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 Collagen XV is a proteoglycan localized in the outermost layer of the basement membrane (BM) and in the fibrillar matrix. Although it is widely distributed in many tissues, its amount is generally low. It is characterized by a highly interrupted collagenous domain flanked by large globular domains and attached glycosaminoglycan chains, thus also being identified as a chondroitin sulphate proteoglycan. The C-terminal end of collagen XV, termed restin, has proved to have antiangiogenic effects. In view of its location in the outermost layer of the lamina densa and in association with interstitial collagen fibrils near BMs, it has been suggested that collagen XV may form a bridge between the fibrillar collagen matrix and the BMs. In vivo studies of mice lacking collagen XV have demonstrated that collagen XV is needed as a structural component to stabilize the skeletal muscle cells and capillaries. The role of collagen XV in the extracellular matrix (ECM) was studied using a mouse model lacking the gene of interest (Col15a1-/-). The matrix of peripheral nerves, skeletal muscle, heart and the uterus during pregnancy was analysed at several time points, and peripheral nerve development was evaluated in a mouse model lacking collagen XV and the laminin α4 chain simultaneously as well as in Col15a1-/- mice. The function of collagen XV in the heart was analysed in young, adult and old mice separately. The results indicate that collagen XV is needed for organizing collagen fibrils into proper bundles in the cardiac ECM. In the developing nerve it regulates collagen fibril size and the organization of the fibrils within the collagen bundle. In mature nerves and skeletal muscles it structures the BM–fibrillar matrix interphase, and in the uterus of pregnant mice it participates in fibrillar collagen remodelling, affecting the lateral fusion of collagens into thick fibrils. Even delicate changes in the matrix can lead to an alteration in the functioning of certain organs. Abnormal C-fibrils, polyaxonal myelination and decreased sensory conduction velocity were observed in the Col15a1-/- peripheral nerves, and a simultaneous lack of collagen XV and the laminin α4 chain resulted in more severe and permanent impairment of the segregation and myelination of the nerve axons. A complex cardiac phenotype was observed in the Col15a1-/- mice, predisposing them to cardiomyopathy. / Tiivistelmä Kollageeni XV on proteoglykaani, jonka lokalisaatio on tyvikalvon uloimmassa kerroksessa ja soluväliaineen säikeissä. Vaikka sitä tuotetaan laajalti useissa eri kudoksissa, sitä on määrällisesti vähän kudoksissa. Kollageenin XV ominaisuuksiin kuuluvat useat katkokset kollageenisilla alueilla, globulaariset alueet proteiinin päissä, sekä siihen kiinnittyneet glykosaminoglykaaniketjut, jotka on tunnistettu kondroiittisulfaatiksi. Kollageenin XV C-terminaalisella osalla, jota kutsutaan restiniksi, on osoitettu olevan antiangiogeneettisiä vaikutuksia. Ottaen huomioon kollageeni XV lokalisaation tyvikalvon uloimmassa kerroksessa, ja sen liittymisen säikeisiin kollageeneihin lähellä tyvikalvoa, on ehdotettu että sen tehtävänä olisi toimia yhteys-siltana säikeisten kollageenien ja tyvikalvon välillä. In vivo tutkimuksissa kollageeni XV poistogeenisillä hiirillä on osoitettu, että kollageenia XV tarvitaan rakenteellisena osana stabiloimaan luurankolihasta sekä hiussuonia. Kollageenin XV merkitystä sidekudoksessa tutkittiin käyttäen hiirimallia, jolta puuttuu kyseinen geeni (Col15a1-/-). Ääreishermojen, luurankolihaksen, sydämen ja kohdun soluväliainetta analysoitiin eri-ikäisillä hiirillä. Lisäksi ääreishermojen kehitystä tutkittiin hiirimallilla, jolta puuttuu sekä kollageeni XV että laminiini α4-ketju samanaikaisesti, sekä Col15a1-/- hiirillä. Kollageenin XV tehtävää sydämessä analysoitiin nuorilla, aikuisilla ja ikääntyneillä Col15a1-/- hiirillä. Tulokset viittaavat kollageeni XV merkittävään rooliin soluväliaineen järjestäytymisessä, erityisesti kollageenisäikeiden järjestäytymisessä kimpuiksi sydämen soluvälitilassa. Kehittyvässä hermossa sen tehtävä on säädellä säikeisten kollageenien läpimittaa sekä säikeiden järjestäytymistä säiekimpun sisällä. Täysin kehittyneessä hermossa ja luurankolihaksessa se strukturoi tyvikalvon ja säikeisen soluväliaineen välitilaa, kun taas raskaana olevien hiirien kohdussa se osallistuu säikeisten kollageenien muokkaukseen, vaikuttamalla kollageenien paksuuntumiseen lateraalisen fuusion kautta. Jopa hienoiset muutokset soluväliaineen rakenteessa voivat johtaa muutoksiin elinten toiminnassa. Epämuodostuneita C-säikeitä, polyaksonaalista myelinisaatiota ja hidastunutta sensorista johtonopeutta todettiin Col15a1-/- perifeerisissä hermoissa. Samanaikainen kollageenin XV ja laminiini α4-ketjun puutos johtivat vaikeampaan ja pysyvämpään haittaan hermon aksonien segregaatiossa ja myelinisaatiossa. Col15a1-/- hiirillä todettiin monimuotoinen sydämen ilmiasu, joka altistaa hiiret kardiomyopatialle.

Abstract A non-ischemic etiology of sudden cardiac death (SCD), mostly due to various cardiomyopathies (CMP), accounts for about 20% of all SCDs. Most of the major studies of risk factors for SCD have focused on coronary artery disease (CAD). The aim of the present study was to clarify the characteristics of non-ischemic SCD in Northern Finland. In this study, consecutive victims of SCD (n=2661) were prospectively collected, and among whom post-mortem examinations were performed between 1998 and 2007. Information about the SCD victims was obtained from a combination of available medical records, postmortem examination reports, medication used at the time of SCD, and standardized questionnaire filled out by the closest family members of the victims of SCD. We also screened the candidate genes from a Finnish family in which fatal arrhythmias was first manifestation of a cardiac disease. The collagen content of the myocardium from histological samples in victims of SCD due to idiopathic myocardial fibrosis (IMF) was also evaluated. CAD was the most common cause of death (2082 victims, 78.2%). The prevalence of non-ischemic SCDs was 21.8% of all the SCDs. After sub-grouping the non-ischemic SCDs into various categories, the most common cause of death was CMP related to obesity (23.7%), followed by alcoholic CMP (19.0%), hypertensive CMP (15.5%) and IMF (13.6%). The association of SCD with IMF is notably frequent among victims <40 years old (28.3%). The prevalence of family history of SCD was significantly higher in the victims of ischemic (34.2%) than non-ischemic SCD (13.4%, P<0.001) or controls (17.6%, P<0.001). Lamin A/C gene mutation R541C was found from Finnish SCD family, in which the IMF was predominant pathologic-anatomic finding. Myocardial type I collagen synthesis was increased in victims of SCD due to IMF. In conclusion, the characteristics of non-ischemic SCD in Finland differ from those reported previously. Higher prevalences of CMP-associated SCDs related to obesity, IMF and alcoholic CMP were observed as clinical and/or pathologic bases for non-ischemic SCD. The family history of SCD is not significantly increased in victims of non-ischemic SCD, suggesting a larger role of sporadic occurrence than inherited traits as the cause of non-ischemic SCD. Replacement of cardiac myocytes by fibrosis can be responsible for fatal cardiac arrhythmias in subjects with the lamin A/C gene mutation. The victims of SCD due to IMF have increased myocardial type I collagen synthesis. / Tiivistelmä Ei-iskeeminen sydänperäinen äkkikuolema aiheuttaa noin 20 % kaikista sydänperäisistä äkkikuolemista. Suurin osa ei-iskeemisistä sydänperäisistä äkkikuolemista johtuu erilaisista sydänlihassairauksista, kardiomyopatioista. Useimmat sydänperäisen äkkikuoleman riskitekijöitä kartoittavista tutkimuksista ovat keskittyneet sepelvaltimotautiin. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää ei-iskeemisen sydänperäisen äkkikuoleman tunnuspiirteitä pohjoissuomalaisessa väestössä. Tutkimuksessa käytettiin potilasaineistona sydänperäiseen äkkikuolemaan menehtyneitä vainajia (n=2661), joille on tehty oikeuslääketieteellinen ruumiinavaus. Tiedot vainajista saatiin saatavilla olevista potilaskertomuksista, ruumiinavauspöytäkirjoista, äkkikuoleman aikaisesta lääkityksestä ja lähiomaisille lähetetystä standardisoidusta kyselylomakkeesta. Kandidaattigeenit tutkittiin pohjoissuomalaisesta perheestä, jossa ensimmäinen oire sydänsairaudesta oli hengenvaarallinen rytmihäiriö. Lisäksi sydänlihaksen kollageenikoostumus analysoitiin histologisista näytteistä potilailta, joiden sydänperäinen äkillinen kuolema johtui idiopaattisesta sydänlihaksen sidekudoskasvusta. Sepelvaltimotauti oli yleisin sydänperäisen äkkikuoleman aiheuttaja (n=2082, 78,2 %). Ei-iskeemisten sydänperäisten äkkikuolemien osuus oli 21,8 % (n=579) kaikista sydänperäisistä äkkikuolemista. Ei-iskeemiset sydänperäiset äkkikuolemat jaettiin alaryhmiin, joista yleisimmät olivat lihavuuteen assosioituva kardiomyopatia (23,7 %), alkoholikardiomyopatia (19,0 %), korkeaan verenpaineeseen assosioituva kardiomyopatia (15,5 %) sekä idiopaattinen sydänlihaksen sidekudoskasvu (13,6 %), joka myös oli yleisin ei-iskeemiseen sydänperäiseen äkkikuolemaan johtava syy alle 40-vuotiailla (28,3 %). Positiivinen sydänperäisen äkkikuoleman sukuhistoria oli tilastollisesti merkitsevästi yleisempää iskeemisillä (34,2 %) kuin ei-iskeemisillä (13,4 %) sydänperäisen äkkikuoleman uhreilla. Lamin A/C – geenin mutaatio löydettiin pohjoissuomalaisesta äkkikuolemaperheestä, jossa idiopaattinen sydänlihaksen sidekudoskasvu todettiin pääasialliseksi patologiseksi löydökseksi. Tyypin I kollageenin synteesi todettiin kohonneeksi idiopaattiseen sydänlihaksen sidekudoskasvuun menehtyneillä vainajilla. Yhteenvetona voidaan todeta, pohjoissuomalaisen väestön ei-iskeemisen sydänperäisen äkkikuoleman tunnuspiirteet eroavat aiemmin raportoiduista; lihavuuteen assosioituva kardiomyopatia, alkoholikardiomyopatia, sekä idiopaattinen sydänlihaksen sidekudoskasvu olivat aiempaa yleisempiä ei-iskeemisen äkkikuoleman aiheuttajia. Positiivinen sydänperäisen äkkikuoleman sukuhistoria ei ollut tilastollisesti merkitsevästi kohonnut ei-iskeemisen sydänperäiseen äkkikuolemaan menehtyneillä. Tämä tarkoittaa, että perinnöllinen syy ei-iskeemisen sydänperäisen äkkikuoleman aiheuttajana on luultua harvinaisempi. Lamin A/C – geenimutaation kantajilla sydänlihassolujen korvautuminen sidekudoksella todettiin hengenvaarallisen rytmihäiriön aiheuttajaksi. Lisäksi, tyypin I kollageenin synteesi todettiin kohonneeksi idiopaattiseen sydänlihaksen sidekudoskasvuun menehtyneillä vainajilla.

Abstract Collagen XVIII is a multidomain basement membrane proteoglycan with three tissue-specific isoforms. Endostatin, the C-terminal part of collagen XVIII, has antiangiogenic properties, while the frizzled-like domain of the longest isoform is suggested to be capable of inhibiting the Wnt/β-catenin signaling network. This study utilized several genetically modified mouse lines and electron microscopy to achieve new information on the biological role of collagen XVIII, its different isoforms, and the frizzled domain. Lack of collagen XVIII was found to affect the integrity of basement membranes of various tissues, leading to an abnormally loosened network structure. In the choroid plexus, the change in the basement membrane ultrastructure caused alterations in the production of the cerebrospinal fluid and predisposed to the development of hydrocephalus. In the kidney, broadening of the proximal tubular basement membrane was shown to be due specifically to the lack of the short isoform, while the lack of the two longer isoforms led to podocyte foot process effacement. Moreover, lack of collagen XVIII was found to cause softening of the kidney glomeruli and the levels of serum creatinine were elevated in the mutant animals, indicating altered kidney function. The hair follicle cycle was used as a model to study the possible role of the frizzled domain of collagen XVIII in the Wnt/β-catenin signaling cascade. The longer collagen XVIII isoforms were shown to be expressed in the basement membrane facing the dermal papilla and in the hair follicle bulge, containing the follicular stem cells. Lack of the long isoforms led to abnormalities in the progression of the first hair cycle, and the phenotype could be rescued via transgenic delivery of the frizzled domain of the longest isoform, suggesting its involvement in the regulation of the Wnt/β-catening signaling network during the cyclic growth of the hair. / Tiivistelmä Kollageeni XVIII on useista toiminnallisista osista koostuva tyvikalvojen proteoglykaani, jolla on kolme eri kudoksissa esiintyvää isomuotoa. Sen C-terminaalisella endostatiini-osalla on verisuonten kasvua estäviä vaikutuksia, kun taas pisimmän isomuodon frizzled-osan uskotaan estävän Wnt/β-kateniini signalointireitin toimintaa. Tässä tutkimuksessa saatiin uutta tietoa kollageeni XVIII:n, sen eri isomuotojen sekä frizzled-osan biologisesta merkityksestä useiden geenimuunneltujen hiirimallien sekä elektronimikroskopian avulla. Kollageeni XVIII:n puutoksen todettiin vaikuttavan tyvikalvojen rakenteen eheyteen useissa eri kudoksisssa, johtaen epänormaalisti löyhtyvään verkkorakenteeseen. Suonipunoksessa tämä tyvikalvon hienorakenteen muutos vaikutti aivo-selkäydinnesteen tuottumiseen ja altisti vesipään kehittymiselle. Munuaisessa proksimaalisen munuaistiehyen tyvikalvon levenemisen osoitettiin johtuvan lyhyen isomuodon puutoksesta, kun taas kahden pidemmän isomuodon puuttuminen aiheutti podosyyttien jalkalisäkkeiden leviämistä. Lisäksi kollageeni XVIII:n puuttumisen osoitettiin johtavan hiirimallien munuaiskerästen pehmenemiseen sekä veren kreatiniinitason kohoamiseen, viitaten munuaistoiminnan häiriöihin. Karvatuppien syklistä kasvua käytettiin mallina tutkittaessa kollageeni XVIII:n frizzled-osan mahdollisia vaikutuksia Wnt/β-kateniini signalointireittiin. Pidempien kollageeni XVIII isomuotojen osoitettiin tuottuvan karvanystyn tyvikalvossa sekä karvatupin kantasolut sisältävällä pullistuma-alueella. Pitkien isomuotojen puuttuminen johti karvojen ensimmäisen kasvukierron epänormaaliin etenemiseen. Tämä voitiin estää siirtogeenisen frizzled-osan avulla, mikä viittasi sen osallisuuteen Wnt/β-kateniini signalointireitin säätelyyn karvan syklisen kasvun aikana.

Abstract Bullous pemphigoid (BP) is an autoimmune skin disease predominantly found in elderly people, which causes blistering of the skin and severe itching. The incidence of BP reported by previous studies has varied greatly between 0.05 and 42.8 per 1 million persons per year. Higher incidences have been reported in Western Europe and the USA, while countries around the Mediterranean have reported lower rates. However, the epidemiology of BP has not previously been studied in any Scandinavian country. The one-year mortality of BP is highly variable with estimates between 11% and 41% worldwide. As for comorbidities, the previous studies have shown that BP is associated with neurological disorders. The aim of this study was to investigate the incidence and mortality of BP in Finland, to assess the treatments used for BP, and the potential contribution of systemic glucocorticoid treatment to the high mortality rate found in BP patients. A further aim was to obtain more specific information about the neurological diseases associated with BP, and to clarify the less studied association with psychiatric disorders. For these purposes, we collected the records of all immunologically confirmed BP patients diagnosed in the Oulu University Hospital between 1985 and 2012, and, for a sub-study III, data for all patients diagnosed with BP in Finnish hospitals between 1987 and 2013. We found that the incidence of BP in Northern Finland has increased over the past two decades to approximately 27 new BP cases per 1 million persons per year. The one-year mortality of BP patients is 17%, and the standardized mortality ratio (SMR) is 7.6. Common comorbidities found in the sample of BP patients were: cardiovascular diseases (76%), neurodegenerative diseases (41%), skin conditions other than BP (37%) and type 2 diabetes (23%). Many neurodegenerative diseases of the central nervous system were associated with BP, as were many psychiatric disorders. The association was strongest between multiple sclerosis (MS) and BP, with MS patients having almost a 6-fold higher risk of BP than controls. The present study reports for the first time the incidence and mortality of BP in Finland, and provides new information about the association between BP and neurological and psychiatric disorders. / Tiivistelmä Rakkulainen pemfigoidi (josta jatkossa käytetään nimitystä pemfigoidi) on autoimmuunisairaus, joka esiintyy yleensä iäkkäillä, ja aiheuttaa ihon rakkulointia ja hankalaa kutinaa. Aiemmissa tutkimuksissa pemfigoidin ilmaantuvuus on vaihdellut 0,05:sta 42,8:aan tapaukseen miljoonaa ihmistä kohden vuodessa. Ilmaantuvuuden on havaittu olevan korkeampi Länsi-Euroopassa, kun taas Välimeren ympäristössä ilmaantuvuus on matalampi. Pemfigoidia sairastavien kuolleisuus vuoden kuluessa diagnoosista vaihtelee noin 11-41%:n välillä. Aiemmat tutkimukset ovat myös osoittaneet, että pemfigoidi liittyy neurologisiin sairauksiin. Pemfigoidin epidemiologiaa ei ole kuitenkaan tutkittu Suomessa tai muissa Pohjoismaissa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää pemfigoidin ilmaantuvuus ja kuolleisuus Suomessa, tutkia sen hoitoon käytettyjä lääkkeitä sekä arvioida systeemisen glukokortikoidihoidon osuutta korkeaan kuolleisuuteen. Lisäksi tavoitteena oli saada yksityiskohtaista tietoa pemfigoidiin liittyvistä neurologisista sairauksista ja selvittää lisää aiemmissa tutkimuksissa ristiriitaiseksi jäänyttä yhteyttä psykiatrisiin sairauksiin. Tätä varten keräsimme tiedot kaikista Oulun yliopistollisessa sairaalassa diagnosoiduista, immunologisesti varmennetuista pemfigoiditapauksista vuosilta 1985-2012. Kolmannessa osatyössä käytimme kansallista aineistoa, joka sisälsi kaikkialla Suomessa diagnosoidut pemfigoidia sairastavat potilaat vuosilta 1987-2013. Pemfigoidin ilmaantuvuus kasvoi seuranta-aikana ollen nykyisin Pohjois-Suomessa noin 27 tapausta miljoonaa ihmistä kohden vuodessa. Kuolleisuus vuoden kuluessa diagnoosista oli 17% ja vakioitu kuolleisuussuhde (standardized mortality ratio) 7,6. Yleisiä oheissairauksia pemfigoidia sairastavilla olivat sydän- ja verisuonisairaudet (76%), neurodegeneratiiviset sairaudet (41%), muut ihosairaudet (37%) sekä tyypin 2 diabetes (23%). Tutkimuksessa todettiin, että monet neurogeneratiiviset sairaudet ja monet psykiatriset sairaudet liittyvät pemfigoidiin. Yhteys oli vahvin pesäkekovettumataudin (MS-tauti) ja pemfigoidin välillä, ja MS-tautia sairastavilla riski sairastua pemfigoidiin oli lähes 6-kertainen verrattuna kontrollipotilaisiin. Tämä tutkimus on ensimmäinen, joka raportoi pemfigoidin ilmaantuvuuden ja kuolleisuuden Suomessa. Tutkimus antaa lisäksi uutta tietoa pemfigoidin yhteydestä neurologisiin ja psykiatrisiin sairauksiin.