in isolated perfused hearts. ET-1 also induced strong vasoconstriction. Cardiomyocyte-specific PMCA overexpression inhibited the ET-1 induced hypertrophic response, while inotropic response remained unaltered. ET-1 was found to induce release of adrenomedullin (AM), a potent vasorelaxing and inotropic peptide. Infusion of AM antagonized the vasoconstrictive effect of ET-1 independently of nitric oxide. In hypertrophied rat hearts ET-1 was found to contribute significantly to the Frank-Starling response, a fundamental mechanism regulating contractile performance of the heart. In mice hearts, ET-1 was found to play a dual role in load induced elevation of contractile strength: ETA receptors mediated an increase, while ETB receptors mediated an inhibitory effect on contrcatile force. Ang II was not contributing to the contractile response to load in either rat or mice hearts. Blunted response to β-adrenergic stimulus and increased vulnerability as a result of exercise was observed in mice lacking collagen XV. In conclusion, the present results underscore the importance of the local factors, especially ET-1, in regulation of cardiac function, not only in terms of hypertrophic but also in terms of contractile response to load. The results also suggest a role for PMCA in regulation of cardiac function. Lack of type XV collagen was found to result in cardiac dysfunction with many features similar to those of early heart failure.

Abstract Collagen XV is a proteoglycan localized in the outermost layer of the basement membrane (BM) and in the fibrillar matrix. Although it is widely distributed in many tissues, its amount is generally low. It is characterized by a highly interrupted collagenous domain flanked by large globular domains and attached glycosaminoglycan chains, thus also being identified as a chondroitin sulphate proteoglycan. The C-terminal end of collagen XV, termed restin, has proved to have antiangiogenic effects. In view of its location in the outermost layer of the lamina densa and in association with interstitial collagen fibrils near BMs, it has been suggested that collagen XV may form a bridge between the fibrillar collagen matrix and the BMs. In vivo studies of mice lacking collagen XV have demonstrated that collagen XV is needed as a structural component to stabilize the skeletal muscle cells and capillaries. The role of collagen XV in the extracellular matrix (ECM) was studied using a mouse model lacking the gene of interest (Col15a1-/-). The matrix of peripheral nerves, skeletal muscle, heart and the uterus during pregnancy was analysed at several time points, and peripheral nerve development was evaluated in a mouse model lacking collagen XV and the laminin α4 chain simultaneously as well as in Col15a1-/- mice. The function of collagen XV in the heart was analysed in young, adult and old mice separately. The results indicate that collagen XV is needed for organizing collagen fibrils into proper bundles in the cardiac ECM. In the developing nerve it regulates collagen fibril size and the organization of the fibrils within the collagen bundle. In mature nerves and skeletal muscles it structures the BM–fibrillar matrix interphase, and in the uterus of pregnant mice it participates in fibrillar collagen remodelling, affecting the lateral fusion of collagens into thick fibrils. Even delicate changes in the matrix can lead to an alteration in the functioning of certain organs. Abnormal C-fibrils, polyaxonal myelination and decreased sensory conduction velocity were observed in the Col15a1-/- peripheral nerves, and a simultaneous lack of collagen XV and the laminin α4 chain resulted in more severe and permanent impairment of the segregation and myelination of the nerve axons. A complex cardiac phenotype was observed in the Col15a1-/- mice, predisposing them to cardiomyopathy. / Tiivistelmä Kollageeni XV on proteoglykaani, jonka lokalisaatio on tyvikalvon uloimmassa kerroksessa ja soluväliaineen säikeissä. Vaikka sitä tuotetaan laajalti useissa eri kudoksissa, sitä on määrällisesti vähän kudoksissa. Kollageenin XV ominaisuuksiin kuuluvat useat katkokset kollageenisilla alueilla, globulaariset alueet proteiinin päissä, sekä siihen kiinnittyneet glykosaminoglykaaniketjut, jotka on tunnistettu kondroiittisulfaatiksi. Kollageenin XV C-terminaalisella osalla, jota kutsutaan restiniksi, on osoitettu olevan antiangiogeneettisiä vaikutuksia. Ottaen huomioon kollageeni XV lokalisaation tyvikalvon uloimmassa kerroksessa, ja sen liittymisen säikeisiin kollageeneihin lähellä tyvikalvoa, on ehdotettu että sen tehtävänä olisi toimia yhteys-siltana säikeisten kollageenien ja tyvikalvon välillä. In vivo tutkimuksissa kollageeni XV poistogeenisillä hiirillä on osoitettu, että kollageenia XV tarvitaan rakenteellisena osana stabiloimaan luurankolihasta sekä hiussuonia. Kollageenin XV merkitystä sidekudoksessa tutkittiin käyttäen hiirimallia, jolta puuttuu kyseinen geeni (Col15a1-/-). Ääreishermojen, luurankolihaksen, sydämen ja kohdun soluväliainetta analysoitiin eri-ikäisillä hiirillä. Lisäksi ääreishermojen kehitystä tutkittiin hiirimallilla, jolta puuttuu sekä kollageeni XV että laminiini α4-ketju samanaikaisesti, sekä Col15a1-/- hiirillä. Kollageenin XV tehtävää sydämessä analysoitiin nuorilla, aikuisilla ja ikääntyneillä Col15a1-/- hiirillä. Tulokset viittaavat kollageeni XV merkittävään rooliin soluväliaineen järjestäytymisessä, erityisesti kollageenisäikeiden järjestäytymisessä kimpuiksi sydämen soluvälitilassa. Kehittyvässä hermossa sen tehtävä on säädellä säikeisten kollageenien läpimittaa sekä säikeiden järjestäytymistä säiekimpun sisällä. Täysin kehittyneessä hermossa ja luurankolihaksessa se strukturoi tyvikalvon ja säikeisen soluväliaineen välitilaa, kun taas raskaana olevien hiirien kohdussa se osallistuu säikeisten kollageenien muokkaukseen, vaikuttamalla kollageenien paksuuntumiseen lateraalisen fuusion kautta. Jopa hienoiset muutokset soluväliaineen rakenteessa voivat johtaa muutoksiin elinten toiminnassa. Epämuodostuneita C-säikeitä, polyaksonaalista myelinisaatiota ja hidastunutta sensorista johtonopeutta todettiin Col15a1-/- perifeerisissä hermoissa. Samanaikainen kollageenin XV ja laminiini α4-ketjun puutos johtivat vaikeampaan ja pysyvämpään haittaan hermon aksonien segregaatiossa ja myelinisaatiossa. Col15a1-/- hiirillä todettiin monimuotoinen sydämen ilmiasu, joka altistaa hiiret kardiomyopatialle.

Abstract Transgenic mice were used to evaluate the roles of collagens XV and XVIII in retinal vessel development and to examine the roles of collagen XV and laminin α4 in peripheral nerve development and function. Also, in vitro methods were used to study the functions of recombinant, full-length human collagen XV produced in insect cells. The lack of collagen XVIII alone was found to result in overproliferation of astrocytes in the mouse retina and deficient vascularization of the retina, which was ultimately rescued by the persistent hyaloid vessels. VEGF mRNA expression was appropriately regulated in the retina of the collagen XVIII deficient mice, which also showed reduced susceptibility to oxygen-induced neovascularization. Lack of collagen XV alone had no obvious effect on the mouse eye, but an abnormal migration of astrocytes onto the persistent hyaloid vessels could be seen in mice lacking both collagens XVIII and XV. Recombinant full-length human collagen XV was seen in rotary shadowing EM as an extended protein with numerous kinks and a globular domain at its N-terminus. The mean length of the molecules was 241 nm and they had a tendency to form aggregates. Collagen XV attaches to the collagen binding region of fibronectin and to a lesser extent to vitronectin and laminin. It was rapidly bound to cultured cells with a staining pattern co-localizing with fibronectin. Collagen XV was also found to inhibit the adhesion and migration of cells in vitro. Lack of collagen XV in mice was found to result in ultrastructural abnormalities in the sciatic nerves, such as polyaxonal myelination and more loosely packed C-fibres, mild impairment of BM assembly and mild motor dysfunction with a lower sensory nerve conduction velocity. Polyaxonal myelination and a failure in the segregation of axons were evident in laminin α4 null mice, which also had diminished amounts of C-fibres, BM abnormalities, diminished myelin and a greater myelin period compared with wild-type mice. They performed poorly in the round beam test and showed diminished compound muscle action potentials. A simultaneous lack of collagen XV and laminin α4 resulted in a permanent defect in the segregation of axons and C-fibre development. The performance of the double null mice on the round beam was poor relative to the other genotypes. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu kollageenien XV ja XVIII merkitystä silmän verkkokalvon verisuonituksen kehittymiselle sekä kollageeni XV:n ja laminiini α4:n merkitystä ääreishermon kehittymiselle ja toiminnalle käyttäen hyväksi muuntogeenisiä hiiriä. Lisäksi tässä työssä on käytetty in vitro –menetelmiä hyönteissoluissa yhdistelmä-DNA-tekniikalla tuotetun kollageeni XV:n toiminnan tutkimiseksi. Kollageeni XVIII:n puutteen todettiin johtavan verkkokalvon astrosyyttien määrän lisääntymiseen sekä verkkokalvon suonituksen kehittymiseen epänormaalilla tavalla lasiaissuonista, jotka eivät olleetkaan hävinneet kehityksen aikana. VEGF:n lähetti-RNA:n ilmentyminen oli asianmukaisesti säädelty eri verkkokalvon alueilla kollageeni XVIII:n suhteen poistogeenisillä hiirillä, joilla kehittyi myös vähemmän uudissuonia matalalle hapen osapaineelle altistamisen jälkeen. Kollageeni XV:n puute ei johtanut havaittaviin muutoksiin silmässä, mutta molempien kollageenien XV ja XVIII puuttuessa havaittiin silmässä epänormaalia astrosyyttien soluvaellusta lasiaissuonten päälle. Tässä väitöskirjatyössä osoitetaan, että yhdistelmä-DNA-tekniikalla tuotettu kokopitkä ihmisen kollageeni XV näytti elektronimikroskopiassa pitkältä molekyyliltä, jonka pituus oli keskimäärin 241 nm ja joka sitoutui helposti toisiin kollageeni XV -molekyyleihin. Kollageeni XV sitoutuu fibronektiinin kollageenia sitovaan osaan sekä vitronektiiniin ja laminiiniin. Viljeltyihin soluihin kollageeni XV sitoutui siten, että vasta-ainevärjäyksellä todettiin sen paikallistuvan samoille alueille fibronektiinin kanssa. Kollageeni XV:n todettiin myös vähentävän solujen kiinnittymistä ja liikkumista. Hiirissä kollageeni XV:n puutoksen todettiin johtavan iskiahermoissa polyaksonaaliseen myelinisaatioon, C-säikeiden lievään kehityshäiriöön, tyvikalvon koostumuksen häiriöön, lieviin motorisiin vaikeuksiin ja matalampaan tuntohermojen johtonopeuteen. Laminiini α4 –puutteisilla hiirillä oli todettavissa myös polyaksonaalista myelinisaatiota ja lisäksi häiriö aksonien erottelussa. Niiden hermoista löytyi myös tyvikalvon epämuodostumia, vähemmän myeliiniä ja C-säikeitä sekä suuremmat myeliinijaksot verrattuna villityypin hiiriin. Ne selviytyivät huonosti kävelytestissä ja niiden lihasten aktiopotentiaalit olivat pienemmät kuin kontrollihiirillä. Samanaikainen kollageeni XV:n ja laminiini α4:n puutos johti pysyvään aksonien erottelun ja C-säikeiden kehittymisen häiriöön. Kävelytestissä tuplapoistogeeniset hiiret selviytyivät huonoiten muihin genotyyppeihin verrattuna.