Abstract Adenosine receptors are heterotrimeric guanine nucleotide-binding (G protein)-coupled receptors (GPCRs) that mediate the effects of the endogenous agonist adenosine. The adenosine A3 receptor (A3R) is the least explored among the four human adenosine receptor subtype members (A1, A2A, A2B and A3) and it is implicated in both neuroprotective and neurodegenerative effects. During the course of this work, the production of the recombinant human A3R in yeast and insect cells was evaluated and heteromerization between the human adenosine A2A receptor (A2AR) and the dopamine D2 receptor (D2R) was studied. A3R with carboxyl-terminal GFP tag was expressed in the yeast Saccharomyces cerevisiae upto 15 mg per litre of culture. Another yeast Pichia pastoris increased the expression up to 108 mg/L of the same receptor when grown in bioreactors. Despite the very high expression levels, purification of A3R from both yeasts was a daunting task, as the aggregation of the receptor could not be averted. In this study, insect cells have been found out to be more suitable host for A3R expression: 10µg of the monomeric A3R could be purified from one liter of insect cell culture. For successful crystallization thermostability of the A3R was to be improved. This work has demonstrated that insertion of T4L, a fusion protein, in the third intracellular loop of A3R increased the thermostability of the receptor by 10°C. As a next step, the combination of point mutations based on alanine-scanning mutagenesis and a fusion protein approach could be useful to stabilize and further crystallize the A3R. This work has demonstrated that the amounts of A3R expressed in insect cells and the final yield of the receptor isolated by affinity purifications, forms a good basis for the beginning of biochemical characterization Receptor heteromerization is a mechanism used by GPCRs to diversify their signaling properties and functions. The human A2AR and D2R heteromers exist in the GABAergic enkephalinergic neurons. The domains responsible for forming intermolecular contacts were purified from Escherichia coli (E. coli). Using biochemical/biophysical techniques such as native-PAGE and mass spectrometry, It was validated that purified carboxyl-terminus of the A2AR and the 3rd intracellular loop of D2R form heterodimers. The investigation of purified calmodulin protein binding to the 3rd intracellular loop of D2R showed that the protein-protein interactions are calcium dependent. / Tiivistelmä Adenosiinireseptorit kuuluvat G-proteiinikytkeiset reseptorit (GPCR:t) proteiiniperheeseen. Adenosiinireseptorit välittävät endogeenisen ligandinsa adenosiinin vaikutuksia solukalvolta solunsisäisiin signaalijärjestelmiin. Adenosiini A3 reseptori (A3R) on adenosiinireseptorien neljästä alatyypistä (A1, A2A, A2B ja A3) vähiten tutkittu. Aikaisempien tutkimusten perusteella A3 reseptori yhdistetään sekä hermosoluja suojaaviin että rappeuttaviin tapahtumiin. Tässä työssä arvioitiin sekä ihmisen rekombinantti-A3R:n tuottumista hiiva- ja hyönteissoluissa että tutkittiin ihmisen adenosiini A2A reseptorin (A2AR) ja dopamiini D2 reseptorin (D2R) heteromerisoitumista. Rekombinantti A3 reseptori- vihreä fluoresoiva proteiini (GFP) fuusioproteiinia tuotettiin Saccharomyces cerevisiae -hiivassa 15 mg litrassa kasvatusliuosta. Pichia pastoris -hiivakanta taas kasvatti saman reseptorin tuottumista aina 108 mg/l saakka, kun tuotto tehtiin bioreaktorissa. Hyvin korkeasta tuottotasosta huolimattaA3R:n puhdistus hiivasta oli ylitsepääsemätön tehtävä, sillä reseptorin saostumista ei voinut välttää. Työssä havaittiin, että hyönteissolut sopivat paremmin A3R:n tuottoon: noin 10 µg monomeerista A3R:a voitiin puhdistaa litran hyönteissoluviljelmästä. Reseptorin stabiilisuuden lisääminen helpottaa reseptorin biokemiallista ja biofysikaalista karakterisointia. Tässä työssä osoitettiin, että T4L-proteiinin lisääminen A3R:n kolmannen solunsisäisen silmukan paikalle lisää reseptorin lämpöstabiilisuutta 10 °C. Jatkotutkimuksissa voitaisiin käyttää alaniiniskannausmutageneesiin perustuvien pistemutaatioiden ja fuusioproteiinin yhdistelmää A3R:n lisästabilointiin ja kiteytykseen. Tämän työn perusteella määrät, joilla A3R tuottuu hyönteissoluissa ja jotka saadaan eristettyä affiniteettipuhdistuksilla, muodostavat hyvän perustan proteiinin biokemialliselle karakterisoinnille. Reseptorin heteromerisoituminen on GPCR:en käyttämä mekanismi signalointiominaisuuksien ja toimintojen monipuolistamiseksi. Ihmisessä A2AR ja D2R heteromeereja on GABAergisissä enkefalinergisissä hermosoluissa. Molekyylien välisiin kontakteihin osallistuvat domeenit puhdistettiin Escherichia coli (E. coli) -bakteerista. Biokemiallisia ja biofysikaalisia tekniikoita kuten natiivi-PAGE:a ja massaspektrometriaa käyttäen vahvistettiin, että puhdistettu A2AR:n karboksiterminaalinen osa ja D2R:n kolmas solunsisäinen silmukka muodostavat heterodimeereja. Myös tutkittaessa puhdistetun kalmoduliini-proteiinin sitoutumista D2R:n kolmanteen solunsisäiseen silmukkaan osoitettiin proteiini-proteiini -vuorovaikutuksen olevan kalsiumista riippuvainen.

Abstract Heterotopic ossification is a pathological condition in which bone forms outside the skeletal system. It can also occur in skin, which is the case in some genetic disorders. In multiple miliary osteoma cutis (MMOC), tiny bone fragments develop in the dermis and nearby subcutaneous tissue of the face and upper chest region during middle age. The etiology of the disease is poorly understood. The origin of the osteoma-forming cells is not known and also unknown are the signaling factors that direct the skin cells towards an osteogenic lineage. The purpose of this study was to investigate MMOC and the pathogenesis of ectopic bone formation by combining patient study and cell biology methods. The results from an extensive review of the literature and five new cases revealed MMOC as a distinct disease entity, where heterotopic bone formation is intramembranous. No correlation was found between MMOC and acne scars, hormonal disturbances or GNAS gene mutations. In cell culture studies mouse and human dermal fibroblasts and mouse dermal papilla (DP) cells were found to differentiate into osteoblast-like matrix mineralizing cells. The bone morphogenetic protein 4 (BMP-4) homodimer and BMP-2/7 heterodimer had significant effects on the osteogenic differentiation of the above mentioned cells. Interestingly, the BMPs enhanced the differentiation of mouse cells but reduced it in human cells. In mouse DP cells and human fibroblasts BMP-2/7 was more potent than BMP-4. The skin area affected by osteomas in patients was compared to their unaffected skin and also to the corresponding skin areas in controls with regard to osteogenic differentiation and gene expression studies. MMOC patients’ skin differs from controls both in osteoma and unaffected skin areas, which suggests MMOC is not only a local but also a systemic skin disease. The results confirm the previous findings that gene expression in skin is different in different parts of the body, which could explain why the osteomas develop in certain skin areas. The results of this study provide new information about MMOC and heterotopic ossification in skin and could be useful when developing treatments for MMOC. This study also presents new information about BMPs and their different effects in mouse and human cells, which may stimulate discussion about the generalization of mouse studies in humans and the clinical use of BMPs. / Tiivistelmä Virhesijaintinen luutuminen on patologinen tila, jossa luuta muodostuu luisen tukirangan ulkopuolelle. Tätä voi tapahtua myös ihossa, kuten käy tietyissä sairauksissa. Ihon lukuisat jyvämäiset osteoomat on tauti, jossa pieniä luujyväsiä ilmaantuu verinahkaan ja ihonalaiskudokseen keski-iässä. Taudin syytä, osteoomia muodostavien solujen alkuperää tai sitä, mitkä viestinvälittäjät saavat esiastesolut siirtymään luusolulinjalle, ei tiedetä. Tässä työssä tutkittiin ihon lukuisia jyvämäisiä osteoomia ja virhesijaintista luutumista yhdistämällä kliinisiä ja solubiologisia menetelmiä. Laajasta kirjallisuuteen perehtymisestä ja viidestä omasta potilaasta saadut tulokset osoittivat ihon lukuisten jyvämäisten osteoomien olevan oma erillinen tautinsa, jossa virhesijaintinen luutuminen tapahtuu suoran luutumisen mekanismilla. Tauti ei näytä olevan yhteydessä aknearpiin, hormonihäiriöihin tai GNAS-geenin mutaatioihin. Soluviljelykokeissa hiiren ja ihmisen verinahan fibroblastien ja hiiren karvatupen nystyn solujen havaittiin erilaistuvan osteoblastityyppisiksi soluväliainetta mineralisoiviksi soluiksi. Luun morfogeneettisillä proteiineilla (BMP) 4 ja 2/7 oli merkitsevä vaikutus yllä mainittujen solujen erilaistumisessa. Yllättävää kyllä, ne edistivät hiiren solujen, mutta vähensivät ihmisen solujen erilaistumista. Hiiren karvatupen soluille ja ihmisen fibroblasteille BMP-2/7 oli tehokkaampi kuin BMP-4. Potilaiden osteoma-aluetta verrattiin heidän terveeseen ihoalueeseensa samoin kuin vastaaviin ihoalueisiin kontrollihenkilöillä käyttäen menetelminä solujen erilaistamista luuta muodostavaan suuntaan sekä geenien ilmentymisen tutkimista. Potilaiden iho erosi kontrollien ihosta sekä osteooma-alueella että terveellä ihoalueella, mikä viittaa taudin olevan koko elimistöön vaikuttava. Tulokset vahvistavat aikaisempia löydöksiä siitä, että geenien ilmentyminen ihossa on erilaista eri puolilla kehoa. Tämä voisi selittää osteoomien esiintymisen vain tietyllä alueella. Tämän tutkimuksen tulokset antavat uutta tietoa ihon lukuisista jyvämäisistä osteoomista ja virhesijaintisesta luutumisesta ja saattavat olla hyödyksi kehitettäessä taudin hoitoa. Tutkimus antaa uutta tietoa luun morfogeneettisten proteiinien erilaisesta käyttäytymisestä hiirellä ja ihmisellä, mikä herättänee keskustelua hiirikokeiden yleistämisestä ihmiseen ja luun morfogeneettisten proteiinien kliinisestä käytöstä.

Abstract The aim of this PhD-study was to better understand the structure-function relationship of triosephosphate isomerase (TIM) and to use this expertise to change its substrate specificity. TIM is an important enzyme of the glycolytic pathway which catalyzes the interconversion of D-glyceraldehyde phosphate (D-GAP) and dihydroxyacetone phosphate (DHAP). Two main subjects are discussed: the engineering of monomeric TIM to create new substrate specificity and the structure-function relationship studies of the catalytically important mobile loop6. The starting point for the protein engineering project was the monomeric ml8bTIM, with an extended binding pocket between loop7 and loop8. Rational protein engineering efforts have resulted in a new variant called A-TIM that can competently bind wild type transition state analogues. A-TIM was also able to bind citrate, a compound that the wild type TIM does not bind. This A-TIM citrate complex structure is a good starting point for future protein engineering efforts. Based on the assumption that it would be beneficial for the monomeric forms of TIM to have loop6 closed permanently to increase the population of competent active sites, two point mutation variants, A178L and P168A were generated and characterized. The A178L-mutation was made to favor the closed conformation of loop6 through steric clashes in the open conformation. The P168A variant was made to stabilize the closed conformation of loop6 by removing strain. The A178L mutation induced some features of the closed conformation, but did not result in a closed conformation in the absence of ligands. Our structural studies also show that the P168A mutation does not favor the closed conformation either. However, the structures of the unliganded and liganded P168A variant, together with other known TIM structures show that the substrate binding first induces closure of loop7. This conformational switch subsequently forces loop6 to adopt its closed conformation. The protein engineering project was successful, but the efforts to find variants with a permanently closed loop6 did not fully succeed. In the context of this thesis a monomeric variant of TIM, with new binding properties, was created. Nevertheless, A-TIM still competently binds the inhibitors and transition state analogues of wild type TIM. Also, when combined, results discussed in the context of this thesis indicate that in wild type TIM the closure of loop7 after ligand binding is the initial step in the series of conformational changes that lead to the formation of the competent active site. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli oppia paremmin ymmärtämään trioosifosfaatti-isomeraasin (TIM) toimintamekanismeja sen rakenteen perusteella ja käyttää tätä tietämystä samaisen proteiinin muokkaamiseen uusiin tarkoituksiin. TIM on keskeinen entsyymi solun energian tuotannossa ja sen toiminta on välttämätöntä kaikille eliöille. Tämän vuoksi on tärkeää oppia ymmärtämään miten se saavuttaa tehokkaan reaktionopeutensa ja miksi se katalysoi vain D-glyseraldehydi-3-fosfaattia (D-GAP) ja dihydroksiasetonifosfaattia (DHAP). TIM:n toiminta mekanismien ymmärtämiseksi sen aminohapposekvenssiä muokattiin kahdesta kohtaa (P168A ja A178L) ja seuraukset todettiin mittaamalla tuotettujen proteiinien stabiilisuutta optisesti eri lämpötiloissa ja selvittämällä niiden kolmiulotteinen rakenne käyttäen röntgensädekristallografiaa. Mutaatioita tehtiin dimeeriseen villityypin TIM:in (wtTIM) ja jo aikaisemmin muokattuun monomeeriseen TIM:in (ml1TIM). Näiden mutaatioiden tarkoituksena oli suosia entsyymin aktiivista konformaatiota, jossa reaktion kannalta välttämätön vapaasti liikkuva peptidisilmukka numero 6 on suljetussa konformaatiossa. Monomeerisissä TIM:ssa peptidisilmukka numero 6:n ei ole välttämätöntä aueta. Tulokset mutaatiokokeista olivat osittain lupaavia. P168A-mutaatio lisäsi D-GAP:in sitoutumista, mutta rikkoi tärkeän mekanismin suljetussa, ligandia sitovassa, konformaatiossa. A178L-mutaatio aiheutti muutoksia avoimeen konformaatioon ja teki siitä suljettua konformaatiota muistuttavan jopa ilman ligandia, mutta samalla koko proteiini muuttui epävakaammaksi. Näistä kahdesta mutaatiosta A178L voisi olla hyödyllinen muokattujen TIM-versioiden ominaisuuksien parantamiseksi. Lisäksi yhdessä jo aikaisemmin julkaistujen yksityiskohtien kanssa nämä tulokset tekevät mahdolliseksi esittää tarkennusta siihen miten TIM toimii kun ligandi saapuu sen lähettyville. Tämän väitöskirjatyön yksi tavoite oli myös muokata edelleen monomeeristä TIM versiota (ml8bTIM), joka on suunniteltu siten, että se voi mahdollisesti sitoa uudenlaisia ligandeja. Tämä projekti vaati onnistuakseen 20 eri versiota ml8bTIM:n sekvenssistä ja noin 30 rakennetta. Uusia ligandeja sitova muoto (A-TIM) sitoi onnistuneesti sitraattia ja villityypin TIM:n inhibiittoreita. Erityisen lupaavaa oli, että A-TIM sitoi myös bromohydroksiasetonifosfaattia (BHAP), joka sitoutuu ainoastaan toimivaan aktiiviseen kohtaan. Nämä tulokset osoittavat, että A-TIM kykenee tarvittaessa katalysoimaan isomerisaatio reaktion uudenlaisille molekyyleille. Esimerkiksi katalysoimaan isomerisointireaktiota sokerianalogien tuotannossa.