Abstract In this work the type XVIII collagen has been studied by using several approaches, such as different animal models. The primary structure of frog, Xenopus laevis, type XVIII collagen and the expression pattern of its variants during early embryogenesis have been elucidated. The gene structure of human type XVIII collagen was characterized and the localization and processing of its longest variant was studied by generated antibodies. In addition, the function of the proteolytically released C-terminal part of type XVIII collagen, endostatin, was studied by generating transgenic mice expressing endostatin. The primary structure of X. laevis type XVIII collagen is comprised of three N-terminal variants resembling their mammalian counterparts. The sizes of the polypeptides are 1285, 1581, and 1886 residues. The most conserved regions are the C-terminal endostatin region and the cysteine-rich domain in the N-terminus. Whole-mount in situ hybridization reveals different expression patterns for variants during embryogenesis. The short variant is the most abundant, whereas the two longest variants exhibit more restricted expression. The gene structure of human type XVIII collagen reveals an exon-intron organization that is conserved with mouse. The length of the human gene is about 105 kb and contains 43 exons. The third variant of type XVIII collagen has a conserved cysteine-rich domain with homology to the extracellular part of frizzled proteins. This third variant is localized to developing muscle and lung, and is also found in serum. In cell culture, the proteolytic fragments of the N-terminus, including the cysteine-rich motif, are also detected. Endostatin function was studied by generating mouse lines expressing endostatin under the keratin-14 promoter, which drives the expression mainly in the skin. Three independent transgenic mouse lines were achieved with varied expression levels. The phenotype was seen in the eye with lens opacity and abnormal morphology of epithelial cells in the lens. In the skin, a broading of the basement membrane in the epidermis dermis junction was detected. Immunoelectron microscopy analysis revealed a polarized orientation of type XVIII collagen in the basement membrane. In transgenic mice, altered localization of endogenous type XVIII collagen was seen, suggesting displacement of the endogenous type XVIII collagen with transgenic endostatin leading to disorganized basement membrane.

Abstract Collagen XVIII is a basement membrane proteoglycan, which has three variant N-termini. These variants are coded by two promoters; promoter 1 directs the synthesis of a short variant and promoter 2 directs the synthesis of two longer variants, of which the middle variant is generated from the longest by splicing. The longest variant contains a cysteine-rich domain in its N-terminus, which shows homology to the frizzled receptors of the Wnt molecules and can inhibit Wnt/beta-catenin signalling in vitro. The C-terminal domain of collagen XVIII, endostatin, is an inhibitor of tumor growth and angiogenesis. Lack of collagen XVIII accelerates cutanous wound healing and wound angiogenesis. Overexpression of endostatin leads to delayed wound healing and the presence of morphologically abnormal wound capillaries. Moreover, endostatin overexpression leads to delayed formation of the wound epidermal basement membrane and impaired maturation of hemidesmosomes. Endostatin treatment decreases osteoblast proliferation in vitro. Moreover, osteoblast proliferation and mineralization of the matrix by osteoblasts are inhibited when cells are treated with endostatin together with VEGF. In vivo, lack of collagen XVIII leads to delayed formation of secondary ossification centers in mouse femurs, whereas overexpression of endostatin leads to a slower growth of bone length. However, both of these changes are transient and mild, suggesting that collagen XVIII/endostatin is not essential for skeletal development. The growth of hair follicles is delayed in the mice overexpressing endostatin. This delay in growth is preceded by an impaired hair follicle associated angiogenesis. Lack of collagen XVIII causes an accelerated onset of the first hair cycle. A similar change can be seen in mice lacking the long variants of collagen XVIII. Lack of the short variant causes mild acceleration in the catagen of the first cycle, and anagen is also significantly accelerated in these mice. The long variants were located in the bulge region, which contains the hair follicle stem cells, and in the basement membrane surrounding the dermal papilla. As it is known that several Wnt-inhibitors are upregulated in the bulge, our results suggest that the longest variant of collagen XVIII may have a role as a regulator of Wnt-signalling in hair follicles.

Abstract Skin stem cells are essential for maintaining epidermal homeostasis by providing new cells to replace those that are lost during normal tissue turnover and repair after injury. Adult epidermal stem cells serve also as the cells of origin for different types of skin cancers. This PhD study investigates the hair follicle (HF) stem cells and skin cancer, and the microenviromental factors that regulate the initiation of tumors and their progression to malignancy. Collagen XVIII is a common basement membrane multidomain proteoglycan highly expressed in HF stem cells (HFSCs) and in malignant skin squamous carcinoma cells. It is known to be essential for the development of the eye, and mutations in the COL18A1 gene cause a rare disease, Knobloch syndrome, with severe eye defects. However, the roles of collagen XVIII in other tissues and diseases are not well understood. Using genetically modified mice, we show here that collagen XVIII is important for the structure and formation of hemidesmosomes, the junctional complexes between epidermal cells and basement membrane. We propose that the disturbed adhesion of the HFSCs to the underlying BM in mice with collagen XVIII ablation leads to defects in stem cell viability and HF cycling. Overexpression of the N-terminal noncollageous sequences of collagen XVIII were sufficient to rescue the abnormal HF phenotype observed in the absence of collagen XVIII. We also found that mice lacking this collagen develop fewer chemical-induced skin tumors, which we suggest is due to increased apoptosis in skin stem cells upon carcinogen-induced DNA damage, and to reduced stemness of tumor cells. In another project we studied the functions of Bmx, a cytoplasmic protein tyrosine kinase, which is upregulated in different types of cancer. However, little is known about the pathways that Bmx regulates in tumors. Therefore, we investigated its roles in cancer using syngeneic tumor assays, and chemical and genetic experimental tumor models. We show here that Bmx promotes tumor growth and progression and induces tumor angiogenesis by contributing to the transduction of VEGF signals. / Tiivistelmä Ihon kantasoluilla on tärkeä tehtävä ihon epidermiksen tasapainon (homeostaasin) ylläpitämisessä. Kantasolut jakautuvat tarvittaessa ja tuottavat uusia erilaistuneita soluja sekä ihon pintasolukon normaalin uusiutumisen että vahingoittuneen kudoksen korjaamisen yhteydessä. Ihon kantasoluilla uskotaan olevan myös tärkeä rooli erilaisten ihosyöpien synnyssä. Tässä tutkimuksessa tutkittiin ihon karvatupen kantasoluja ja ihosyöpää, ja selvitettiin kantasoluja ympäröivän kudoksen, mikroympäristön (kantasolulokero), merkitystä ihosyövän synnyssä ja etenemisessä. Kollageeni XVIII on useista toiminnallisista osista koostuva tyvikalvojen proteoglykaani, joka ilmenee voimakkaasti ihon karvatupen kantasoluissa, sekä ihon pahanlaatuisissa levyepiteelikarsinoomasoluissa. Vaikka kollageeni XVIII:n biologiset tehtävät elimistössä ovat vielä jokseenkin epäselviä, sen tiedetään olevan välttämätön silmän kehittymiselle. Kollageeni XVIII:n geenimutaatioiden on osoitettu aiheuttavan Knoblochin oireyhtymän, jota sairastavilla potilailla on muutoksia silmän rakenteessa. Tässä väitöskirjatyössä hyödynnettiin useita muuntogeenisiä hiirimalleja ja osoitettiin, että kollageeni XVIII säätelee merkittävästi ihon karvatupen erilaistuvien solujen elinkykyä ja karvojen kasvukiertoa. Kollageeni XVIII:n puutos aiheutti muutoksia karvatupen pullistuma-alueen (bulge) liitoskomplekseissa (hemidesmosomi), jotka ankkuroivat alueen tyvisolut karvatuppea ympäröivään tyvikalvoon. Tulokset viittaavat siihen, että puutteelliset liitokset solujen ja tyvikalvon välillä ja niistä johtuvat signaalinvälityksen häiriöt voivat aiheuttaa muutoksia karvatupen solujen ominaisuuksissa. Kollageenin XVIII:n aminoterminaalisen osan tuottaminen poistogeenisen hiiren ihossa riitti palauttamaan hemidesmosomit, karvatupen solujen elinkyvyn ja karvasyklin normaaliksi. Työssä havaittiin myös, että kollageeni XVIII puute vähensi kemikaalikäsittelyillä aiheutettujen ihokasvainten määrää hiirillä, mitä voidaan osaltaan selittää sillä, että kollageeni XVIII:n puutos lisäsi DNA-vaurioista kärsivien erilaistuvien solujen ohjelmoitua solukuolemaa (apoptoosi) ja vähensi kasvainsolujen kantasoluominaisuuksia. Tässä työssä tutkittiin myös monissa syövissä voimakkaasti ilmenevän solunsisäisen signaalinvälittäjän tyrosiinikinaasi Bmx:n tehtäviä syövässä hyödyntäen istutettavia kasvainsoluja sekä kemiallista ja geneettisiä kokeellisia syöpämalleja muuntogeenisillä hiirillä. Tutkimuksessa ositettiin Bmx:n osallistuvan verisuonikasvutekijän signaalinvälitykseen ja täten edistävän syöpäkasvainten verisuonten uudismuodostusta sekä syövän kasvua ja etenemistä.

Abstract Collagen XVIII is a multidomain basement membrane proteoglycan with three tissue-specific isoforms. Endostatin, the C-terminal part of collagen XVIII, has antiangiogenic properties, while the frizzled-like domain of the longest isoform is suggested to be capable of inhibiting the Wnt/β-catenin signaling network. This study utilized several genetically modified mouse lines and electron microscopy to achieve new information on the biological role of collagen XVIII, its different isoforms, and the frizzled domain. Lack of collagen XVIII was found to affect the integrity of basement membranes of various tissues, leading to an abnormally loosened network structure. In the choroid plexus, the change in the basement membrane ultrastructure caused alterations in the production of the cerebrospinal fluid and predisposed to the development of hydrocephalus. In the kidney, broadening of the proximal tubular basement membrane was shown to be due specifically to the lack of the short isoform, while the lack of the two longer isoforms led to podocyte foot process effacement. Moreover, lack of collagen XVIII was found to cause softening of the kidney glomeruli and the levels of serum creatinine were elevated in the mutant animals, indicating altered kidney function. The hair follicle cycle was used as a model to study the possible role of the frizzled domain of collagen XVIII in the Wnt/β-catenin signaling cascade. The longer collagen XVIII isoforms were shown to be expressed in the basement membrane facing the dermal papilla and in the hair follicle bulge, containing the follicular stem cells. Lack of the long isoforms led to abnormalities in the progression of the first hair cycle, and the phenotype could be rescued via transgenic delivery of the frizzled domain of the longest isoform, suggesting its involvement in the regulation of the Wnt/β-catening signaling network during the cyclic growth of the hair. / Tiivistelmä Kollageeni XVIII on useista toiminnallisista osista koostuva tyvikalvojen proteoglykaani, jolla on kolme eri kudoksissa esiintyvää isomuotoa. Sen C-terminaalisella endostatiini-osalla on verisuonten kasvua estäviä vaikutuksia, kun taas pisimmän isomuodon frizzled-osan uskotaan estävän Wnt/β-kateniini signalointireitin toimintaa. Tässä tutkimuksessa saatiin uutta tietoa kollageeni XVIII:n, sen eri isomuotojen sekä frizzled-osan biologisesta merkityksestä useiden geenimuunneltujen hiirimallien sekä elektronimikroskopian avulla. Kollageeni XVIII:n puutoksen todettiin vaikuttavan tyvikalvojen rakenteen eheyteen useissa eri kudoksisssa, johtaen epänormaalisti löyhtyvään verkkorakenteeseen. Suonipunoksessa tämä tyvikalvon hienorakenteen muutos vaikutti aivo-selkäydinnesteen tuottumiseen ja altisti vesipään kehittymiselle. Munuaisessa proksimaalisen munuaistiehyen tyvikalvon levenemisen osoitettiin johtuvan lyhyen isomuodon puutoksesta, kun taas kahden pidemmän isomuodon puuttuminen aiheutti podosyyttien jalkalisäkkeiden leviämistä. Lisäksi kollageeni XVIII:n puuttumisen osoitettiin johtavan hiirimallien munuaiskerästen pehmenemiseen sekä veren kreatiniinitason kohoamiseen, viitaten munuaistoiminnan häiriöihin. Karvatuppien syklistä kasvua käytettiin mallina tutkittaessa kollageeni XVIII:n frizzled-osan mahdollisia vaikutuksia Wnt/β-kateniini signalointireittiin. Pidempien kollageeni XVIII isomuotojen osoitettiin tuottuvan karvanystyn tyvikalvossa sekä karvatupin kantasolut sisältävällä pullistuma-alueella. Pitkien isomuotojen puuttuminen johti karvojen ensimmäisen kasvukierron epänormaaliin etenemiseen. Tämä voitiin estää siirtogeenisen frizzled-osan avulla, mikä viittasi sen osallisuuteen Wnt/β-kateniini signalointireitin säätelyyn karvan syklisen kasvun aikana.

Abstract Collagen XVIII is an evolutionarily conserved, ubiquitously-expressed basement membrane (BM) proteoglycan produced in three isoforms, the individual roles of which are largely unknown. The physiological in vivo roles of these collagen XVIII isoforms are studied here using novel genetically modified mouse strains deficient in either the short or the medium/long isoforms of the molecule. In addition, the effects of keratin-14-driven overexpression of the thrombospondin-1 (Tsp-1) –like domain, which is common to all three collagen XVIII isoforms, are studied. The findings underline the importance of the short collagen XVIII isoform in the eye, as its absence was sufficient to cause the aberrant vascularisation of the retina previously reported in mice lacking all isoforms of collagen XVIII. In addition, an excess of the collagen XVIII Tsp-1 domain led to serious eye abnormalities, possibly by interfering with the functions of the full-length collagen XVIII produced in mice. Collagen XVIII was also shown to contribute to adipogenesis in an isoform-specific manner, in that a lack of the medium/long isoforms of collagen XVIII led to impaired adipocyte maturation and the subsequent reduction in the adipocyte number induced liver steatosis and hypertriglyceridaemia. Hence this work establishes a new extracellular matrix ECM-directed mechanism contributing to control over the multistep adipogenesis programme and points to the functional consequences of its impairment for ectopic fat deposition. The enzymatic remodelling of ECM components results in molecules with novel biological activities. Arresten is a collagen IV(α1)-derived fragment with anti-angiogenic properties which was originally described as not having any direct anti-tumour effects on cancer cells themselves. The present data revealed novel inhibitory roles for arresten in oral squamous carcinoma cell proliferation, survival, motility and invasion. Since arresten is a potent inhibitor of angiogenesis, the data generated here further underline the possibility for using it as a therapeutic agent in cases of cancer. / Tiivistelmä Kollageeni XVIII on tyvikalvojen proteoglykaani ja yksi harvoista evoluutiossa konservoituneista kollageeneista. Se esiintyy elimistössä kolmena isomuotona, joiden biologiset tehtävät ovat vielä jokseenkin epäselviä. Tässä tutkimuksessa selvitettiin kollageeni XVIII:n isomuotojen fysiologista merkitystä hyödyntäen uusia hiirilinjoja, joilta kollageeni XVIII:n lyhyt tai kaksi pisintä varianttia oli geneettisesti inaktivoitu. Poistogeenisten hiirimallien rinnalle tehtiin kaikille varianteille yhteistä trombospondiini-1 (Tsp-1)-domeinia yli-ilmentävä hiirilinja. Tämän väitöskirjatutkimuksen avulla saatiin uutta tietoa kollageeni XVIII:n ja etenkin sen lyhimmän variantin tärkeästä roolista silmässä. Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet kollageeni XVIII:n puutteen häiritsevän silmän verkkokalvon verisuonituksen normaalia kehittymistä. Tässä työssä havaittiin, että pelkästään lyhyen isomuodon puute riitti altistamaan hiiret muutoksille verkkokalvon suonituksessa. Tsp-1-osan ylimäärän havaittiin lisäksi alistavan hiiret muutoksille silmän rakenteessa, mahdollisesti häiritsemällä silmässä jo olemassa olevan kollageeni XVIII:n toimintaa. Tässä työssä havaittiin myös uusi yhteys kollageeni XVIII:n ja rasvasolujen kypsymisen välillä. Verrokkihiiriin verrattuna muodostuvan rasvakudoksen havaittiin jäävän merkittävästi vähäisemmäksi poistogeenisillä hiirillä, joilta kollageeni XVIII:n pitkät isomuodot olivat geneettisesti inaktivoitu. Heikentynyt rasvakudoksen muodostuminen lisäsi triglyseridien kertymistä hiiren verenkiertoon ja maksaan. Tutkimustulos on merkittävä avaus soluväliaineen merkityksestä rasva-aineenvaihdunnalle ja kannustaa lisätutkimuksilla selvittämään, onko kollageeni XVIII:lla yhteys myös ihmisen metaboliseen oireyhtymään. Soluväliaineen komponenttien entsymaattinen muokkaus tuottaa usein molekyylejä, joilla on uusia isäntämolekyyleistä poikkeavia ominaisuuksia. Tässä työssä tutkittiin yhden tällaisen molekyylin, tyvikalvokollageenin IV hajoamistuotteen, arrestenin, suoria vaikutuksia syöpäsoluille. Arrestenin tiedettiin entuudestaan estävän syöpäkasvainten verisuonten uudismuodostusta koe-eläimillä. Työssä osoitettiin, että arresten vaikutti endoteelisolujen lisäksi myös itse syöpäsoluihin estäen niiden lisääntymistä ja vähentäen niiden elinkykyä ja liikkuvuutta, mikä tekee arrestenista entistä houkuttelevamman ehdokasmolekyylin lääkekehitystyöhön.