Abstract Erythropoiesis is the process of red blood cell production. The main regulator is the erythropoietin (EPO) hormone, which is strongly upregulated in low oxygen concentration (hypoxia) in cells via the hypoxia-inducible transcription factor HIF. The stability of HIF is regulated in an oxygen-dependent manner by three HIF prolyl 4-hydroxylases, all of which are known to participate in the regulation of erythropoiesis. A role in erythropoiesis of a fourth prolyl 4-hydroxylase, P4H-TM, which possesses a transmembrane domain, is not known, but it is able to hydroxylate HIF at least in vitro and in cellulo. The role of P4H-TM in erythropoiesis was studied by administering a HIF-P4H inhibitor, FG-4497, to P4h-tm null, Hif-p4h-3 null, and Hif-p4h-2 hypomorph mouse lines. The current study suggests that P4H-TM is involved in the regulation of EPO production, hepcidin expression and erythropoiesis. P4H-TM can thus be a new target for inhibition when designing novel pharmacological treatment strategies for anemia. LOX is required for crosslink formation between lysine residues in fibrillar collagens and elastin. These crosslinks enhance the tensile strength of collagen fibers and provide elasticity to elastic fibers and thus generate important structural support for tissues. LOX is required for normal embryonic development of the cardiovascular and pulmonary systems, and its depletion leads to a generalized elastinopathy and collagenolysis leading to perinatal death of Lox null mice. The development of muscles is a delicate process, which requires coordinated signaling and a homeostatic balance between the muscle and muscle connective tissue. Based on the drastic defects that were found in the present study in the skeletal muscle of Lox null mice, lack of LOX clearly disturbs this balance and increases transforming growth factor β (TGF-β) signaling, which leads to defects in the skeletal muscles. The impaired balance can cause muscle disorders, such as Duchenne Muscular Dystrophy (DMD). Despite the clinical significance, very little is known about the mechanisms controlling this homeostatic balance. The discovery of LOX as a regulating factor during skeletal muscle development will help to clarify the role of extracellular matrix (ECM) in muscle development and in muscle related congenital diseases. / Tiivistelmä Erytropoieesi on fysiologinen prosessi, jossa tuotetaan veren punasoluja ja jonka pääsäätelijänä toimii erytropoietiini (EPO) hormoni. EPO:n geeni ilmentyy voimakkaasti alhaisessa happipitoisuudessa (hypoksia) hypoksia-indusoituvan transkriptiotekijän (HIF) toimesta. HIF-tekijän stabiilisuutta säätelee kolme HIF-prolyyli-4-hydroksylaasientsyymiä (HIF-P4H) hapesta riippuvaisesti, ja niiden tiedetään siten osallistuvan myös erytropoieesin säätelyyn, HIF-P4H-2:n toimiessa pääsäätelijänä. Neljännen transmembraanisen prolyyli-4-hydroksylaasin (P4H-TM) roolia erytropoieesissa ei vielä tiedetä, mutta sen tiedetään säätelevän HIF-tekijää. Työssä käytettiin Hif-p4h-2, Hif-p4h-3 ja P4h-tm muuntogeenisiä hiirilinjoja, joiden entsymaattinen aktiivisuus on alentunut tai poistettu. P4H-TM:n osallisuutta erytropoieesin säätelyyn tutkittiin antamalla hiirilinjoille HIF-P4H-entsyymejä inhiboivaa lääkettä. Tutkimuksen tulokset osoittavat ensimmäistä kertaa P4H-TM:n säätelevän EPO-geenin ilmentymistä ja siten erytropoieesia. Ennestään tiedettyjen HIF-P4H entsyymien inhiboinnin lisäksi P4H-TM:n inhibointia voidaan pitää uutena kohteena uusien farmakologisten hoitokeinojen kehityksessä. Lysyylioksidaasi (LOX) katalysoi säikeisten kollageenien välisten sekä elastisten säikeiden välisten poikkisidosten muodostumista. Pokkisidokset antavat vetolujuutta kollageeneille ja joustavuutta elastisille säikeille ja ovat siten tärkeitä kudoksen rakenteelle. LOX:ia tarvitaan sikiön kehityksen aikana mm. hengitys-, sydän- ja verisuonielimistöjen kehityksessä. LOX:in puutos hiirillä aiheuttaa viallisia elastisia- ja kollageenisäikeitä, johtaen poikasten kuolemaan synnytyksen yhteydessä. Lihasten kehitys on tarkoin säädelty prosessi, jossa lihas ja lihaksen sidekudos säätelevät toisiansa. LOX:n suhteen poistogeenisissä Lox-/- sikiöissä löydettiin selviä ongelmia luurankolihasten kehityksessä. LOX:n puutoksen osoitettiin lisäävän transformoivan kasvutekijä beetan (TGF-β) määrää, joka estää luustolihaksia kehittymästä normaalisti. LOX kykenee sitoutumaan TGF-β:aan ja inhiboimaan sen aktiivisuutta ja LOX:n puuttuessa inhibointia ei tapahdu. Tutkimus osoittaa LOX:n olevan keskeinen tekijä lihaksen kehityksessä ja siten auttaa ymmärtämään sidekudoksen merkitystä luurankolihasten kehityksessä ja siihen liittyvissä sairauksissa.

Abstract Oxygen is essential for aerobic organisms, as shortage of oxygen (hypoxia) can induce cellular dysfunctions and even cell death, leading to tissue damage and decreased viability of the organism. Oxygen homeostasis is regulated delicately by several mechanisms, the major one being the hypoxia-inducible factor (HIF) pathway that is evolutionarily conserved. HIFα subunits are regulated in an oxygen-dependent manner via three HIF prolyl 4-hydroxylases (HIF-P4Hs). In the presence of oxygen HIF-P4Hs modify HIFα, which leads to its degradation, whereas in hypoxia the HIF-P4H enzymes cannot function and HIFα is stabilized. HIF regulates more than 300 genes that enhance oxygen delivery from the lungs to tissues and reduce oxygen consumption in tissues, such as those for erythropoietin and vascular endothelial growth factor. When a tissue suffers from hypoxia caused by a circulatory restriction, the situation is called ischemia. In this study we used a genetically modified HIF-P4H-2 hypomorph mouse line that expresses 8% of the wild-type Hif-p4h-2 mRNA in the heart and 19% in skeletal muscle, and has HIFα stabilization in both tissues. We showed that chronic HIF-P4H-2 deficiency leads to protection against acute ischemic injury both in the heart and in skeletal muscle. The protection was mainly due to enlarged capillaries and better perfusion in both tissues. Hypoxia is known to decrease body weight. The observation of the HIF-P4H-2 deficient mice being leaner than their wild-type littermates led us to study their body constitution, metabolism and adipose tissue in detail. We discovered that chronic HIF-P4H-2 deficiency protects against obesity and several metabolic dysfunctions including diabetes and metabolic syndrome. These beneficial outcomes were mimicked when a pharmacological pan-HIF-P4H inhibitor was administered to wild-type mice. In these studies we showed that pharmacological HIF-P4H-2 inhibition may provide a novel treatment for diseases such as acute myocardial infarction, peripheral artery disease and metabolic disorders. / Tiivistelmä Happi on edellytys aerobisen eliön, kuten ihmisen, elämälle; hapen niukkuus (hypoksia) voi johtaa monenlaisiin solun toimintahäiriöihin, jotka voivat edelleen aiheuttaa solun kuoleman, kyseisen kudoksen vaurion, ja lopulta eliön elinkyvyn heikkenemisen. Happitasapainoa säädellään monilla menetelmillä, joista merkittävin on hypoksiassa indusoituvasta tekijästä (HIF) riippuvainen reitti, joka on evoluutiossa säilynyt. HIFα alayksiköitä säätelee hapesta riippuvaisesti kolme HIF prolyyli 4-hydroksylaasia (HIF-P4Ht). Hapen läsnä ollessa HIF-P4H on aktiivinen ja johtaa HIFα:n hajottamiseen, kun taas hypoksiassa HIF-P4H entsyymit eivät voi toimia ja siten HIFα stabiloituu. HIF säätelee yli 300 geeniä, jotka edistävät hapen kuljetusta ja pääsyä keuhkoista kudoksiin sekä vähentävät hapenkulutusta. Näitä geenejä ovat mm. erytropoietiini sekä vaskulaarinen endoteelikasvutekijä. Kudoksen heikentyneestä verenkierrosta johtuvaa hapenpuutetta kutsutaan iskemiaksi. Tässä tutkimuksessa käytimme geneettisesti muunneltua HIF-P4H-2 hypomorfi-hiirikantaa, joka tuottaa Hif-p4h-2 lähetti-RNA:ta sydämessä vain 8 % ja luurankolihaksessa 19 % villityypin määrästä, ja jolla on HIFα stabiloituneena molemmissa kudoksissa. Osoitimme, että krooninen HIF-P4H-2:n puute suojaa sekä sydäntä että luurankolihasta akuutissa iskemiassa. Vaikutus johtui pääasiassa suuremmista kapillaareista ja paremmasta perfuusiosta molemmissa kudoksissa. Aikaisempien tutkimusten perusteella tiedetään, että hypoksia alentaa painoa. Huomio siitä, että HIF-P4H-2 puutteiset hiiret ovat hoikempia kuin villityypin sisaruksensa, johti meidät tutkimaan hiirten kehon koostumusta, aineenvaihduntaa ja rasvakudosta tarkemmin. Tutkimuksissamme selvisi, että krooninen HIF-P4H-2:n puute suojaa lihavuudelta ja monelta aineenvaihdunnan häiriöltä kuten sokeritaudilta ja metaboliselta oireyhtymältä. Nämä edulliset vaikutukset toistuivat, kun annoimme villityypin hiirille pan-HIF-P4H inhibiittoria. Kaiken kaikkiaan, näissä tutkimuksissa osoitimme, että lääkkeellinen HIF-P4H-2:n estäminen voi tarjota uuden keinon sydäninfarktin, luurankolihasiskemian ja aineenvaihdunnan häiriöiden hoitoon.