Abstract Rheumatoid arthritis (RA) is a systemic autoimmune disease with symmetrical articular manifestations. The etiology of the disease is unknown. The prevalence of RA is approximately 0.5–1.0% in adults. In Finland, the annual incidence is 39/100 000. RA is about three times more common in females than in males. Most commonly the disease affects first the joints of feet and fingers. Chronic inflammation leads to erosions of cartilage, bone and tendons and may destroy the whole joint. The diagnosis of RA is mainly based on the clinical features of the disease. The American College of Rheumatology (ACR) 1987 revised classification criteria of RA have commonly been used for diagnosis. No specific diagnostic test is available. Rheumatoid factor (RF) has traditionally been used in the diagnosis, but only 70 to 80% of RA patients have RF in their serum. Other antibodies found in RA are the antiperinuclear factor (APF), the anti-keratin antibody (AKA) and the antibodies to cyclic citrullinated peptide (CCP), which recognize the citrulline-containing antigenic filaggrin protein. Citrulline is an amino acid that is post-translationally formed from arginine by peptidylarginine deiminase enzymes (PADs). Autoantibodies to citrullinated proteins are more specific for RA than RF. There is no filaggrin in joints, which indicates that the autoantibodies reacting with this protein most probably only reflect immunological cross-reaction. It has been postulated that autoimmunity against collagens might be involved in the pathogenesis of RA. There are antibodies binding to collagen in cartilage (type II collagen) and in bone (type I collagen). They have been tested by using collagen preparations rendered soluble by pepsin digestion. This digestion removes the carboxyterminal (C-terminal) telopeptides of collagen. Autoantibodies to the C-telopeptides of type I and II collagens were studied in this doctoral research. Autoantibodies to the citrullinated C-telopeptides of type I and II collagens were found in the serum of patients with RA. ELISA, CLIA and inhibition ELISA were used to detect these autoantibodies. Automatic CLIA gives a more than twofold number of positive findings compared to previous ELISA. Currently the best method for the detection of these autoantibodies is inhibition ELISA. These autoantibodies are specific for citrulline in the peptide sequence. Autoantibodies that bind the normal C-telopeptides of type I and II collagens were not inhibited by soluble normal or citrullinated telopeptides. However, the antibodies that bind only citrullinated telopeptides could be inhibited by corresponding citrullinated telopeptides. Autoantibodies binding the citrullinated telopeptides of type II collagen and anti-CCP predict synergistically the development of seropositive RA. / Tiivistelmä Nivelreuma (arthritis rheumatoides) on krooninen autoimmuunisairaus, jonka aiheuttajaa ei tunneta. Nivelreuman esiintyvyys aikuisilla on 0.5–1.0 prosenttia. Siihen sairastuu vuosittain 39/100 000 suomalaista aikuista. Naiset sairastavat nivelreumaa kolme kertaa yleisemmin kuin miehet. Sairaus alkaa tavallisesti päkiöistä ja sormien nivelistä. Nivelreuma aiheuttaa ruston, luun ja nivelsiteiden syöpymistä ja voi lopulta tuhota koko nivelen. Nivelreuman diagnoosi perustuu pääasiassa taudin kliinisiin piirteisiin. Yhdysvaltain reumajärjestön (American College of Rheumatology, ACR) vuonna 1987 esittämät luokittelukriteerit ovat yleisesti käytössä. Taudin toteamiseen ei ole spesifistä laboratoriotestiä. Perinteisesti käytettyä reumatekijää esiintyy 70–80 prosentilla potilaista. Muita nivelreumapotilaan seerumista esiintyviä vasta-aineita ovat antiperinukleriaaritekijä (APF), keratiinivasta-aineet (AKA) ja vasta-aineet sykliseen sitrullinisoituneeseen peptidiin (CCP). Sitrulliini on aminohappo, jonka peptidyyliarginiini deiminaasi -entsyymit (PAD) ovat muokanneet arginiinista posttranslationaalisesti. Sitrullinisoituneiden proteiinien autovasta-aineet ovat spesifisempiä nivelreumassa kuin reumatekijä. Nivelissä ei ole filaggriinia, mikä viittaa siihen, että todetut vasta-aineet perustuvat immunologiseen ristireaktioon. On epäilty, että nivelreuman patogeneesiin voisi liittyä autoimmuniteettia kollageeniin. Aiemmin tutkitut luun ja ruston (tyypin I ja II) kollageenivasta-aineet eivät ole olleet sitrullinisoituneita. Autovasta-ainetesteissä on käytetty pepsiinidigestiota, jolla kollageeni on saatu liukoiseksi. Pepsiinidigestio tuhoaa kuitenkin kollageenin karboksyyliterminaaliset (C-terminal) telopeptidit. Tässä väitöskirjatutkimuksessa tutkittiin tyypin I ja II kollageenien C-telopeptidejä. Nivelreumapotilaiden seerumissa todettiin autovasta-aineita, jotka sitoutuvat sitrullinisoituneisiin tyypin I ja II kollageeneihin. Todettuja vasta-aineita voidaan osoittaa ELISA-, CLIA- ja inhibitio-ELISA-menetelmillä. Automaattisella CLIA:lla saadaan kaksi kertaa enemmän positiivisia löydöksiä kuin aiemmin kehitetyllä ELISA:lla. Tällä hetkellä paras menetelmä näiden autovasta-aineiden osoittamiseen on inhibitio-ELISA. Todetut vasta-aineet ovat spesifisiä peptidin sekvenssissä olevaan sitrulliiniin. Vasta-aineita, jotka sitoutuvat normaaliin tyypin I ja II kollageenien C-telopeptidiin, ei voida inhiboida liukoisella normaalilla eikä sitrullinoidulla telopeptidillä. Kuitenkin vasta-aineita, jotka sitoutuvat vain sitrullinisoituihin telopeptideihin, voidaan inhiboida vastaavalla liukoisella sitrullinisoidulla telopeptidillä. Autovasta-aineet, jotka sitoutuvat samanaikaisesti sitrullinisoituneeseen tyypin II kollageenin C-telopeptidiin ja anti-CCP:hen ennustavat seropositiivista nivelreumaa.

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 Basement membranes (BM) underlie epithelia and endothelia and surround many tissues. In cutaneous BM epithelial cells are attached to the stroma via multiprotein complexes called hemidesmosomes (HD). Collagen XVII and integrin α6β4 are components of HD and they bind to laminin 332, a component of anchoring filaments, extracellularly. The main interest of this study is the function of collagen XVII and its interactions with these proteins. What is known about the function of collagen XVII is mostly derived from its role as an adhesive component in cutaneous HD. Here we demonstrate for the first time that collagen XVII is expressed by podocytes in the human and murine glomerulus and that mutant mice lacking collagen XVII in addition to small size, blisters and diffuse hair loss, also have deficient glomerular development and a high mortality rate. We also show for the first time at the protein level that collagen XVII is expressed, and probably has a functional interaction with laminin 332, in normal colon epithelia. We demonstrate that collagen XVII is expressed by the invasive cells of human colorectal carcinoma (CRC) samples and its immunostaining is increased in metastasis in CRC. The higher proportion of collagen XVII positive tumor cells correlates with decreased disease-free survival and cancer-specific survival times and we also suggest a functional interaction between collagen XVII and laminin 332 in CRC. Previous studies have suggested that collagen XVII participates in keratinocyte migration by affecting the correlation of HD disassembly and assembly, its expression is increased in squamous cell carcinoma (SCC) and it may have a role in cell adhesion and migration in SCC carcinogenesis. Here we demonstrate upregulated collagen XVII, integrin β4 and laminin γ2 expression in actinic keratosis, Bowen’s disease and SCC. The expression of collagen XVII was increased with a high degree of variation, especially in samples taken from areas where SCC is particularly invasive. We also demonstrate in the SCC-25 cell line that lack of collagen XVII or integrin β4 severely disrupts the adhesion, migration and invasivity of these cells. Taken together, in this study we show that collagen XVII is needed for normal glomerular development, is expressed in normal colon epithelia and participates in CRC and SCC carcinogenesis together with laminin 332 and integrin β4. / Tiivistelmä Tyvikalvot sijaitsevat epiteelin ja endoteelin alla ja ympäröivät monia kudoksia. Ihon tyvikalvossa epiteelisoluja alla olevaan verinahkaan kiinnittää rakenne, jota kutsutaan hemidesmosomiksi (HD). Kollageeni XVII ja integriin α6β4 ovat HD:n rakenneproteiineja. Ne kiinnittyvät solun ulkopuolella laminiin 332 nimiseen proteiiniin, joka muodostaa ankkurifilamentit. Kollageeni XVII ilmentyminen ja toiminta yhdessä näiden kahden proteiinin kanssa on tämän tutkimuksen keskeisin kohde. Valtaosa tutkimuksista, jotka käsittelevät kollageeni XVII:ää, koskevat sen toimintaa ihon keratinosyyteissä. Tässä tutkimuksessa osoitimme ensi kertaa, että hiiren ja ihmisen munuaiskerästen podosyyttisolut ilmentävät kollageeni XVII. Geenimanipuloidut hiiret, joilta kollageeni XVII oli poistettu, olivat pieniä, kehittivät rakkuloita ja karvattomuutta, niillä oli korkea kuolleisuus ja niiden munuaiskerästen kehitys oli häiriintynyt. Kollageeni XVII esiintymistä proteiinitasolla, sekä mahdollista toiminnallista yhteyttä laminiin 332:een, ei aiemmin ole osoitettu paksusuolen epiteelissä. Havaitsimme, että paksu- ja peräsuolen adenokarsinooman (CRC) invasiivinen solukko ilmentää kollageeni XVII:ää, kollageeni XVII esiintyminen on merkittävän voimakasta CRC:n metastasoinnin yhteydessä ja lisääntynyt kollageeni XVII esiintyminen lyhentää syöpävapaata aikaa ja heikentää syöpäspesifistä selviytymistä. Myös CRC:ssä kollageeni XVII toiminta voi liittyä laminiini 332:een. Aiempien tutkimusten mukaan kollageeni XVII osallistuu keratinosyyttien migratioon vaikuttamalla toimivien HD:ien määrään. Sen määrän on havaittu olevan korkeampi okasolusyövässä (SCC) ja sen on ehdotettu osallistuvan syöpäsolujen adheesioon ja migraatioon SCC:n kehittyessä. Me osoitimme kohonneen kollageeni XVII, integriini β4 ja laminiini γ2 ilmenemisen aktiinisessa keratoosissa, Bowenin taudissa sekä SCC:ssä. Kollageeni XVII määrä oli korkea, mutta vaihteli paljon, sekä hiiren että ihmisen invasiivisilla SCC alueilla. Havaitsimme myös SCC-25 solulinjalla, että kollageeni XVII tai integriini β4 puutos häiritsee vakavasti solujen adheesiota, migraatiota ja invaasiota. Yhteenvetona tässä työssä osoitimme, että kollageeni XVII:ää tarvitaan munuaiskerästen kehittymisessä, sitä esiintyy paksusuolen epiteelissä, ja että kollageeni XVII osallistuu CRC:n ja SCC:n kehittymiseen yhdessä integriini β4:n ja laminiini 332:n kanssa.

Abstract The tumor microenvironment (TME) is critically important for tumor development. The microenvironment consists of fibroblasts, endothelial and immune cells as well as extracellular matrix (ECM), proteases and various other soluble factors produced by the cells. It is challenging to develop methods that appropriately mimic the human microenvironment, but this effort is essential in order to reliably elucidate the properties of potential anti-tumor drugs. The aim of this study was to create new 3D organotypic invasion models based on human tissue that would be used to study the effects of the anti-angiogenic molecules arresten and endostatin on tongue squamous carcinoma cells. The classic way to study cancer invasion has been to use a collagen invasion model that is created by mixing rat type I collagen, matrix produced by mouse EHS tumor cells and human fibroblasts. Our research group has developed a novel human myoma tissue based invasion model, which is composed of several different cell types and molecules that are normally present in the human TME. We show how this model is suitable for invasion studies, not only for oral cancer, but for other invasive cell lines as well. There are several matrix-derived fragments that have been shown to possess anti-angiogenic activity. Arresten is a 26 kDa fragment that is cleaved from type IV collagen and is known to inhibit angiogenesis, the formation of new capillaries and tumor growth in vivo. However, its effect on the tumor microenvironment in addition to endothelial cells has not been studied. We show that arresten also directly affects oral cancer cells by decreasing their migration and invasion as well as tumor size, invasion and angiogenesis in in vivo mouse xenografts. Another inhibitor of angiogenesis, endostatin, is cleaved from type XVIII collagen. It has been shown to suppress angiogenesis and tumor growth without toxicity or side effects in mouse models. Our studies show that endostatin directly affects tongue squamous carcinoma cells by reducing their invasion and spreading in organotypic 3D assays and mouse tumor models. In summary, arresten and endostatin are anti-angiogenic as well as anti-invasive molecules and therefore potential cancer drugs. They seem to have a direct effect on carcinoma cells making the cells less invasive. The myoma model allows us to study the effects of anti-cancer molecules with a new prospective. / Tiivistelmä Syövän mikroympäristö on erittäin tärkeä syövän kehittymisen kannalta. Se koostuu fibroblasteista, endoteeli- ja immuunisoluista, soluväliaineesta, proteaaseista ja monista muista solujen tuottamista liukoisista molekyyleistä. On haastavaa kehittää uusia menetelmiä, jotka jäljittelisivät oikeaa ihmisen syövän mikroympäristöä, mutta se on välttämätöntä uusien syöpälääkkeiden tutkimiseksi. Väitöstutkimuksen tavoitteena oli kehittää kolmiulotteinen ihmisen myoomakudokseen perustuvan invaasiomalli, jonka avulla voisimme tutkia verisuonten kasvua estävien arresten ja endostatin molekyylien vaikutusta kielisyöpäsoluihin. Aiemin syövän invaasiota on tutkittu käyttämällä klassista kollageeni-invaasiomallia, joka tehdään sekoittamalla rotan tyypin I kollageeniä, hiiren sarkoomasolujen tuottamaa matriksia ja ihmisen fibroblasteja. Tutkimuksissamme kehitimme uuden invaasiomallin, joka perustuu ihmisen myoomakudokseen. Tutkimuksessa sen todettiin sisältävän monia erilaisia soluja ja molekyylejä, joita on normaalistikkin syövän mikroympäristössä. Lisäksi osoitimme, että se sopii invaasiotutkimuksiin monille syöpätyypeille. Soluvälitilamatriksista pilkotaan useita erilaisia molekyylejä joilla on osoitettu olevan angiogeneesia hillitseviä ominaisuuksia. Arresten on 26 kDa kokoinen polypeptidi, jota pilkotaan tyypin IV kollageenista. Sen tiedetään vähentävän angiogeneesia – uusien verisuonten muodostumista ja syövän kasvua in vivo. Sen vaikutuksia muihin kuin endoteelisoluihin ei ole kuitenkaan tutkittu. Tutkimuksissamme se vaikutti suoraan kielisyöpäsoluihin vähentäen niiden liikkumista ja invaasiota kolmiulotteisissa organotyyppisisssä malleissa ja hiirimallissa. Toinen tutkimamme angiogeneesin inhibiittori on endostatin, jota pilkotaan tyypin XVIII kollageenista. Sen tiedetään vähentävän angiogeneesia hiirimalleissa ilman toksisia sivuvaikutuksia. Me osoitimme tutkimuksissamme, että se vaikuttaa suoraan kielisyöpäsoluihin vähentäen niiden invaasiota ja leviämistä 3D organotyyppisissä malleissa sekä hiirikokeissa. Koska arresten ja endostatin ovat anti-angiogeenisiä ja anti-invasiivisia molekyylejä, ne ovat täten potentiaalisia syöpälääkkeitä. Ne näyttäisivät vaikuttavan suoraan syöpäsoluihin vähentämällä niiden invaasiota. Myoomainvaasiomalli mahdollistaa syöpää ehkäisevien molekyylien tutkimisen uudella ja todenmukaisemmalla tavalla.

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.

Abstract Transgenic mice were used to evaluate the roles of collagens XV and XVIII in retinal vessel development and to examine the roles of collagen XV and laminin α4 in peripheral nerve development and function. Also, in vitro methods were used to study the functions of recombinant, full-length human collagen XV produced in insect cells. The lack of collagen XVIII alone was found to result in overproliferation of astrocytes in the mouse retina and deficient vascularization of the retina, which was ultimately rescued by the persistent hyaloid vessels. VEGF mRNA expression was appropriately regulated in the retina of the collagen XVIII deficient mice, which also showed reduced susceptibility to oxygen-induced neovascularization. Lack of collagen XV alone had no obvious effect on the mouse eye, but an abnormal migration of astrocytes onto the persistent hyaloid vessels could be seen in mice lacking both collagens XVIII and XV. Recombinant full-length human collagen XV was seen in rotary shadowing EM as an extended protein with numerous kinks and a globular domain at its N-terminus. The mean length of the molecules was 241 nm and they had a tendency to form aggregates. Collagen XV attaches to the collagen binding region of fibronectin and to a lesser extent to vitronectin and laminin. It was rapidly bound to cultured cells with a staining pattern co-localizing with fibronectin. Collagen XV was also found to inhibit the adhesion and migration of cells in vitro. Lack of collagen XV in mice was found to result in ultrastructural abnormalities in the sciatic nerves, such as polyaxonal myelination and more loosely packed C-fibres, mild impairment of BM assembly and mild motor dysfunction with a lower sensory nerve conduction velocity. Polyaxonal myelination and a failure in the segregation of axons were evident in laminin α4 null mice, which also had diminished amounts of C-fibres, BM abnormalities, diminished myelin and a greater myelin period compared with wild-type mice. They performed poorly in the round beam test and showed diminished compound muscle action potentials. A simultaneous lack of collagen XV and laminin α4 resulted in a permanent defect in the segregation of axons and C-fibre development. The performance of the double null mice on the round beam was poor relative to the other genotypes. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu kollageenien XV ja XVIII merkitystä silmän verkkokalvon verisuonituksen kehittymiselle sekä kollageeni XV:n ja laminiini α4:n merkitystä ääreishermon kehittymiselle ja toiminnalle käyttäen hyväksi muuntogeenisiä hiiriä. Lisäksi tässä työssä on käytetty in vitro –menetelmiä hyönteissoluissa yhdistelmä-DNA-tekniikalla tuotetun kollageeni XV:n toiminnan tutkimiseksi. Kollageeni XVIII:n puutteen todettiin johtavan verkkokalvon astrosyyttien määrän lisääntymiseen sekä verkkokalvon suonituksen kehittymiseen epänormaalilla tavalla lasiaissuonista, jotka eivät olleetkaan hävinneet kehityksen aikana. VEGF:n lähetti-RNA:n ilmentyminen oli asianmukaisesti säädelty eri verkkokalvon alueilla kollageeni XVIII:n suhteen poistogeenisillä hiirillä, joilla kehittyi myös vähemmän uudissuonia matalalle hapen osapaineelle altistamisen jälkeen. Kollageeni XV:n puute ei johtanut havaittaviin muutoksiin silmässä, mutta molempien kollageenien XV ja XVIII puuttuessa havaittiin silmässä epänormaalia astrosyyttien soluvaellusta lasiaissuonten päälle. Tässä väitöskirjatyössä osoitetaan, että yhdistelmä-DNA-tekniikalla tuotettu kokopitkä ihmisen kollageeni XV näytti elektronimikroskopiassa pitkältä molekyyliltä, jonka pituus oli keskimäärin 241 nm ja joka sitoutui helposti toisiin kollageeni XV -molekyyleihin. Kollageeni XV sitoutuu fibronektiinin kollageenia sitovaan osaan sekä vitronektiiniin ja laminiiniin. Viljeltyihin soluihin kollageeni XV sitoutui siten, että vasta-ainevärjäyksellä todettiin sen paikallistuvan samoille alueille fibronektiinin kanssa. Kollageeni XV:n todettiin myös vähentävän solujen kiinnittymistä ja liikkumista. Hiirissä kollageeni XV:n puutoksen todettiin johtavan iskiahermoissa polyaksonaaliseen myelinisaatioon, C-säikeiden lievään kehityshäiriöön, tyvikalvon koostumuksen häiriöön, lieviin motorisiin vaikeuksiin ja matalampaan tuntohermojen johtonopeuteen. Laminiini α4 –puutteisilla hiirillä oli todettavissa myös polyaksonaalista myelinisaatiota ja lisäksi häiriö aksonien erottelussa. Niiden hermoista löytyi myös tyvikalvon epämuodostumia, vähemmän myeliiniä ja C-säikeitä sekä suuremmat myeliinijaksot verrattuna villityypin hiiriin. Ne selviytyivät huonosti kävelytestissä ja niiden lihasten aktiopotentiaalit olivat pienemmät kuin kontrollihiirillä. Samanaikainen kollageeni XV:n ja laminiini α4:n puutos johti pysyvään aksonien erottelun ja C-säikeiden kehittymisen häiriöön. Kävelytestissä tuplapoistogeeniset hiiret selviytyivät huonoiten muihin genotyyppeihin verrattuna.

Abstract Prolyl hydroxylases catalyze the post-translational formation of 3- and 4-hydroxyprolines in polypeptides. To date, two prolyl 4-hydroxylase families are known to exist: collagen prolyl 4-hydroxylases (C-P4Hs) which reside in the endoplasmic reticulum, and hypoxia-inducible factor prolyl 4-hydroxylases (HIF-P4Hs) which reside in either the cytoplasm or nucleus. C-P4Hs and HIF-P4Hs belong to the 2-oxoglutarate dioxygenase family and require Fe2+, 2-oxoglutarate, O2 and ascorbate in their reaction. C-P4Hs are critical enzymes in collagen biosynthesis since the formation of 4-hydroxyproline residues stabilizes the collagen triple helix at body temperature. HIF-P4Hs regulate, through hypoxia-inducible factor HIF, the expression of genes that are essential for the survival of cells during hypoxia. This thesis reports the cloning and characterization of two novel P4Hs, from human and a plant, which show some distinct features when compared to previously characterized P4Hs. The human P4H was found to have a unique transmembrane domain, with its catalytic region residing inside the lumen of the endoplasmic reticulum, its subcellular localization thus being identical to that of the C-P4Hs. However, unlike C-P4Hs, it hydroxylated HIF-α both in vitro and in cellulo. Furthermore, its expression level was induced in hypoxic conditions in most of the cell lines studied. The Arabidopsis thaliana P4H had distinct differences in its substrate specificity when compared to another previously characterized A. thaliana P4H. Interestingly, the putative peptide binding regions of the two new P4Hs characterized in this study shared some homology. Three prolyl 3-hydroxylase (P3H) isoenzymes are known to exist in vertebrates and they also belong to the 2-oxoglutarate dioxygenases. It is known that 3-hydroxyprolines are found only in collagens, being most abundant in type IV collagen. The function of this modification is as yet poorly understood, but its absence in collagen I has recently been shown to lead to recessive lethal osteogenesis imperfecta. The human P3H isoenzymes were cloned during these thesis studies, and were expressed as recombinant proteins. The kinetic properties of one of them, P3H2, which was found to be expressed in structures rich with basement membranes, was studied in detail. / Tiivistelmä Prolyylihydroksylaasit ovat entsyymejä, jotka katalysoivat 3- ja 4-hydroksiproliinien muodostumisen valkuaisaineissa. Nykyisin tunnetaan ainakin kaksi prolyyli-4-hydroksylaasien (P4H) entsyymiperhettä: endoplasmakalvostossa sijaitsevat kollageeni prolyyli-4-hydroksylaasit (kollageeni-P4H:t) sekä vähähappisissa olosuhteissa aktivoituvaa transkriptiotekijää, hypoksiaindusoituvaa faktoria (HIF), hydroksyloivat prolyyli-4-hydroksylaasit (HIF-P4H:t). HIF-P4H:t sijaitsevat sytoplasmassa ja tumassa. Sekä kollageeni-P4H:t että HIF-P4H:t kuuluvat 2-oksoglutaraattidioksygenaasien laajaan entsyymiperheeseen. Nämä entsyymit tarvitsevat kosubstraateikseen rautaa, 2-oksoglutaraattia, happea sekä C-vitamiinia. Kollageeni-P4H:t hydroksyloivat kollageenien proliinitähteitä ja ovat avainasemassa kollageenisynteesissä, sillä muodostuneet 4-hydroksiproliinitähteet ovat ehdoton vaatimus stabiilille kollageenirakenteelle. HIF-P4H:t säätelevät puolestaan niiden geenien ilmenemistä, jotka ovat välttämättömiä elimistön selviytymiselle vähähappisissa olosuhteissa. HIF-P4H:t hydroksyloivat HIF-transkriptiotekijän α-alayksikön tiettyjä proliinitähteitä hapen läsnä ollessa, joka ohjaa α-alayksikön proteasomaaliseen hajotukseen eikä aktiivista HIF transkriptiotekijää siten muodostu. Alentuneessa happipitoisuudessa HIF-P4H entsyymien toiminta estyy, HIF stabiloituu ja aktivoi kohdegeeniensä toiminnan. Kollageeni-P4H entsyymejä pidetään erityisen sopivina lääkekehityksen kohteina fibroottisten ja HIF-P4H entsyymejä iskeemisten sairauksien hoitoon. Tässä väitöskirjatyössä on karakterisoitu aiemmin tuntematon ihmisen transmembraaninen P4H entsyymi (P4H-TM). Entsyymi osoittautui indusoituvan vähähappisissa olosuhteissa useissa solulinjoissa ja hydroksyloivan HIF-transkriptiotekijää muistuttaen siten HIF-P4H entsyymejä. Kuitenkin P4H-TM:n solulokalisaatio poikkesi HIF-P4H entsyymeistä, sillä sen havaittiin sijaitsevan endoplasmakalvostossa, katalyyttinen keskus kalvoston sisällä. Näiden tutkimustulosten valossa on oletettavaa, että tällä ihmisentsyymillä on HIF:n lisäksi toinen toistaiseksi tuntematon fysiologinen substraatti. Väitöskirjassa karakterisoitiin toinen lituruohon, Arabidopsis thalianan, P4H (At-P4H-2), joka poikkesi katalyyttisiltä ominaisuuksiltaan aiemmin karakterisoidusta lituruohon P4H:sta. Näiden kahden kasvientsyymin substraattivaatimusten poiketessa selvästi toisistaan, on niillä solussa todennäköisesti spesifiset tehtävät. At-P4H-2:n oletetulla substraatin sitomisalueella on jakso, joka on 37-prosenttisesti identtinen ihmisen P4H-TM:n kanssa, minkä vuoksi At-P4H-2:n karakterisoinnin uskottiin olevan tärkeä apuväline ihmisen P4H-TM:n tutkimuksissa. Selkärankaisilla prolyyli-3-hydroksylaaseja (P3H) tiedetään olevan kolme, ja myös ne kuuluvat 2-oksoglutaraattidioksygenaaseihin. 3-Hydroksiproliinia esiintyy ainoastaan kollageeneissa, erityisesti tyypin IV kollageenissa, joka on tyvikalvojen tärkeä rakennekomponentti. 3-Hydroksiproliinin merkitystä ei tunneta vielä tarkoin, mutta tyypin I kollageenissa 3-hydroksiproliinin puutoksen on osoitettu johtavan vaikeaan luustosairauteen, osteogenesis imperfectaan. Väitöskirjatyössä ihmisen P3H:t kloonattiin ja tuotettiin rekombinanttiproteiineina. Yhden isoentsyymin (P3H2) katalyyttiset ominaisuudet määritettiin ja sen osoitettiin ilmenevän erityisesti kudoksissa, joissa on paljon tyvikalvorakenteita.

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.

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.

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.