Abstract Prolyl hydroxylases catalyze the post-translational formation of 3- and 4-hydroxyprolines in polypeptides. To date, two prolyl 4-hydroxylase families are known to exist: collagen prolyl 4-hydroxylases (C-P4Hs) which reside in the endoplasmic reticulum, and hypoxia-inducible factor prolyl 4-hydroxylases (HIF-P4Hs) which reside in either the cytoplasm or nucleus. C-P4Hs and HIF-P4Hs belong to the 2-oxoglutarate dioxygenase family and require Fe2+, 2-oxoglutarate, O2 and ascorbate in their reaction. C-P4Hs are critical enzymes in collagen biosynthesis since the formation of 4-hydroxyproline residues stabilizes the collagen triple helix at body temperature. HIF-P4Hs regulate, through hypoxia-inducible factor HIF, the expression of genes that are essential for the survival of cells during hypoxia. This thesis reports the cloning and characterization of two novel P4Hs, from human and a plant, which show some distinct features when compared to previously characterized P4Hs. The human P4H was found to have a unique transmembrane domain, with its catalytic region residing inside the lumen of the endoplasmic reticulum, its subcellular localization thus being identical to that of the C-P4Hs. However, unlike C-P4Hs, it hydroxylated HIF-α both in vitro and in cellulo. Furthermore, its expression level was induced in hypoxic conditions in most of the cell lines studied. The Arabidopsis thaliana P4H had distinct differences in its substrate specificity when compared to another previously characterized A. thaliana P4H. Interestingly, the putative peptide binding regions of the two new P4Hs characterized in this study shared some homology. Three prolyl 3-hydroxylase (P3H) isoenzymes are known to exist in vertebrates and they also belong to the 2-oxoglutarate dioxygenases. It is known that 3-hydroxyprolines are found only in collagens, being most abundant in type IV collagen. The function of this modification is as yet poorly understood, but its absence in collagen I has recently been shown to lead to recessive lethal osteogenesis imperfecta. The human P3H isoenzymes were cloned during these thesis studies, and were expressed as recombinant proteins. The kinetic properties of one of them, P3H2, which was found to be expressed in structures rich with basement membranes, was studied in detail. / Tiivistelmä Prolyylihydroksylaasit ovat entsyymejä, jotka katalysoivat 3- ja 4-hydroksiproliinien muodostumisen valkuaisaineissa. Nykyisin tunnetaan ainakin kaksi prolyyli-4-hydroksylaasien (P4H) entsyymiperhettä: endoplasmakalvostossa sijaitsevat kollageeni prolyyli-4-hydroksylaasit (kollageeni-P4H:t) sekä vähähappisissa olosuhteissa aktivoituvaa transkriptiotekijää, hypoksiaindusoituvaa faktoria (HIF), hydroksyloivat prolyyli-4-hydroksylaasit (HIF-P4H:t). HIF-P4H:t sijaitsevat sytoplasmassa ja tumassa. Sekä kollageeni-P4H:t että HIF-P4H:t kuuluvat 2-oksoglutaraattidioksygenaasien laajaan entsyymiperheeseen. Nämä entsyymit tarvitsevat kosubstraateikseen rautaa, 2-oksoglutaraattia, happea sekä C-vitamiinia. Kollageeni-P4H:t hydroksyloivat kollageenien proliinitähteitä ja ovat avainasemassa kollageenisynteesissä, sillä muodostuneet 4-hydroksiproliinitähteet ovat ehdoton vaatimus stabiilille kollageenirakenteelle. HIF-P4H:t säätelevät puolestaan niiden geenien ilmenemistä, jotka ovat välttämättömiä elimistön selviytymiselle vähähappisissa olosuhteissa. HIF-P4H:t hydroksyloivat HIF-transkriptiotekijän α-alayksikön tiettyjä proliinitähteitä hapen läsnä ollessa, joka ohjaa α-alayksikön proteasomaaliseen hajotukseen eikä aktiivista HIF transkriptiotekijää siten muodostu. Alentuneessa happipitoisuudessa HIF-P4H entsyymien toiminta estyy, HIF stabiloituu ja aktivoi kohdegeeniensä toiminnan. Kollageeni-P4H entsyymejä pidetään erityisen sopivina lääkekehityksen kohteina fibroottisten ja HIF-P4H entsyymejä iskeemisten sairauksien hoitoon. Tässä väitöskirjatyössä on karakterisoitu aiemmin tuntematon ihmisen transmembraaninen P4H entsyymi (P4H-TM). Entsyymi osoittautui indusoituvan vähähappisissa olosuhteissa useissa solulinjoissa ja hydroksyloivan HIF-transkriptiotekijää muistuttaen siten HIF-P4H entsyymejä. Kuitenkin P4H-TM:n solulokalisaatio poikkesi HIF-P4H entsyymeistä, sillä sen havaittiin sijaitsevan endoplasmakalvostossa, katalyyttinen keskus kalvoston sisällä. Näiden tutkimustulosten valossa on oletettavaa, että tällä ihmisentsyymillä on HIF:n lisäksi toinen toistaiseksi tuntematon fysiologinen substraatti. Väitöskirjassa karakterisoitiin toinen lituruohon, Arabidopsis thalianan, P4H (At-P4H-2), joka poikkesi katalyyttisiltä ominaisuuksiltaan aiemmin karakterisoidusta lituruohon P4H:sta. Näiden kahden kasvientsyymin substraattivaatimusten poiketessa selvästi toisistaan, on niillä solussa todennäköisesti spesifiset tehtävät. At-P4H-2:n oletetulla substraatin sitomisalueella on jakso, joka on 37-prosenttisesti identtinen ihmisen P4H-TM:n kanssa, minkä vuoksi At-P4H-2:n karakterisoinnin uskottiin olevan tärkeä apuväline ihmisen P4H-TM:n tutkimuksissa. Selkärankaisilla prolyyli-3-hydroksylaaseja (P3H) tiedetään olevan kolme, ja myös ne kuuluvat 2-oksoglutaraattidioksygenaaseihin. 3-Hydroksiproliinia esiintyy ainoastaan kollageeneissa, erityisesti tyypin IV kollageenissa, joka on tyvikalvojen tärkeä rakennekomponentti. 3-Hydroksiproliinin merkitystä ei tunneta vielä tarkoin, mutta tyypin I kollageenissa 3-hydroksiproliinin puutoksen on osoitettu johtavan vaikeaan luustosairauteen, osteogenesis imperfectaan. Väitöskirjatyössä ihmisen P3H:t kloonattiin ja tuotettiin rekombinanttiproteiineina. Yhden isoentsyymin (P3H2) katalyyttiset ominaisuudet määritettiin ja sen osoitettiin ilmenevän erityisesti kudoksissa, joissa on paljon tyvikalvorakenteita.

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.