Abstract Oxygen deprivation (hypoxia) is related to many disease conditions, such as anemia, but is also a critical regulatory signal during normal development. Cellular responses to hypoxia are largely mediated through alterations in gene regulation brought about by the transcription factor known as hypoxia inducible facor (HIF). One of the most extensively studied systemic consequences of hypoxia is the induction of red blood cell production, erythropoiesis, which occurs through a HIF-dependent increase in erythropoietin (EPO) gene expression. The amount of HIF in cells is regulated by three HIF prolyl 4-hydroxylases (HIF-P4Hs) while a fourth P4H possessing a transmembrane domain (P4H-TM) is able to act on HIF at least in vitro. The putative role of P4H-TM in regulating erythropoiesis is studied here by administering a HIF-P4H inhibitor, FG-4497, to P4h-tm null and wild-type mice. By comparing the observed effects with those seen in FG-4497 treated hypomorphic Hif-p4h-2 and Hif-p4h-3 null mice, it is demonstrated for the first time that P4H-TM is involved in the regulation of Epo production in the mammalian kidney, but not in the liver. Long bones are formed via endochondral ossification, in which a cartilaginous template, the growth plate, is first laid down and then replaced with bone. The growth plate is rich in extracellular matrix (ECM) and contains a hypoxic central region in which HIF has been shown to regulate chondrocyte function. Importantly, growth plate chondrocytes are highly active in collagen synthesis. Collagen prolyl 4-hydroxylases (C-P4Hs I-III) provide collagen molecules with thermal stability and are thus necessary for the formation of a proper ECM. Through an in vitro approach it is demonstrated that hypoxia increases the amount and activity of C-P4H in primary mouse epiphyseal growth plate chondrocytes in a HIF-1-dependent manner. Lastly, it was set out to characterize mouse lines with complete inactivation of C-P4H-II with or without partial inactivation of C-P4H-I. A significant reduction in the total amount of C-P4H and its activity was found to result in mild chondrodysplasia and altered bone properties. The above mouse models provided new information on the specific in vivo roles of the C-P4H isoenzymes I and II. / Tiivistelmä Kudosten alentunut happipitoisuus (hypoksia) liittyy osana moniin elimistön patologisiin tiloihin, kuten anemiaan. Lisäksi se on tärkeä säätelytekijä normaalin yksilönkehityksen aikana. Jotta solut havaitsisivat hypoksian ja reagoidakseen siihen, on niille kehittynyt säätelyjärjestelmä, jossa hypoksiassa indusoituva transkriptiotekijä, HIF, on tärkeässä asemassa. Yksi merkittävin HIF:n indusoima systeeminen vaikutus elimistössä on punasolujen tuotannon, erytropoieesin, kiihtyminen. Sitä tapahtuu erytropoietiinia koodittavan geenin (EPO) lisääntyneen ilmentymisen kautta. HIF-tekijän määrää soluissa säätelee kolme HIF-prolyyli-4-hydroksylaasientsyymiä (HIF-P4Ht 1-3). Transmembraanisen prolyyli-4-hydroksylaasin (P4H-TM) tiedetään myös vaikuttavan HIF-tekijän määrään soluissa in vitro, mutta sen vaikutusta nisäkkään erytropoieesiin ei ole aiemmin tutkittu. Käyttämällä hyväksi kolmea eri transgeenista hiirilinjaa (P4h-tm-/-, Hif-P4h-2gt/gt, Hif-p4h-3-/-) ja HIF-P4H entsyymeitä inhiboivaa lääkeainetta, FG-4497, tässä työssä osoitettiin ensimmäistä kertaa, että P4H-TM osallistuu nisäkkään Epo-hormonin tuoton säätelyyn. Pitkät luut muodostuvat endokondraalisen luutumisen kautta. Siinä ensin muodostuu rustoinen malli, kasvulevy, joka vähitellen korvaantuu luukudoksella. Kasvulevyn sisin kerros on sen soluille, kondrosyyteille, hypoksinen kasvuympäristö. HIF:illä on todettu olevan tärkeä rooli kondrosyyttien toiminnan säätelijänä. Kasvulevyn soluvälitila sisältää runsaasti kollageeneja. Kollageenin prolyyli-4-hydroksylaasit (C-P4Ht I-III) ovat avainasemassa kollageenien biosynteesissä ja siten niiden toiminta on välttämätöntä kestävän soluvälitilan muodostumiselle. Käyttämällä in vitro menetelmiä, tässä työssä osoitettiin, että hiiren epifyseaalisten kasvulevyjen kondrosyyteissä hypoksia lisää C-P4H:n määrää ja aktiivisuutta HIF-tekijästä riippuvalla mekanismilla. Eri C-P4H-isoentsyymeiden toiminnasta ja merkityksestä in vivo tiedetään vain vähän. Tässä työssä karakterisoitiin hiirilinja, jossa C-P4H-II on täysin inaktiivinen, ja hiirilinja, jossa lisäksi C-P4H-I on osittain inaktiivinen. Merkittävästi alentuneen C-P4H:n aktiivisuuden todettiin aiheuttavan hiirimallissa lievän kondrodysplasian sekä heikentyneet luun ominaisuudet.

Abstract Oxygen homeostasis is critical to all animals, as both excess (hyperoxia) and reduced (hypoxia) levels of oxygen can result in pathological changes and ultimately in the loss of cellular and organismal viability. Complex systems have evolved to sense and adapt to changes in cellular oxygen availability, and the hypoxia-inducible factor HIF plays a pivotal role in this elaborate molecular network. In normoxic conditions the α-subunit of HIF becomes hydroxylated by HIF prolyl 4-hydroxylases (HIF-P4Hs 1-3), earmarking HIF-α for proteasomal degradation. Additionally, in the presence of oxygen the hydroxylation of an asparagine residue by the HIF asparaginyl hydroxylase FIH inhibits the transactivation of HIF-target genes by blocking the interaction of HIF-α with a transcriptional coactivator. In addition to being a feature of an organism’s normal life, hypoxia is also characteristic of many common diseases such as severe anemia and myocardial infarction, and it notably decreases these hydroxylation reactions, as HIF-P4Hs and FIH have an absolute requirement for oxygen as a cosubstrate. HIF-α thus escapes degradation and translocates into the nucleus, where it dimerizes with HIF-β and recruits transcriptional coactivators to the hypoxia-response elements of target genes, inducing their transcription and triggering the hypoxia response aimed at restoring cellular oxygen homeostasis. In this study we generated a genetically modified HIF-P4H-2 hypomorphic mouse line that expresses only 8% of the wild-type HIF-P4H-2 mRNA in the heart. We showed that chronic cardiac HIF-P4H-2 deficiency leads to stabilization of HIF-1α and HIF-2α and protects the heart against acute ischemia-reperfusion injury without causing any adverse effects. Furthermore, we identified and cloned a novel human transmembrane prolyl 4-hydroxylase P4H-TM and showed that it regulates HIF-1α protein levels in cellulo and hydroxylates HIF-1α in vitro similarly to the HIF-P4Hs, but may also have other physiological substrates. Using forward genetic tools we showed that lack of P4H-TM during development leads to basement membrane defects and compromised kidney function in zebrafish embryos. Finally, we demonstrated that FIH displays substrate selectivity in terms of hydroxylation and binding of HIF-1α and novel substrates Notch1-3. We showed that FIH has higher affinity for oxygen with Notch1 than with HIF-1α as a substrate, implying that FIH-mediated hydroxylation of Notch can continue in oxygen concentrations where HIF-1α hydroxylation would be markedly reduced. / Tiivistelmä Happitasapainon ylläpito on edellytys elimistön normaalille toiminnalle, koska sekä liian korkea (hyperoksia) että liian matala (hypoksia) happipitoisuus ovat elimistölle stressitiloja ja johtavat pitkittyessään haitallisiin seurauksiin. Happipitoisuuden muutosten havaitsemiseksi ja niihin reagoimiseksi onkin elimistössä kehittynyt monimutkainen säätelyjärjestelmä, jossa avainasemassa on hypoksia-indusoituva tekijä HIF. Solun happipitoisuuden ollessa normaali yksi kolmesta HIF prolyyli 4-hydroksylaasi-isoentsyymistä (HIF-P4Ht 1-3) katalysoi kahden proliinitähteen hydroksylaation HIF-α-alayksikössä. 4-hydroksiproliini toimii signaalina HIF-α:n nopealle proteasomaaliselle hajotukselle. Lisäksi HIF asparaginyyli hydroksylaasi FIH:n katalysoima HIF-α:n asparagiinitähteen hydroksylaatio estää transaktivaatiovaikutuksen. Koska HIF-P4Ht ja FIH tarvitsevat kosubstraatikseen happea, nämä hydroksylaatioreaktiot vähenevät happipitoisuuden laskiessa, jolloin HIF-α stabiloituu ja siirtyy solun tumaan, jossa se muodostaa kompleksin HIF-β-alayksikön kanssa ja houkuttelee paikalle tarvittavat kofaktorit. HIF-kompleksi tehostaa hypoksiavasteessa tarvittavien geenien luentaa sitoutumalla tumassa niiden promoottoreihin ja pyrkii näin palauttamaan solun happipitoisuuden normaaliksi. Tässä työssä luotiin geneettisesti muunneltu HIF-P4H-2 hypomorfi-hiirilinja, jonka sydämissä tuottuu vain 8 % normaalista HIF-P4H-2 lähetti-RNA:n määrästä. HIF-P4H-2:n puutoksen havaittiin johtavan HIF-1α:n ja HIF-2α:n stabiloitumiseen sydämessä ja suojaavan sydäntä kudosvaurioilta iskemian ja reperfuusion aikana aiheuttamatta haitallisia vaikutuksia. Tässä väitöskirjassa karakterisoitiin aiemmin tuntematon ihmisen transmembraaninen prolyyli 4-hydroksylaasi, P4H-TM. Sen osoitettiin säätelevän HIF-1α:n määrää soluissa ja katalysoivan HIF-1α:n kahden proliinitähteen hydroksylaatiota in vitro-olosuhteissa HIF-P4H-entsyymien tavoin. Seeprakalamallin avulla näytettiin, että P4H-TM:n puutos kalan kehityksen aikana aiheuttaa tyvikalvopoikkeavuuksia ja johtaa vakavaan munuaisen toiminnan häiriintymiseen seeprakalan poikasissa. FIH:n katalysoiman hydroksylaatioreaktion kineettisiä ominaisuuksia verrattiin tässä tutkimuksessa ensimmäistä kertaa aiemmin tunnetun HIF-α substraatin ja uusien Notch substraattien kesken. Tulokset osoittivat, että substraatin sitomisessa ja hydroksylaatiossa on merkittäviä eroja eri substraattien välillä.

Abstract Collagens are subject to extensive post-translational modifications, including the formation of 4-hydroxyproline, 3-hydroxyproline and hydroxylysine. These reactions are catalyzed by collagen prolyl 4-hydroxylases (C-P4Hs), prolyl 3-hydroxylases (P3Hs) and lysine hydroxylases (LHs), which belong to the 2-oxoglutarate-dependent dioxygenase family and require oxygen for their reaction. 4-Hydroxyproline residues have for a long time been known to be required for the stability of the collagen triple helix, but the role of prolyl 3-hydroxylation was revealed only a few years ago when mutations in P3H1 and the consequent loss of a single 3-hydroxyproline in collagen I was shown to cause recessive osteogenesis imperfecta. In this thesis the human P3H isoenzymes were expressed as recombinant enzymes, and analyses of their tissue expression and kinetic properties revealed that P3H2 is located in tissues rich in basement membranes and that it hydroxylates collagen IV, the major basement membrane collagen. The roles of the collagen hydroxylases and collagen IV in basement membrane formation were further studied using Madin-Darby canine kidney (MDCK) epithelial cells as an in vitro model for cell polarization. 4-Hydroxyproline also has a pivotal role in the system of cellular response to reduced oxygen levels (hypoxia). At a normal oxygen concentration, two proline residues in the α subunit of the hypoxia-inducible factor (HIF) are 4-hydroxylated by the HIF-P4Hs, which target HIF-α for proteasomal degradation. In hypoxia, the HIF-P4Hs are inactive, and the α subunit thus escapes degradation, dimerizes with a β subunit and after recruiting transcriptional coactivators induces the transcription of hypoxia-responsive genes in order to adapt the cell to hypoxia. Three human HIF-α subunits have been characterized to date, of which the third is known to be subject to extensive alternative splicing, with one of the splicing variants acting as a negative regulator of the hypoxia responsive system. Four novel splicing variants generated from the human HIF-3α locus are characterized here, and the expression of HIF-3α variants has been shown to be upregulated by hypoxia in a HIF-1 dependent manner. Further studies on the binding partners and transcriptional activity of HIF-3α revealed that this subunit has a more complex role in the adaptation of cells to hypoxia than had been expected. / Tiivistelmä Kollageenit ovat valkuaisaineita, joihin kohdistuu useita synteesin jälkeisiä muokkauksia kuten 4-hydroksiproliinin, 3-hydroksiproliinin ja hydroksilysiinin muodostuminen. Näitä reaktioita katalysoivat kollageeniprolyyli-4-hydroksylaasit (C-P4H:t), prolyyli-3-hydroksylaasit (P3H:t) ja lysyylihydroksylaasit (LH:t), jotka kuuluvat 2-oksoglutaraattidioksygenaasien entsyymiperheeseen ja tarvitsevat happea reaktioonsa. 4-hydroksiproliinitähteiden on kauan tiedetty stabiloivan kollageeninrakenteen, kun taas 3-hydroksiproliinitähteiden merkitys on selvinnyt vasta viime vuosina. Mutaatiot P3H1-isoentsyymiä koodittavassa geenissä ja sen seurauksena yhden ainoan 3-hydroksiproliinitähteen puuttuminen kollageenissa I johtavat vaikeaan luustosairauteen, osteogenesis imperfectaan. Tässä väitöskirjassa ihmisen P3H:t tuotettiin rekombinanttiproteiineina. Tulokset paljastivat, että P3H2 ilmentyy erityisesti kudoksissa, joissa on paljon tyvikalvorakenteita ja että P3H2 hydroksyloi tehokkaasti kollageeni IV:n kaltaisia synteettisiä peptidejä. Lisäksi koiran munuaisten epiteelisoluihin pohjautuvaa in vitro-mallia käytettiin apuna tutkiessamme kollageeneja hydroksyloivien entsyymien ja kollageenin IV roolia tyvikalvon muodostumisessa sekä solujen polarisaatiossa. Kollageenia stabiloivan tehtävänsä lisäksi 4-hydroksiproliinilla on myös merkittävä rooli solujen vasteessa vähähappisille olosuhteille (hypoksia). Normaalissa happiosapaineessa (normoksia), hypoksiaindusoituvan tekijän (HIF) α-alayksikköön muodostuu HIF-P4H entsyymien katalysoimana kaksi 4-hydroksiproliinitähdettä, jotka kohdistavat α-alayksikön proteasomaaliseen hajotukseen. Hypoksiassa HIF-P4H:t eivät kykene toimimaan, jolloin α-alayksikkö säästyy hajotukselta, muodostaa kompleksin β-alayksikön kanssa ja sitoo transkriptiokofaktoreita. HIF-kompleksi kykenee tällöin lisäämään hypoksiassa tarvittavien geenien luentaa. Tänä päivänä tunnetaan kolme HIF α-alayksikköä, joista HIF-3α:sta tiedetään esiintyvän useita erilaisia silmukointimuotoja ja yhden näistä muodoista tiedetään toimivan negatiivisena säätelijänä hypoksiavasteessa. Tässä väitöskirjatyössä on tunnistettu neljä uutta HIF-3α:n silmukointimuotoa ja osoitettu että HIF-3α:n määrä kasvaa hypoksiassa HIF-1:n säätelemänä. Lisäksi sitoutumis- ja transkriptiokokeet paljastivat, että HIF-3α:n rooli hypoksiavasteessa on monimutkaisempi kuin aikaisemmin kuviteltiin.