Abstract Collagen XIII is a transmembrane protein consisting of intracellular, transmembrane and extracellular domains. The latter can be cleaved by proteases of the furin family at the plasma membrane and in the trans-Golgi network. Both the transmembrane and shed collagen XIII are expressed at the neuromuscular junctions of mice and humans. Such motor synapse passes the contraction signal from the central nervous system to the muscles and brings about all voluntary movements. Loss of both forms of collagen XIII in mice and loss-of-function mutations in the COL13A1 gene in humans leads to congenital myasthenic syndrome characterized by decreased neuromuscular transmission and muscle weakness. To study the roles of the two collagen XIII forms, a novel mouse line was engineered to harbor only the transmembrane collagen XIII by mutating the furin cleavage site. Transmembrane collagen XIII was discovered to be sufficient to prevent adhesion defects, Schwann cell invagination, the ineffective vesicle accumulation and dispersion of both acetylcholinesterase and acetylcholine receptors, phenotypes seen in the complete lack of collagen XIII. On the other hand, lack of shedding led to acetylcholine receptor fragmentation, aberrantly increased neurotransmission and presynaptic complexity. Remarkably, in vivo and in vitro interaction of collagen XIII and acetylcholinesterase-anchoring ColQ was detected. Furthermore, muscle and neuromuscular junction phenotype in the lack of both forms of collagen XIII closely resembled those in the human patients harboring mutations in the COL13A1 gene and these mice were validated as a good model for studying the human disease. Misexpression of collagen XIII was studied with mice exhibiting transgenic overexpression of the protein. Overexpression of collagen XIII was detected to be mostly extrasynaptic in the muscles of such mice. Exogenous collagen XIII was found at the myotendinous junctions, tenocytes and fibroblast-like cells, in addition to some localization in the near vicinity of the neuromuscular junctions. Collagen XIII expression was found, for the most part, to be normal at the neuromuscular junctions, although some were devoid of collagen XIII. The neuromuscular junction phenotype resembled in many ways the findings made in the lack of collagen XIII. Furthermore, acetylcholine receptor and nerve pattern was discovered to be widened. / Tiivistelmä Kollageeni XIII on solukalvoproteiini, jonka rakenne koostuu solunsisäisestä, solukalvon läpäisevästä ja solun ulkoisesta osasta, joka pystytään entsymaattisesti irrottamaan solukalvoilta. Täten se esiintyy kahdessa eri muodossaan; solukalvomuotoisena ja soluvälitilan lihasperäisenä proteiinina hiirten ja ihmisten hermolihasliitoksessa. Tässä motorisessa synapsissa keskushermostosta peräisin oleva lihaksen supistumiskäsky välittyy lihakseen ja aikaan saa tahdonalaiset liikkeet. Molempien kollageeni XIII:n muotojen puute hiirillä ja COL13A1 geenin mutaatiot ihmisillä johtavat synnynnäiseen myasteeniseen oireyhtymään, jossa heikentynyt hermolihasliitoksen toiminta johtaa lihasheikkouteen. Kollageeni XIII:n eri muotojen hermolihasliitosvaikutusten selvittämiseksi luotiin hiirilinja, jossa kollageeni XIII ilmenee geneettisen manipulaation seurauksena ainoastaan solukalvomuodossaan. Tutkimukset osoittivat solukalvomuotoisen kollageeni XIII:n tarvittavan hermon ja lihaksen kiinnittymiseen toisiinsa, hermovälittäjäainerakkuloiden ankkuroimiseen hermopäätteeseen, estämään Schwannin solujen tunkeutuminen synapsirakoon, asetyylikoliiniesteraasin sitomiseen ja asetyylikoliinireseptorien vakaantumiseen. Soluvälitilan kollageeni XIII:n puutos puolestaan johti lihaksen puolen liitoksen pirstaloitumiseen sekä hermopäätteiden liialliseen kasvuun ja aktiivisuuteen. Kollageeni XIII todettiin sitoutuvan asetyylikoliiniesteraasia hermolihasliitokseen ankkuroivan kollageeni Q:n kanssa. Lisäksi molempien kollageeni XIII:n muotojen suhteen poistogeenisten hiirten hermolihas- ja lihaslöydökset todettiin muistuttavan COL13A1 geenin mutaatioista kärsivien ihmisten vastaavia löydöksiä todistaen nämä hiiret hyväksi tautimalliksi tulevaisuuden hoitomuotojen suunnitteluun. Kollageeni XIII:n ylimäärän vaikutusta hermolihasliitokseen ja lihaskudokseen tutkittiin kollageeni XIII:a ylenmäärin ilmentävillä hiirillä. Kollageeni XIII todettiin ilmentyvän ylenmäärin lihaksessa fibroblastinkaltaisissa soluissa, lihasjänneliitoksessa ja hermolihasliitoksen lähettyvillä, mutta ei hermolihasliitoksessa. Osa hermolihasliitoksista näissä hiirissä ilmensi jopa vähemmän kollageeni XIII:a kuin normaalisti. Asetyylikoliinireseptorien ja hermojen valtaama alue todettiin leventyneeksi ja hermolihasliitoslöydökset muistuttivat molempien kollageeni XIII:n muotojen suhteen poistogeenisien hiirten löydöksiä.

Abstract Desmoglein 3 (Dsg3) is an adhesion receptor in desmosomes, but relatively little is known about its role in cancer. In this study, the function of Dsg3 was investigated in oral squamous cell carcinoma (SCC) cell lines in vitro using locally established human leiomyoma tumor microenvironment (TME) matrices. Since Dsg3 has been identified as a key regulator in cell adhesion, we hypothesized that it may play a role in oral SCC cells adhesion and motility. Thus, one aim of the study was to explore this hypothesis by both gain and loss of function methods in four human buccal mucosa SCC SqCC/Y1 cell lines: transduction of vector control (Ct), full-length (FL) or two different C-terminally truncated Dsg3 mutants (Δ238 and Δ560). Live cell imaging was performed for 2D migration and 3D sandwich, alongside other assays. In 3D sandwich, we tested the effects of the monoclonal antibody, AK23, targeting the extracellular domain of Dsg3 in SqCC/Y1 cells. Our results showed that loss of Dsg3 disrupted cell adhesion and protein expression. In 2D assays, FL and Dsg3 mutants migrated faster with higher accumulated distances than Ct. In contrast with 2D, mutants showed accelerated invasion over the Ct in 3D models. The AK23 antibody inhibited only the invasion of FL cells. The TME in vivo consists of cellular and matrix elements playing a leading role in carcinoma progression. To study carcinoma cells invasion in vitro, mouse Matrigel® and rat type 1 collagen are the most commonly used matrices in 3D models. Since they are non-human in origin, they do not perfectly mimic human TME. To address this, we have developed a solid organotypic myoma disc model derived from human uterus leiomyoma tumor. Here, we introduce a novel Myogel, prepared from leiomyoma similar to Matrigel®. We validated Myogel for cell-TME interactions in 3D models, using SqCC/Y1 and HSC-3 cell lines. Compared with Matrigel® and type I collagen, oral SCC cell lines invaded more efficiently in Myogel containing matrices. This study describes promising 3D models using human TME mimicking Myogel which is suitable to analyze oral SCC cells both in carcinoma monocultures and in co-cultures, such as with TME fibroblasts. We also introduce a possible novel therapeutic target against Dsg3 to suppress cancer cell invasion. / Tiivistelmä Desmogleiini 3 (Dsg3) on desmosomien adheesioreseptori, jonka merkityksestä syövässä tiedetään vähän. Koska Dsg3 on tärkeä epiteelisolujen välisissä liitoksissa, oletimme sillä olevan vaikutusta myös suun karsinoomasolujen tarttumisessa ja niiden liikkuvuudessa. Testasimme hypoteesiamme muuttamalla Dsg3:n toimintaa ihmisen posken karsinoomasolulinjassa SqCC/Y1, josta oli aiemmin valmistettu neljä erilaista muunnosta: tyhjän vektorin sisältävä kontrollisolulinja (Ct), kokopitkää Dsg3 tuottava solulinja (FL), sekä kaksi Dsg3 C-päästä lyhennettyä mutanttisolulinjaa (Δ238 ja Δ560). Immunofluoresenssi-menetelmää käyttäen analysoimme solulinjoissamme solujen välisiä liitoksia. Lisäksi mittasimme solujen liikkeitä 2D-migraatio- ja 3D-sandwich-kokeissa. Testasimme myös Dsg3:n solunulkoista osaa tunnistavan monoklonaalisen vasta-aineen (AK23) vaikutusta solujen invaasioon. Osoitimme, että Dsg3:n rakenteen muuttaminen ja toiminnan estyminen häiritsi solujen tarttumista. 2D-kokeissa sekä FL että mutanttilinjat (Δ238 ja Δ560) migroivat kontrollisoluja nopeammin ja pidemmälle, mutta 3D-kokeissa vain mutanttilinjat invasoituivat kontrollisoluja tehokkaammin. AK23-vasta-aine esti vain FL-solujen invaasiota. Syöpäsolujen 3D-invaasiota mittaavissa kokeissa käytetään yleensä hiiren kasvaimesta valmistettua kaupallista Matrigeeliä® tai rotan kudoksista eristettyä tyypin I kollageenia. Tutkimusryhmämme on jo aiemmin kehittänyt organotyyppisen myoomamallin, jossa valmistamme myoomakudosnapit ihmisen kohdun leiomyoomakasvaimista. Tässä työssä valmistimme leiomyoomasta Myogeelia, vertasimme sitä Matrigeeliin®, sekä tutkimme tarkemmin Myogeeli-valmisteen soveltuvuutta 3D-tutkimuksiin. Totesimme, että kielen (HSC-3) ja posken (SqCC/Y1) karsinoomasolut invasoituivat tehokkaimmin Myogeeli-pitoisissa matrikseissa kuin Matrigeeliä® tai kollageeniä sisältävissä kasvatusalustoissa. Tutkimustulostemme perusteella Myogeeli-pohjaiset 3D-mallit soveltuvat hyvin sekä syöpäsolulinjojen invaasiotutkimuksiin että yhteisviljelmiin, joissa syöpäsoluja viljellään yhdessä syöpäkasvaimen ympärillä olevien solujen, kuten fibroblastien, kanssa.