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.