Ehlers-Danlos Syndrome (EDS) comprises a spectrum of heritable connective tissue disorders with varying genetic origins and clinical manifestations such as soft tissue fragility and skin hyperextensibility. There are multiple EDS subtypes, the first few of which were defined by collagen mutations. Many new EDS variants have been discovered involving mutations that do not necessarily implicate collagen biosynthesis but do involve extracellular matrix (ECM) proteins. One of these proteins, Aortic Carboxypeptidase-Like Protein (ACLP), is a large secreted protein encoded by the AEBP1 (adipocyte enhancer binding protein 1) gene. Previous research has shown that ACLP plays a vital role in binding collagen via its discoidin domain and therefore regulates connective tissue assembly. Thus far, individuals from 7 different families have been identified with different EDS-causing ACLP mutations. Some mutations are ACLP null whereas other mutations lead to expressed mutant ACLP. One of these mutations is characterized by a single-nucleotide deletion that causes the insertion of 40 amino acids in the discoidin domain of ACLP. It is therefore denoted “ACLP-Ins40”. The goal of this research was to characterize the ACLP-Ins40 protein and investigate how mutations in ACLP disrupt ECM homeostasis and cause EDS. We initially sought to determine if the ACLP-Ins40 mutation would alter ACLP’s ability to bind collagen. To achieve this goal we generated expression vectors of full length human ACLP carrying the Ins40 mutation. By western blot, it was determined that ACLP-Ins40 was not secreted from fibroblasts and was retained intracellularly. We then hypothesized that the retention of ACLP-Ins40 in the secretory pathway would induce ER stress due to misfolding. 3T3 fibroblasts were co-transfected with the ACLP-Ins40 expression vector and an XBP1u-EGFP sensor of ER stress. Immunofluorescence imaging revealed that in comparison to WT, fibroblasts expressing ACLP-Ins40 experienced ER stress with significantly increased spliced XBP1. This may then cause cell death, the improper secretion of other important ECM proteins, or defective collagen scaffolding, all which could contribute to symptoms of EDS. These studies contribute to our current understanding of how mutations in the AEBP1 gene and alterations in the ACLP protein cause EDS. This connection provides a framework for future research and for targeted interventions to treat EDS. / 2021-06-17T00:00:00Z

Abstract The extracellular matrix is not just a scaffold for cells and tissues, but rather a dynamic part of the human body. Characteristics of collagens, the major protein components of the extracellular matrix, are determined already during synthesis and mutations in genes encoding collagens, unbalance of regulators or dysfunction of collagen modifying enzymes, for instance, can lead to severe clinical complications. Certain hydroxylysine residues formed by lysyl hydroxylases (LHs) function in collagens as precursors of collagen cross-links that stabilize collagenous structures and thereby tissues. In humans, a deficiency of LH1, which is known to hydroxylate lysines in the helical regions of collagen polypeptides, causes Ehlers-Danlos syndrome VIA (EDS VIA). It is characterized e.g. by progressive kyphoscoliosis and hypermobile joints. Mutations in LH2, which is known to hydroxylate lysines in the telopeptides of collagen polypeptides, cause Bruck syndrome type 2 (BS2). BS2 patients suffer from fragile bones and congenital joint contractures, for instance, but the syndrome is usually not lethal. In this work we have generated and analyzed genetically modified LH1 and LH2 null mouse lines to study the in vivo functions and roles of these enzymes. Analyses concentrated also on collagen cross-links that were determined from several null or heterozygous mouse tissues. In the present work we also studied the effects of known BS2 mutations on recombinant human LH2 polypeptides to understand the molecular pathology of the syndrome. As an animal model for human EDS VIA, LH1 null mice had certain characteristics typical for EDS VIA, such as muscular hypotonia, but generally the symptoms were milder. Like EDS VIA patients, the mice have an increased risk of arterial ruptures and ultrastructural changes can be seen in the wall of the aorta, explained by inadequate helical lysine hydroxylation accompanied by a changed cross-linking state of tissues. Similarly, analysis of the LH2 null mouse line demonstrated the importance of the enzyme in cross-link formation. We showed that even a reduced amount of LH2 in adult mice changes the cross-linking pattern in tissues and a total lack of the enzyme leads to embryonic lethality. Furthermore, we demonstrated that LH2 is particularly important in tissue structures supporting blood vessels in the developing mouse embryo or in extraembryonic tissues. Finally, our in vitro studies with recombinant human LH2 polypeptides revealed that the known BS2 mutations severely affect the activity of the enzyme thus explaining the clinical symptoms of the patients, but the mutations do not lead to a total inactivation of the enzyme, which may be critical for the survival of patients. / Tiivistelmä Solunulkoinen matriksi ei ole ainoastaan soluja ja kudoksia tukeva rakenne, vaan se on dynaaminen osa ihmiskehoa. Kollageenien, solunulkoisen matriksin yleisimpien proteiinien ominaisuudet määräytyvät jo kollageenien synteesivaiheessa ja mutaatiot kollageeneja koodittavissa geeneissä, säätelytekijöiden epätasapaino tai esimerkiksi kollageeneja muokkaavien entsyymien toimintahäiriöt voivat johtaa vaikeisiin kliinisiin komplikaatioihin. Tietyt lysyylihydroksylaasien (LH) muodostamat hydroksilysiinitähteet toimivat kollageeneissa kollageeniristisidosten esiasteina. Ristisidokset vakauttavat kollageenirakenteita ja siten myös kudoksia. LH1 hydroksyloi lysiinejä kollageenipolypeptidien kolmoiskierteisellä alueella ja ihmisellä entsyymin puutos aiheuttaa tyypin VIA Ehlers-Danlosin syndrooman (EDS VIA), jossa potilailla on esimerkiksi etenevää kyfoskolioosia ja yliliikkuvat nivelet. Mutaatiot LH2-entsyymissä, joka hydroksyloi lysiinejä kollageenipolypeptidien telopeptidialueilla, aiheuttavat tyypin 2 Bruckin syndrooman (BS2). BS2-potilaat kärsivät mm. luiden hauraudesta ja niveljäykkyydestä, mutta syndrooma ei yleensä ole letaali. Tässä työssä loimme ja analysoimme geneettisesti muunnellut LH1 ja LH2 hiirilinjat, joiden kyseinen LH-geeniaktiivisuus on hiljennetty. Linjojen avulla halusimme tutkia näiden entsyymien toimintaa ja merkitystä in vivo. Analyysit keskittyivät myös kollageeniristisidoksiin, joita tutkittiin useista poistogeenisten tai heterotsygoottisten hiirten kudoksista. Ymmärtääksemme BS2:n molekyylipatologiaa, tutkimme tässä työssä myös tunnettujen BS2-mutaatioiden vaikutuksia ihmisen LH2-rekombinanttiproteiinissa. EDS VIA:n eläinmallina LH1 poistogeenisillä hiirillä on joitakin ominaisuuksia, kuten lihashypotonia, jotka ovat tyypillisiä EDS VIA:lle, mutta yleisesti oireet ovat lievempiä. Kuten EDS VIA-potilailla, hiirillä on kohonnut valtimoiden repeytymisriski ja aortan seinämän ultrarakenteessa voidaankin havaita muutoksia. Oireita voidaan selittää riittämättömällä kollageenien kolmoiskierteisen alueen lysiinien hydroksylaatiolla, joka muuttaa kollageenien ristisidostilaa kudoksissa. Myös LH2-hiirilinjan analysointi osoitti kyseisen entsyymin tärkeyden ristisidosten muodostamisessa. Jo alentunut LH2:n määrä aikuisissa hiirissä muuttaa kudosten kollageeniristisidoksia ja täydellinen entsyymin puuttuminen johtaa sikiön kuolemaan. Lisäksi osoitimme, että LH2 on erityisen tärkeä kudosrakenteissa, jotka tukevat kehittyvän hiiren sikiön tai sikiön ulkopuolisten kudosten verisuonia. In vitro-tutkimukset ihmisen LH2-rekombinanttiproteiinilla paljastivat, että tunnetut BS2-mutaatiot vaikuttavat erittäin haitallisesti entsyymin toimintaan, mikä selittää potilaiden kliiniset oireet, mutta mutaatiot eivät kuitenkaan aiheuta entsyymin täydellistä inaktivaatiota, mikä voi olla kriittistä potilaiden selviytymisen kannalta.