Abstract This thesis focuses on mammalian kidney development and in particular on the question of how two Wnt signalling pathway genes, an antagonistic Dkk1 and an agonistic ligand Wnt5a, regulate the process. Wnts are secreted ligands that are involved in many developmental processes, including gonadal differentiation and kidney development, but also in various diseases and malformations. Wnts form a large signalling family containing 19 different glycoprotein ligands in mammals. Wnt signalling occurs via two different intracellular pathways. A canonical pathway proceeds via beta-catenin, and a non-canonical pathway utilizes other signalling molecules. Dkk1 is an antagonist of the canonical pathway and Wnt5a is considered a ligand that activates the non-canonical signalling pathway. As part of the thesis, I have studied the role of Dkk1 in kidney morphogenesis using a conditional mouse model, in which the gene is deleted in a cell specific manner from the collecting ducts. Dkk1 deficiency increased renal papilla growth and the risk of hydronephrosis. Research pointed out that the lack of Dkk1 in the collecting ducts increased cell proliferation and disturbed the balance of canonical Wnt signalling, which led to an overgrowth of renal papilla. This led to functional phenotypes including increased water reabsorption and changes in ion secretion/absorption. These changes are most likely due to altered Wnt7b signalling. The second part of the thesis examines the role of the non-canonical Wnt5a gene in kidney development with a conventional knock out mouse model. At the time work began on the thesis, no corresponding kidney phenotype had been published. The primary finding in kidneys lacking Wnt5a was an altered basement membrane organization of the collecting ducts and glomeruli. The phenotype is most likely the reason behind morphological phenotypes which vary from bilateral kidney agenesis to duplex collecting system. Notably, during the course of this study we found a mutation in the human WNT5A gene of a CAKUT patient. This is the first time Wnts have been shown to organize kidney development via basement membrane formation. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjan tarkoituksena on ollut tutkia munuaisen kehitystä ja kuinka kaksi Wnt-signalointireitin geeniä, signalointia estävä Dkk1 ja signalointia edistävä Wnt5a säätelevät sitä. Wnt ligandit ovat eritettäviä signaalimolekyylejä, jotka ovat osallisina monissa kehitysbiologissa prosesseissa kuten sukupuolen määräytymisessä ja munuaisen kehityksessä. Myös monissa taudeissa on havaittu muuntuneita Wnt geenien tuottotasoja. Wnt-geenit muodostava suuren signalointimolekyyliperheen, johon lukeutuu 19 jäsentä nisäkkäillä ja Wnt-signointi on jaettu perinteisesti kahteen signalointiryhmään. Dkk1 on kanonisen Wnt-signaloinnin estäjä ja Wnt5a:ta pidetään pääsaantiöisesti ei-kanonisena Wnt-ligandina. Väitöskirjassani olen tutkinut Dkk1 geenin toimintaa kohdennetussa Dkk1-poistogeenisessä hiiressä, jossa geenin toiminta on poistettu spesifisesti munuaisen kokoojaputkista. Dkk1:n puutos johtaa munuaisen papillan kasvuun ja lisää riskiä hydronefroksen muodostumiseen. Tutkimukset osoittivat että Dkk1:n puutos aiheuttaa lisääntynyttä solujakautumista kokoojaputkissa, jolloin Wnt-signaloinnin muutos aiheuttaa papillan ylikasvua. Ylikasvusta seuraa lisääntynyttä veden takaisin imeytymistä ja muutoksia ionien erittämisessä ja takaisin imeytymisessä. Todennäköisimmin muutokset johtuvat muuntuneesta Wnt7b signaloinnista, jota Dkk1 normaalisti säätelee. Väitöskirjan toisessa osassa tutkittiin ei-kanonisen reitin Wnt5a ligandin roolia munuaisen kehityksessä käyttäen poistogeenistä hiirimallia, jossa Wnt5a:n roolia munuaisenkehityksessä ei ollut julkaistu työn aloituksen aikaan. Wnt5a:n puutoksen havaittiin vaikuttavan tyvikalvon järjestymiseen kokoojaputkissa ja munuaiskeräsessä. Tyvikalvon häiriö on todennäköisin syy morfologisiin muutoksiin, jotka vaihtelevat molempien munuaisen puuttumisesta kaksois-kokoojatiehyen muodostumiseen. Työssä osoitetaan ensimmäistä kertaa kuinka Wnt-signalointireitin proteiinit säätelevät munuaisen kehitystä tyvikalvon muodostuksen kautta.

Abstract Wetlands in arid and semi-arid regions are complex fragile ecosystems that are critical in maintaining and controlling environmental quality and biodiversity. These wetlands and specially closed lake systems depend on support processes in upstream parts of the basin or recharge zone, as small changes in river flow regime can cause significant changes in lake level, salinity and productivity. Recent strong alterations in river flow regimes due to climate and land use change have resulted in ecosystem degradation and desiccation of many saline lakes in arid and semi-arid regions. Because of the low economic value of these lakes, their hydrology has not been monitored accurately, making it difficult to determine water balance and assess the role of water use and climate in lake desiccation. Furthermore, available data are usually of coarse resolution on both spatial and temporal scale. New frameworks using all available data and refining existing information on lake basins were developed in this thesis to assess regional differences in water resource availability, impacts of human activities on river flow regime alteration and agricultural land use change. The frameworks were applied to study causes and impacts of desiccation of a major lake, Lake Urmia, one of the largest saltwater lakes on Earth. This highly endangered ecosystem is on the brink of a major environmental disaster resembling that around the Aral Sea. The spatial pattern of precipitation across the Lake Urmia basin was investigated, to shed light on regional differences in water availability. Using large numbers of rainfall records and a wide array of statistical descriptors, precipitation across space and time was evaluated. Another important research component involved examining streamflow records for headwaters and lowland reaches of the Lake Urmia basin, in order to determine whether observed changes are mainly due to climate change or anthropogenic activities (e.g. water withdrawal for domestic and irrigation purposes). Principal component and clustering analyses of all available precipitation data for the lake basin revealed a heterogeneous precipitation pattern, but also permitted delineation of three homogeneous precipitation areas within the region. Further analysis identified variation in seasonal precipitation as the most important factor controlling the spatial precipitation pattern in the basin. The results showed that climate change impact on headwaters is insignificant and that irrigation is the main driving force for river flow regime alterations in the basin. This is supported by evidence that the headwaters have relatively remained unaffected by agriculture and by lack of significant changes in the historical records. The approach presented, involving clear in terpretation of existing information, can be useful in communicating land use and climate change information to decision makers and lake restoration planners. / Tiivistelmä Kuivilla aridisilla ja semiaridisilla alueilla sijaitsevat kosteikot ovat hauraita ekosysteemejä. Ne ovat myös tavallista tärkeämpiä, koska ne ylläpitävät ja säätelevät ympäristön laatua sekä luonnon monimuotoisuutta. Nämä kosteikot, kuten valtaosa muistakin kosteikoista, ovat riippuvaisia vesistöalueen ylemmillä osilla tehdyistä toimista kuten vesistöjen säännöstelystä. Jopa pienet muutokset jokien virtauksissa voivat aiheuttaa merkittäviä muutoksia järvien vedenpinnan korkeuteen, suolapitoisuuteen ja tuottavuuteen. Viimeaikaiset ilmastonmuutoksen ja maankäytön muutosten aiheuttamat voimakkaat muutokset jokien virtaamiin ovat johtaneet ekosysteemien rappeutumiseen sekä monien suolajärvien kuivumiseen kuivilla ja puolikuivilla alueilla. Kuivilla alueilla sijaitsevien suolajärvien hydrologiaa ei ole tarkkailtu riittävästi niiden alhaisemman taloudellisen arvon vuoksi. Se hankaloittaa vesitaseen määrittämistä. Tarkkojen tietojen puuttuessa on vaikea arvioida myös sitä, miten vedenkäyttö ja ilmasto ovat vaikuttaneet järvien kuivumiseen. Lisäksi saatavilla olevat tiedot ovat yleensä sekä ajallisesti että alueellisesti epätarkkoja. Analysointiin tarvittavien tietojen ja välineiden puute saattaa pahimmillaan johtaa ristiriitaisiin oletuksiin. Väitöstyön päätavoite on tarjota puitteet, joilla parannetaan ymmärrystä vesivarojen alueellisista eroista, ihmisen toiminnan vaikutuksista jokien virtausten muutoksiin ja maatalouden maankäytön muutoksista käyttäen kaikkea saatavilla olevaa dataa sekä täsmentäen samalla vesistöistä jo olemassa olevaa tietoa. Väitöskirja tutkii yhden suuren järven kuivumisen syitä ja seurauksia. Urmiajärvi on yksi maapallon suurimmista suolajärvistä sekä erittäin uhanalainen ekosysteemi. Järvi on samankaltaisen ympäristökatastrofin partaalla, joka aiheutti Araljärven kuivumisen. Väitöskirja antaa tietoa veden saatavuuden alueellisista eroista tutkimalla sademäärien alueellista jakautumista Urmiajärven valuma-alueella. Tutkielmassa arvioidaan sadannan ajallista ja paikallista vaihtelua erilaisten tilastollisten menetelmien avulla. Tutkielman toinen tärkeä osa keskittyy vesialtaan latvavesistön ja tasankoalueiden valumatietoihin. Tämän osuuden päätavoite on määritellä johtuvatko havaitut muutokset järvessä pääasiassa ilmastonmuutoksesta vai ihmisen toiminnasta kuten kastelusta. Sadantatietojen pääkomponentti- ja ryhmittelyanalyysien tulokset osoittavat, että Urmiajärven allas on sadannaltaan heterogeeninen alue. Analyysi johti seudun jakamiseen kolmeen homogeeniseen sadanta-alueeseen. Analyysi osoitti, että sademäärien kausittainen vaihtelu on merkittävin järvialtaan alueellisiin sademääriin vaikuttava tekijä. Tulokset osoittavat, että ilmastonmuutoksen vaikutukset latvavesistöön eivät olleet merkittäviä ja keinokastelu on ylivoimaisesti merkittävin järvialtaan jokien virtausten muutoksiin vaikuttava tekijä. Tätä johtopäätöstä tukee se tosiseikka, että maanviljelys ei ole juurikaan vaikuttanut latvavesistöihin eikä niissä näy historiallisten lähteiden perusteella merkittäviä muutoksia. Tutkimuksen hyöty on siinä, että se tulkitsee saatavilla olevan tiedon selkeästi, joka on avuksi, kun maankäyttöön ja ilmastonmuutokseen liittyviä tietoja välitetään päättäjille ja järven kunnostusta suunnitteleville tahoille.