Abstract Organogenesis involves precursor cells proliferation, differentiation along with their coordinated organization into precise multicellular arrangements by planar cell polarity (PCP) pathways. The beta-catenin independent/non-canonical type of Wnt-11 signaling has been known as a PCP modulator during development. In this thesis were analyzed the roles of Wnt-11 in heart and kidney development by using in vivo functional genomics technologies. We show that the Wnt-11 gene is important for murine ventricular myocardium development, since Wnt-11 deficiency in early cardiogenesis leads to impaired organization and maturation of mouse ventricular cardiomyocytes, causing primary cardiomyopathy with in utero lethality. Wnt-11 coordinates the co-localized expression of the cell adhesion molecules N-cadherin and β-catenin, which are critical for the spatially specific organization of cardiomyocytes. We show that Wnt-11 deficiency causes primary hypertrophic and noncompaction cardiomyopathy in adult mice, with consequences for regional myocardium function. The Wnt family of secreted signals has been implicated in kidney tubule development and tubular cystic diseases such as polycystic kidney disease. We show here that Wnt-11 is expressed in mature nephrons and is involved in late steps of nephrogenesis, since the kidney tubule organization is deregulated in Wnt-11 deficient kidneys, to enlarged lumen with increased convolution. These tubule abnormalities are associated with glomerular microcyst formation and kidney failure. Wnt-11 deficiency reduced significantly Wnt-9b expression, a critical signal for PCP-mediated kidney tubule elongation. In the cortical region this associated with reduced expression of nephron and stromal progenitor cell marker. The results in this thesis point out that Wnt-11 function is required for proper myocardium organization and maturation as well as proper morphogenesis of the kidney tubules during the embryonic and postnatal developmental stages. Wnt-11 knockout phenotypes depend on the genetic background, similarly to human congenital disease. This data may be relevant for human congenital cardiomyopathy and glomerulocystic kidney disease studies. / Tiivistelmä Alkion sisäelinten kehityksen aikana esisolut lisääntyvät ja erilaistuvat muodostaen tarkoin määriteltyjä monisoluisia rakenteita. Muodostuvan kudosrakenteen määrittelyssä erilaiset solusignaalit ovat keskeisessä asemassa. Yksi näistä on nk. Wnt signaali perhe. Wnt perheeen jäsen Wnt-11 tehtävät on huonosti tunnettu. Wnt-11 viestittää ilmeisesti nk. planaaristen solupolariteettireittien (PCP) avulla, joka on beeta-kateniinista riippumattoman nk. ei-kanonisen Wnt signaali. Väitöskirjatyössä selvitettiin Wnt-11:n vaikutuksia sydämen ja munuaisten kehitykseen in vivo funktionaalisten genomisten menetelmien avulla. Ihmisen synnynnäiset kardiomyopatiat ovat sydänlihaksen ensisijaisia vaurioita, joiden taustalla on sydänlihaksen kehityshäiriö. Tutkimuksessa osoitetaan, että Wnt-11-geenillä on tärkeä merkitys hiiren sydänkammion kehitykselle, koska Wnt-11-geenin puute sydämen varhaisen kehityksen vaiheessa johtaa sydänlihassolujen järjestäytymisen ja kypsymisen häiriintymiseen, jolloin seurauksena on ensisijaisesta kardiomyopatiasta johtuva sikiökuolema. Wnt-11 koordinoi kahden solukiinnitysmolekyylin, N-kadheriinin ja β-kateniinin, samanaikasta ilmentymistä. Kyseiset molekyylit ovat keskeisen tärkeitä sydänlihasssolujen spatiaalisen järjestäytymisen kannalta. Tutkimuksessa osoitetaan, että Wnt-11-puutos aiheuttaa aikuisilla hiirillä ensisijaista sydänlihaksen liikakasvua ja trabekuloivaa kardiomyopatiaa, mikä vaikuttaa sydänlihaksen toimintaan. Tuloksilla voi olla merkitystä tutkittaessa ihmisen synnynnäisiä kardiomyopatioita. Wnt-signaaliperheen on osoitettu olevan yhteydessä munuaisputken kehitykseen ja sen sairauksiin, kuten munuaisten monirakkulatautiin. Väitöstutkimuksessa osoitetaan, että Wnt-11 ilmentyy kypsissä nefroneissa ja että se osallistuu nefrogeneesiin myöhempiin vaiheisiin, koska munuaisputken kehityksen säätely on poikkeavaa niissä munuaisissa, joista Wnt-11 puuttuu. Seurauksena on laajentunut, normaalia poimuttuneempi luumen. Munuaisputken poikkeavuuksilla oli yhteyttä munuaiskerästen mikrokystien muodostumiseen sekä munuaisten vajaatoimintaan. Wnt-11 -puute vähensi huomattavasti Wnt-9b-ilmentymistä, joka on PCP-välitteisen munuaisputken pidentymisen kannalta keskeisen tärkeä signaali. Kortikaalialueella Wnt9b:n vaimennussäätely liittyi poikkeavaan solujen lisääntymiseen, apoptoosiin ja kypsymiseen sekä vähentyneeseen nefroni- ja stroomakantasolujen merkkiaineen ilmentymiseen. Väitöskirjatutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että Wnt-11 -toiminto on välttämätön sydänlihaksen normaalin muodostumisen ja kypsymisen sekä munuaisputken normaalin morfogeneesin kannalta sikiövaiheen ja syntymän jälkeisen kehityksen aikana. Wnt-11 -poistogeenisen hiiren fenotyypi riippuu geneettisestä tausta, samaan tapaan kuin ihmisen synnynnäisissä sairauksissa. Väitöstutkimuksesta saatavalla tiedolla voi olla merkitystä tutkittaessa ihmisen synnynnnäistä kardiomyopatiaa ja munuaisten monirakkulatautia.

Abstract The embryonic urogenital system generates the metanephric kidneys, the gonads and the adrenal glands, and its development is based on sequential and reciprocal cell and tissue interactions. The mechanisms which regulate urogenital ontogeny are still poorly understood. In this thesis, the roles of Wnt-4 and ErbB4 functions in gonad and kidney development were analysed by using in vivo functional genomic technologies. Wnt-4 is crucial in female development since its absence leads to a partial female to male sex reversal. We found that Wnt-4 mediated the interactions between the somatic and the germ cells and played a role in meiosis which is regulated in part by the secreted signal retinoic acid (RA). Expression of certain meiosis-controlling genes (Stra8, Spo11) was inhibited in the Wnt-4 deficient germ cells, while certain pluripotency genes (Oct4, Fgf9, Sox2 and Dnmt3l) were activated similarly as in the wild-type male gonad. In addition to this, we noted that a gene encoding for a Cyp26b1 enzyme, which degrades RA in the embryonic testis, was ectopically expressed in the Wnt-4 deficient ovary. Microarray analysis was used to identify candidate Wnt-4 target genes by using the Wnt-4 knock-out mouse. Of these genes, Runx-1 may represent a novel signalling target to mediate Wnt-4 activity in the control female development The role of receptor-tyrosine kinase ErbB4 in kidney development was studied by using both in vivo gain and loss of function approaches. In the gain-of-function situation, we found that certain markers for the epithelial tubules and collecting ducts lost their polarized expression pattern. At the same time, the orientation of the cells in the kidney tubules was deregulated and an increase in cell proliferation was noticed. We suggest that the observed defects gave rise to an increase in the tubule diameter and to cyst formation in the kidney cortex. In the loss-of-function mouse, the lack of ErbB4 expression led to a similar phenotype as with the gain of function, and the renal functions of the mutant adult kidneys were compromised. In conclusion, the results point to specific roles for Wnt-4 and ErbB4 in the control of urogenital development. Wnt-4 appears to be crucial in sustaining proper female somatic cell and germ cell differentiation, and maintenance of gonad development during and after the sex determination event, while ErbB4 activity is critical for the regulation of tubular growth in embryonic kidney development. / Tiivistelmä Sekä nisäkkään jälkimunuainen, lisämunuainen että sukurauhanen kehittyvät alkion urogenitaalialueen järjestelmästä ja solu- ja kudosvuorovaikutukset ohjaavat elinkehitysprosessia. Tapahtuman molekyylitason mekanismit ovat kuitenkin huonosti tunnettuja. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin Wnt-4 signaalin tehtäviä sukurauhasen ja ErbB4- proteiinin munuaisen kehityksessä. Wnt-4 signaali on keskeinen naisen sukupuolisuuden kehityksessä, koska signaalin puutos aiheuttaa alkion sukupuolen osittaisen kääntymisen naaraasta koiraaksi. Tarkastelimme aluksi sitä, välittääkö Wnt-4 itusolujen ja sukurauhasen somaattisten solujen vuorovaikutuksia ohjaten itusolujen meioosia, jota mm. A-vitamiini säätelee. Havaitsimme, että Wnt-4 geeni puuttuessa tietyt meioosia säätelevät geenit kuten Stra8 ja Spo11 olivat heikentyneet, kun taas solujen monikykyisyyteen liittyvät geenit kuten Oct4, Fgf9, Sox2 ja Dnmt3l aktivoituivat vastaavalla tavalla kuin havaitaan normaalisti koirasalkion kivesaiheessa. Tämän lisäksi havaitsimme, että Cyp26b1-geeni, joka johtaa A-vitamiinin hajoamiseen alkiossa ja estää normaalisti meioosin koirasalkion kivesaiheessa oli aktivoitunut munuaisrauhasaiheessa, jolta puuttuu Wnt-4 aktiivisuus. Tuloksemme osoittavat, että Wnt-4 säätelee osaltaan naarasalkion itusolujen meioosia. Tarkastelimme myös mikrosirututkimusten avulla niitä geenejä, joita Wnt-4 säätelee sukuelinaiheessa. Identifioimme useissa Wnt ja β-catenin signaalireittiin liittyvissä geeneissa muutoksia. Muuntuneet geenit voivat olla Wnt-4 signaalireitin kohdegeenejä. Näistä Runx-1 saattaa olla keskeinen Wnt signaalitien kohdegeeni, joka säätelee merkittävällä tavalla naaraan munarauhasen kehitystä. Väitöskirjan toisessa osassa tarkastelimme ErbB4-reseptorityrosiinikinaasin tehtäviä munuaisen kehityksen säätelyssä. ErbB4-geenin tehtäviä tutkittiin käyttäen hyväksi siirtogeenisiä malliorganismeja, joissa ErbB4-geenin määrä oli joko koholla tai ajastetusti inaktivoitu. ErbB4- geenin kokeellinen yliaktiivisuus muutti spesifisti tekijöitä, jotka säätelevät osaltaan jälkimunuaisen epiteeliputkien solujen orientaatiota ja solun jakautumista. Solujen orientaatiomuutoksen yhteydessä myös solujen jakautuminen häiriintyi. Oletuksemme on, että nämä epiteelikudoksessa tapahtuneet muutokset ovat syy, miksi kohotettu ErbB4-aktiviteetti muuttaa epiteeliputkien paksuutta ja pituutta erityisesti munuaisen pintakerroksissa. Havaitsimme myös, että ErbB4-geenin ajastettu poistaminen munuaisen epiteelikudoksessa johti hyvin samankaltaisiin, mutta vastakkaisiin muutoksiin kuin ErbB4-aktiviteetin kohottaminen. Muutokset johtivat myös muutoksiin munuaisen toiminnassa. Yhteenvetona toteamme, että näillä Wnt-4 ja ErbB4 solusignallointiin liittyvillä molekyyleillä on keskeinen tehtävä alkion munarauhasen ja munuaisen aiheen kehityksen säätelyssä. Wnt-4 ohjaa sekä itusolujen että somaattisten solujen erilaistumista ja samalla sukupuolen määräytymistä ja jatkokehitystä, kun taas ErbB4-signallointireseptorin tehtävä on avainasemassa munuaisen epiteeliputken kasvun säätelyssä.