Abstract Integrins are a large family of αβ-heterodimeric cell adhesion receptors of which the cell type specific expression defines the extracellular matrix (ECM) binding properties of different adherent cell types. In addition to various growth factors and their receptors, epithelial morphogenesis is also executed by dynamic changes in the chemical composition and physical properties of the ECM that controls the shape and behavior of the associated cells via integrin mediated adhesion and signalling. Epithelial cell polarity and contractility are central mechanisms of epithelial shape determination and are established upon spatially, mechanically and chemically sensitive integrin signals of the microenvironment. The functional hierarchy between different integrin heterodimers and their ECM ligands in organizing these tasks has not been systematically addressed. In order to study the relative roles of different integrins, we set up a loss-of-function screen of co-expressed integrin subunits in the Madin-Darby canine kidney (MDCK) epithelial cell line. By analyzing MDCK cystogenesis in three-dimensional (3D) ECMs, we were able to establish a model of how epithelial polarity is organized: cell adhesion either by α2β1- or α6β4-integrins defines the orientation of cell polarity and coordinated functions of α2β1- and α3β1-integrins mediate the establishment of epithelial lumens via cavitation and hollowing, respectively. By analyzing the spreading of MDCK cells, we established that epithelial cell contractility is based on synergistic functions of β1-integrins that mediate cell adhesion and αV-integrins that facilitate ECM rigidity sensing. We also discovered that the hemidesmosomal integrin α6 and integrin β4 did not require heterodimerization to be transported to the plasma membrane (PM) and that integrin β4 may support laminin assembly to the basement membrane (BM) independently of integrin α6. / Tiivistelmä Integriinit ovat suuri molekyyliperhe αβ-heterodimeerisiä adheesioreseptoreja. Integriinit ilmentyvät eri tavoin eri solutyypeissä, ja tämä säätelee sitä, miten solut tarttuvat ja reagoivat erilaisiin soluväliaineisiin. Tällä tavalla integriinit ja soluväliaine osallistuvat myös epiteelimorfogeneesiin lukuisten kasvutekijöiden ja niiden reseptoreiden lisäksi. Epiteelimorfogeneesissä etenkin solujen polarisaatio ja solujen supistuminen ovat tärkeitä tapahtumia, joiden ohjaukseen integriinit ja soluväliaine osallistuvat. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää eri integriinien ja niiden soluväliaineligandien toiminnallista hierarkiaa epiteelimorfogeneesissä, etenkin solujen polarisaatiossa ja supistumisessa. Integriinien keskinäisten roolien selvittämiseksi hiljensimme ilmentyvät integriinialayksiköt yksitellen munuaisen epiteelisolulinjasta RNA-häirinnän avulla. Mallina epiteelimorfogeneesille käytimme hyväksi munuaisepiteelisolujen kykyä muodostaa rakkularakenteita kolmiulotteisessa soluväliaineessa viljeltyinä. Näitä rakenteita analysoimalla pystyimme muodostamaan mallin siitä, miten polarisoitunut epiteelirakenne organisoituu: α2β1- tai α6β4-integriinien välittämä adheesio tarvitaan solujen polariteetin orientoimiseen ja α2β1- ja α3β1-integriinien yhteistoiminta tarvitaan epiteelisen rakkulan tyhjän sisäosan muodostumiseen, joko apoptoosin tai polarisoituneen kalvokuljetuksen kautta. Tutkimalla solujen levittäytymistä jäykälle kaksiulotteiselle alustalle pystyimme määrittämään, että epiteelisolun supistuminen pohjautuu β1-integriinien välittämän adheesion ja αV-integriinien välittämän väliaineen jäykkyyttä aistivien signaalien yhteistoimintaan. Havaitsimme myös, että hemidesmosomaalisten integriinien α6 ja β4 sekretioon ei tarvittu näiden keskinäistä heterodimerisaatiota ja integriini β4:llä saattaa olla integriini α6:sta riippumaton rooli laminiinin kokoamisessa tyvikalvoon.

Abstract Colorectal carcinoma (CRC) is an important cause of cancer-associated deaths. About 30–50% of CRCs show KRAS or BRAF mutation. In many cancers, anoikis, i.e. apoptosis induced by loss of extracellular matrix (ECM) contact, is disturbed. Anoikis resistance is essential for the formation of metastases, and since anoikis resistance assessment is based on in vitro cell cultures, the prognostic value of anoikis resistance is largely unknown. We aimed to identify the histopathological features indicating anoikis resistance in CRC and analyze their prognostic value. The roles of BRAF and KRAS mutations and survivin in anoikis resistance were analyzed and 3-D cell culture was used to model the histopathology of anoikis resistant (AR) structures. The two cohorts of CRC cases used in the study consisted of 62 (series 1) and 137 patients (series 2). Immunohistochemistry for ECM proteins enabled identification of tumor cells with and without ECM contact, and in both populations, apoptosis was determined with staining for caspase-cleaved keratin 18. Based on absence of ECM contact and decreased apoptosis rate, we identified micropapillary (MIP), cribriform and solid structures to represent the putative AR populations. High areal density of AR structures associated independently with short survival and was an independent prognostic factor. MIPs showed lower survivin expression, proliferation and apoptosis rates than non-MIP cells, and low apoptosis rate was associated with poor prognosis in stage I and II cases. For 3-D in vitro model of AR structures, we transfected Caco-2 cells with mutated KRAS or BRAF genes; both induced anoikis resistance as measured with Annexin V test in suspension culture. In 3-D cultures, native Caco-2 cells formed polarized cysts. In contrast, mutated cell lines formed partially filled cysts or solid structures, and inverted polarity in KRAS mutant cells. In conclusion, it is possible to identify putative AR structures by conventional histopathology and their number is associated with poor prognosis. MIPs represent a distinct subpopulation of CRC cells with features of quiescence. KRAS and BRAF mutations induce anoikis resistance in Caco-2 cells. In 3-D cultures, oncogenes KRAS and BRAF induce solid structures and cell piling, with structural resemblance to putative AR structures observed by histopathology. The mutated Caco-2 cells thus serve as a model to study the manifestation of anoikis resistance as a distinct histological feature with oncological significance. / Tiivistelmä Paksu- ja peräsuolisyöpä on yleinen syöpäkuoleman aiheuttaja. KRAS- tai BRAF-geenien mutaatio todetaan 30–50 prosentissa suolisyövistä. Anoikis tarkoittaa apoptoosia, jonka käynnistää solun irtoaminen soluväliaineesta. Anoikisresistenssi on etäpesäkkeen synnyn edellytys. Anoikisresistenssiä voidaan todeta vain soluviljelyssä, joten sen merkitystä syövässä in vivo ei ole aiemmin arvioitu. Tässä työssä pyrittiin tunnistamaan anoikisresistenssiin viittaavat muutokset histopatologisista suolisyöpänäytteistä ja selvittämään niiden vaikutusta potilaan ennusteeseen. Lisäksi tutkittiin BRAF- ja KRAS-mutaatioiden yhteyttä anoikisresistenssiin ja mallinnettiin anoikisresistenttejä (AR) rakenteita kolmiulotteisessa soluviljelmässä. Potilasaineisto koostui 199 suolisyöpäpotilaasta. Kudosleikkeistä värjättiin soluväliaineen komponentteja sekä määritettiin apoptoottiset ja jakautuvat solut (M30- ja Ki-67-värjäykset). AR-solupopulaatioiden tunnistamisessa käytettiin kriteereinä soluväliainekontaktin puuttumista ja vähentynyttä apoptoositiheyttä. AR-populaatioiksi osoittautuivat mikropapillaariset (MIP), seulamaiset ja solidit rakenteet. Näiden rakenteiden korkea kokonaisesiintyvyys osoittautui itsenäiseksi huonon ennusteen tekijäksi. MIP-rakenteissa surviviinin ilmentyminen ja apoptoosi- ja proliferaatiotiheys olivat vähentyneet muihin kasvainsoluihin verrattuna. Lisäksi apoptoottisten solujen pieni määrä MIP-rakenteissa liittyi huonoon ennusteeseen paikallisessa syövässä. Mallinnusta varten Caco-2 solut transfektoitiin mutatoiduilla KRAS- tai BRAF-geeneillä. Onkogeenien transfektion todettiin indusoivan anoikisresistenssiä. Kolmiulotteisessa soluviljelyssä polarisoituneet Caco-2 solut muodostivat säännöllisiä rauhasmaisia rakenteita. Onkogeeneillä transfektoidut solut muodostivat puolestaan osittain tai kokonaan täyttyneitä rakenteita ja KRAS-transfektio aiheutti solujen polariteetin kääntymistä. Havainnot osoittavat, että anoikisresistenssiä edustavat rakenteet voidaan tunnistaa kudosleikkeestä ja niiden runsas määrä viittaa huonoon ennusteeseen. MIP-rakenteissa todettiin lepotilan (quiescence) piirteitä. KRAS- ja BRAF-mutaatiot aiheuttavat Caco-2 soluissa anoikisresistenssiä. Kolmiulotteisissa soluviljelmissä onkogeenien vaikutus näkyy solujen pinoutumisena, mikä muistuttaa syöpäkudosnäytteissä todettuja AR-rakenteita. Tulosten perusteella modifioituja Caco-2 soluja voidaan hyödyntää anoikisresistenssin mallintamiseen ja tarkempien mekanismien tutkimiseen.

Abstract Collagen XV is a proteoglycan localized in the outermost layer of the basement membrane (BM) and in the fibrillar matrix. Although it is widely distributed in many tissues, its amount is generally low. It is characterized by a highly interrupted collagenous domain flanked by large globular domains and attached glycosaminoglycan chains, thus also being identified as a chondroitin sulphate proteoglycan. The C-terminal end of collagen XV, termed restin, has proved to have antiangiogenic effects. In view of its location in the outermost layer of the lamina densa and in association with interstitial collagen fibrils near BMs, it has been suggested that collagen XV may form a bridge between the fibrillar collagen matrix and the BMs. In vivo studies of mice lacking collagen XV have demonstrated that collagen XV is needed as a structural component to stabilize the skeletal muscle cells and capillaries. The role of collagen XV in the extracellular matrix (ECM) was studied using a mouse model lacking the gene of interest (Col15a1-/-). The matrix of peripheral nerves, skeletal muscle, heart and the uterus during pregnancy was analysed at several time points, and peripheral nerve development was evaluated in a mouse model lacking collagen XV and the laminin α4 chain simultaneously as well as in Col15a1-/- mice. The function of collagen XV in the heart was analysed in young, adult and old mice separately. The results indicate that collagen XV is needed for organizing collagen fibrils into proper bundles in the cardiac ECM. In the developing nerve it regulates collagen fibril size and the organization of the fibrils within the collagen bundle. In mature nerves and skeletal muscles it structures the BM–fibrillar matrix interphase, and in the uterus of pregnant mice it participates in fibrillar collagen remodelling, affecting the lateral fusion of collagens into thick fibrils. Even delicate changes in the matrix can lead to an alteration in the functioning of certain organs. Abnormal C-fibrils, polyaxonal myelination and decreased sensory conduction velocity were observed in the Col15a1-/- peripheral nerves, and a simultaneous lack of collagen XV and the laminin α4 chain resulted in more severe and permanent impairment of the segregation and myelination of the nerve axons. A complex cardiac phenotype was observed in the Col15a1-/- mice, predisposing them to cardiomyopathy. / Tiivistelmä Kollageeni XV on proteoglykaani, jonka lokalisaatio on tyvikalvon uloimmassa kerroksessa ja soluväliaineen säikeissä. Vaikka sitä tuotetaan laajalti useissa eri kudoksissa, sitä on määrällisesti vähän kudoksissa. Kollageenin XV ominaisuuksiin kuuluvat useat katkokset kollageenisilla alueilla, globulaariset alueet proteiinin päissä, sekä siihen kiinnittyneet glykosaminoglykaaniketjut, jotka on tunnistettu kondroiittisulfaatiksi. Kollageenin XV C-terminaalisella osalla, jota kutsutaan restiniksi, on osoitettu olevan antiangiogeneettisiä vaikutuksia. Ottaen huomioon kollageeni XV lokalisaation tyvikalvon uloimmassa kerroksessa, ja sen liittymisen säikeisiin kollageeneihin lähellä tyvikalvoa, on ehdotettu että sen tehtävänä olisi toimia yhteys-siltana säikeisten kollageenien ja tyvikalvon välillä. In vivo tutkimuksissa kollageeni XV poistogeenisillä hiirillä on osoitettu, että kollageenia XV tarvitaan rakenteellisena osana stabiloimaan luurankolihasta sekä hiussuonia. Kollageenin XV merkitystä sidekudoksessa tutkittiin käyttäen hiirimallia, jolta puuttuu kyseinen geeni (Col15a1-/-). Ääreishermojen, luurankolihaksen, sydämen ja kohdun soluväliainetta analysoitiin eri-ikäisillä hiirillä. Lisäksi ääreishermojen kehitystä tutkittiin hiirimallilla, jolta puuttuu sekä kollageeni XV että laminiini α4-ketju samanaikaisesti, sekä Col15a1-/- hiirillä. Kollageenin XV tehtävää sydämessä analysoitiin nuorilla, aikuisilla ja ikääntyneillä Col15a1-/- hiirillä. Tulokset viittaavat kollageeni XV merkittävään rooliin soluväliaineen järjestäytymisessä, erityisesti kollageenisäikeiden järjestäytymisessä kimpuiksi sydämen soluvälitilassa. Kehittyvässä hermossa sen tehtävä on säädellä säikeisten kollageenien läpimittaa sekä säikeiden järjestäytymistä säiekimpun sisällä. Täysin kehittyneessä hermossa ja luurankolihaksessa se strukturoi tyvikalvon ja säikeisen soluväliaineen välitilaa, kun taas raskaana olevien hiirien kohdussa se osallistuu säikeisten kollageenien muokkaukseen, vaikuttamalla kollageenien paksuuntumiseen lateraalisen fuusion kautta. Jopa hienoiset muutokset soluväliaineen rakenteessa voivat johtaa muutoksiin elinten toiminnassa. Epämuodostuneita C-säikeitä, polyaksonaalista myelinisaatiota ja hidastunutta sensorista johtonopeutta todettiin Col15a1-/- perifeerisissä hermoissa. Samanaikainen kollageenin XV ja laminiini α4-ketjun puutos johtivat vaikeampaan ja pysyvämpään haittaan hermon aksonien segregaatiossa ja myelinisaatiossa. Col15a1-/- hiirillä todettiin monimuotoinen sydämen ilmiasu, joka altistaa hiiret kardiomyopatialle.

Abstract Angiopoietins 1 and 2 (Ang1 and Ang2) are the ligands of the Angiopoietin/Tie signalling system, which is a binary pathway offering mechanisms for healthy vessels to reach and maintain their quiescence but also to rapidly respond to activating stimuli leading to a remodelling of endothelium. The latter is linked to disease settings such as inflammation and cancer where endothelial cell (EC) integrity is compromised and is often related to an increase in Ang2 expression. This study focused on the mechanisms enabling Ang1 to mediate both EC stability and migration and molecular and cellular determinants for ligand-specific functions of Ang2 and its isoform Ang2443. The findings revealed that Ang1 induces differential signalling depending on whether it anchors and activates Tie2 in cell-cell junctions in quiescent ECs, or in cell-matrix contacts in mobile ECs, thus leading to cellular phenotypes characteristic of resting and mobile ECs, respectively. In the second part of the thesis Ang2-Tie2 specific cell-extracellular matrix (ECM) contact sites were studied. Formation of Ang2/Tie2 EC-ECM contact sites was dependent on the collagen I and IV matrices, low Ang2 oligomerization state, α2β1-integrins, and intact microtubules. In the third part of the thesis the comparison of Ang2 mRNA splice variant Ang2443 with full length Ang2 (Ang2FL) revealed both redundant and ligand form–specific effects, expression of Ang2443443 increased the amount of monomeric ligand forms due to proteolytic processing and promoted transendothelial migration of cancer cells in vitro. On the other hand, both Ang2443 and Ang2FL were stored in endothelial Weibel-Palade bodies (WPBs), similarly induced Ang2-specific Tie2 cellular redistribution, and were mostly comparable in developmental angio- and lymphangiogenesis. / Tiivistelmä Angiopoietiinit 1 ja 2 (Ang1 ja Ang2) ovat Ang/Tie signalointireitin kasvutekijöitä. Ang1 kasvutekijää tarvitaan sydämen ja verisuoniston sikiöaikaiseen kehittymiseen, se vähentää Tie2 reseptorin kautta verisuonten läpäisevyyttä, mutta edistää myös yksittäisten endoteelisolujen liikkumista. Saman Tie2 signalointireitin toisen kasvutekijän Ang2:n ilmeneminen johtaa verisuonten läpäisevyyden kasvuun tulehduksessa, uusien verisuonten muodostumiseen syöpäkasvaimissa ja syöpäsolujen leviämiseen elimistössä. Väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin niitä solutason mekanismeja, joilla Ang1 kykenee välittämään sekä endoteelisolujen tiiviyttä että liikkumista. Lisäksi tutkittiin niitä molekyyli- ja solutason mekanismeja, joilla Ang2 ja sen isomuoto Ang2443 välittävät kasvutekijäspesifisiä vaikutuksiaan. Väitöskirjassa osoitettiin että Tie2 reseptori paikantuu verisuonten endoteelisoluissa Ang1 sitoutumisen seurauksena joko solu-soluliitoksiin, tai yksittäisissä endoteelisoluissa solu-soluväliaine rajapinnalle. Tie2:n siirtyminen solu-soluliitoksiin aktivoi soluissa signalointireittejä, jotka ovat tyypillisiä normaaleille tiiviille verisuonille ja solu-soluväliaineliitoksissa liikkuville endoteelisoluille tyypillisiä piirteitä. Väitöskirjatyön toisessa osassa tutkittiin Ang2:lle ominaisia vaikutuksia ja Ang2-Tie2 kompleksin paikantumista erityisiin solu-soluväliaineliitoksiin. Tämä oli riippuvaista Ang2:n oligomerisaatiosta, kollageenisoluväliaineesta, α2β1-integriinistä ja normaalista mikrotubulusverkostosta. Väitöskirjatyön kolmannessa osassa osoitettiin että Ang2443 isomuodolla on sekä yhteisiä että isomuotospesifisiä piirteitä verrattuna kokopitkään Ang2:een (Ang2FL). Liukoinen Ang2443, mutta ei Ang2FL, esiintyi yleisesti monomeerisenä ligandimuotona proteiinin multimerisaatio-osan pilkkomisen seurauksena. Ang2443 lisäsi myös syöpäsolujen liikkumista endoteelisolujen läpi. Toisaalta sekä Ang2443 että Ang2FL varastoitiin endoteelisoluissa Weibel-Palade varastokappaleisin, ne välittivät samanlaista Tie2 reseptorin paikantumista endoteelisoluissa ja toimivat pääsääntöisesti samanlaisina kasvutekijöinä veri- ja imusuonten kehityksen aikana hiiressä.