Abstract In the kidney, Wnt is involved in ureteric bud branching and nephrogenesis. Wnt mutation may lead to specific developmental dysfunctions and diseases. As part of this thesis, I show that Wnt11 is expressed in the renal tubules, except for the ureteric epitheliums, and I examine the function of Wnt11 in renal tubule organization using the new C57Bl6 Wnt11-/- mouse model. Convoluted and dilated tubules were observed in the Wnt11 mutated kidneys that may cause glomerular cysts and kidney dysfunction. More specifically, a lack of Wnt11 in the kidney reduced Six2, Hoxd1, and Hox10 expression, which may have contributed to the anomalies in the kidney tubular system. Embryogenesis and carcinogenesis share molecular characteristics. Gene expression changes take place during development to meet the demands of the tissue formation, but ectopic expression of embryonic genes by deletion, SNPs, or epigenetic modification in adult may lead to cancer. The research carried out as part of this thesis identified genes that were differentially expressed in both induced metanephric mesenchymes (MM) and human ccRCC. Gene silencing of Bnip3, Gsn, Lgals3, Pax8, Cav1, Egfr, and Itgb2 mediated by siRNA inhibited the migration, viability and invasion capacity of Renca cells (RCC). Furthermore, by using the novel 3D in vitro MM-Renca co-culture setup, the result revealed that downregulation of Bnip3, Cav1 or Gsn in Renca cells partly rescued the RCC-mediated inhibition epithelial tubules formation during nephrogenesis. Altogether, the data demonstrates that renal ontogenesis control genes play a role both in normal kidney development and in kidney cancer. The 3D RCC-MM chimera organoids developed as part of the research may also serve as a novel model for kidney cancer study. / Tiivistelmä Wnt-viestit ohjaavat munuaisen kehityksen yhteydessä sekä virtsanjohtimen että munuaiskeräsen kasvua. Virhe Wnt-proteiinia tuottavassa geenissä johtaa puolestaan vakavaan kehityshäiriöön ja syöpään, jos geeni aktivoituu aikuisvaiheessa. Tässä väitöskirjassa osoitetaan, että Wnt11-geeni osallistuu alkion munuaisen epiteeliputkiston kehityksen säätelyyn. Wnt11-signaalin tehtävää tutkittiin munuaisen putkiston rakenteen synnyssä poistogeenisen C57Bl6-hiirimallin avulla. Wnt11-puutos häiritsi virtsan kokoojatiehyiden rakenteiden kehitystä. Tämä on mahdollinen syy siihen, että Wnt11-poistogeenisen hiiren munuaiseen kehittyy hiusverisuonikerästen laajentumia. Munuaisen toiminta on myös heikentynyt verrokkiin verrattuna. Munuaisen epiteeliputkien kehitykseen osallistuvien geenien Six1, Hoxd1 ja Hox10 aktiivisuus oli niin ikään heikentynyt Wnt11-signaloinnin puutoksen vuoksi. Nämä seikat voivat olla puutoksen aiheuttamien kudosrakenteellisten muutosten taustalla. Solun kasvusäätely on keskeinen tekijä sekä alkion että syövän kehityksessä. Prosessien taustalla ovat myös samankaltaiset molekyylit. Wnt-solusignaalit esimerkiksi säätelevät normaalin kehityksen aikana solujen itsesäätelyä, solujen jakautumista, solujen vaeltamista ja solujen invaasiota kudoksiin ja osallistuvat syövän syntyyn niiden viestinnän häiriintyessä. Kehitystä säätelevien geenien tuotteet ohjaavat solujen jakautumista, mikä on edellytys kudosrakenteen synnylle. Jos nämä geenit syystä tai toisesta aktivoituvat uudelleen aikuisvaiheen aikana, se voi johtaa syöpäkasvaimen syntyyn. Tässä työssä verrattiin keskenään munuaisen elinkehitykseen ja ihmisen syövän kasvuun osallistuvia geenejä. siRNA-välitteinen hiljennys geeneille Bnip3, Gsn, Lgals3, Pax8, Cav1, Egfr ja Itgb2 inhiboi Renca-solujen migraatiota, elinkykyä ja invaasiota. Lisäksi tulokset paljastivat, että käytettäessä uutta 3D in vitro MM Renca -kasvatusmenetelmää Bnip3-, Cav1- tai Gsn-geenien hiljennys Renca-soluissa osittain pelastaa RCC-välitteisen inhibition epiteeliputkissa nefrogeneesin aikana. Kaiken kaikkiaan työssä seulottiin uusin tavoin sekä ihmisen munuaissyöpään liittyviä geenejä että kehitettiin lisäksi uusia niin kutsuttuja kokeellisia funktionaalisia organoidimenetelmiä. Työn tulokset tarjoavat uuden strategian, jolla geenien osuutta munuaissyöpään voidaan tutkia seikkaperäisesti yhdessä 3D-kasvatusmenetelmien kanssa

Abstract Kidney diseases affect an increasing number of people worldwide, and there is a growing demand to develop new treatments and increase the number of transplantable organs. New treatments can be designed when new knowledge is gained by studying the details of kidney development. The ex vivo culture techniques have been used for over a century to study the development of kidneys, but they are not optimal for long-term imaging and following the nephrogenesis process over time. Kidney organoids, which are cellular aggregates resembling the in vivo kidney, together with intact embryonic kidneys, present a platform for these studies. However, there are limitations when working with primary embryonic kidney cells. Primary embryonic metanephric mesenchymal cells are usually low in number and lose the ability to undergo nephrogenesis rapidly. New ways to culture, biobank, and transfect cells can offer ways for functional testing of the effects of different genes on the nephrogenesis. This study presents new tools for studying nephrogenesis. Time-lapse imaging of organ development may be enhanced by using a Fixed Z-direction (FiZD) culture system where the kidney explant is grown in a restricted 70μm space. The technique enables the segmentation of the individual cells in a two-dimensional image and a dynamic analysis of the time-lapse data. This study also presents a technique of dissociation and reaggregation of the uninduced kidney metanephric mesenchyme (MM). With this novel method of culturing the dissociated MM cells in a growth factor medium for 24 hours, the cells can keep their competence for nephrogenesis. This technique allows the genetic manipulation of the MM cells before the induction to form nephrons, allowing functional testing of genes in the metanephric mesenchyme. This study further presents different techniques for gene editing of MM cells and introduces biobanking of primary kidney cells. It is shown here that the MM and ureteric bud (UB) cells have the capability to remember their fates and build nephron-like structures or continue branching after the cryopreservation in the liquid nitrogen. The methods introduced here provide new ways to create kidney organoids, manipulate their genome, and biobank the primary embryonic kidney cells. The developed FiZD culture system enhances the imaging of kidney development compared to the previously used culture methods. Using this method, the morphogenesis of the developing kidney can be followed more precisely, even in a single cell level. This culture method may also be used to culturing other organs, such as ovary, and may help provide insights into the development of other tissues as well. / Tiivistelmä Munuaissairauksiin sairastuvien määrä on lisääntynyt maailmanlaajuisesti, ja se on aikaansaanut tarpeen uusien hoitokeinojen sekä siirtoelimien kehitykseen. Näiden kehittämiseksi tarvitsemme uutta tietoa munuaisen kehityksestä ja toiminnasta. Munuaisen kehitystä on tutkittu ex vivo -viljelyn avulla jo yli vuosisadan ajan, mutta nykyiset elinviljelytekniikat eivät ole kuitenkaan optimaalisia pitkäkestoiseen time-lapse-kuvaukseen. Tässä työssä käytetään munuaisen kehityksen tutkimiseen hiiren alkion munuaisia sekä munuaisorganoideja, jotka ovat munuaissoluista koostuvia ja aitoa munuaista mallintavia soluaggregaatteja. Primaaristen munuaissolujen käyttöön sisältyy rajoitteita, ja tämä luo tarpeen uusien organoiditekniikoiden kehitykseen ja optimointiin. Primaarisia munuaissoluja on yleensä käytettävissä pieniä määriä, ja ne eivät myöskään sovellu pitkäkestoiseen kasvatukseen, koska ne menettävät nopeasti kykynsä muodostaa nefroneita. Uusien tekniikoiden avulla voidaan parantaa näiden solujen kasvatusta, säilytystä ja transfektointia ja edistää eri geenien vaikutuksia tutkivat funktionaaliset testaukset. Tässä tutkimuksessa esitetään uusia työkaluja nefrogeneesin tutkimiseen. Elinten kehitystä seuraavan time-lapse-kuvauksen laatua voidaan parantaa käyttämällä tässä työssä esitettyä FiZD-kasvatusmenetelmää, jossa munuaiseksplantti kasvaa rajoitetussa 70μm:n tilassa. Kuvat ovat korkealaatuisia, ja se mahdollistaa 2D-kuvan yksittäisten solujen segmentoinnin ja solujen liikkeiden dynaamisen analyysin. Lisäksi tässä tutkimuksessa esitetään ei-indusoidun munuaismesenkyymin käsittelyyn kehitetty dissosiaatio- ja reaggregaatiomenetelmä. Munuaisen kehityksen alkuvaiheessa on mahdollistaerottaa nefroneja muodostava metanefrinen mesenkyymi (MM) sekä munuaisen kokoajaputkiston muodostava ureterin silmu. Metanefrinen mesenkyymi voidaan hajottaa yksisolususpensioksi, säilyttää 24 tuntia kasvutekijämediumissa ja tämän jälkeen reaggregoida ja indusoida muodostamaan nefroneita. Tämä tekniikka mahdollistaa MM-solujen geneettisen muokkauksen, ennen kuin munuaisen kehitys alkaa. Tämä tekniikka mahdollistaa myös dissosioitujen MM solujen geneettiset muokkaukset. Geenien yliekspression tai hiljentämisen avulla voidaan tehdä funktionaalisia kokeita näiden muutosten vaikutuksesta nefrogeneesiin. Lisäksi tässä työssä esitetään munuaisprogenitorisolujen säilömistä syväjäädytyksellä. Munuaisprogenitorisolut voidaan säilöä nestetyppeen, minkä jälkeen ne ovat edelleen kykeneviä muodostamaan nefronirakenteita tai haarautumaan. Tässä väitöskirjatyössä esitettyjen menetelmien avulla on tulevaisuudessa mahdollista saada lisätietoa munuaisten kehitysprosessista. Kehitetty FiZD-kasvatusmenetelmä parantaa munuaisen kehityksen kuvantamista ja mahdollistaa yksittäisten solujen seuraamisen. Tämä kasvatusmenetelmä sopii myös muiden elinten, kuten munarauhasten, ja kudosten kasvatukseen, ja sen avulla voidaan saada tietoa myös niiden kehityksestä.