Abstract Prematurity is the main cause of morbidity and mortality in infants. In 25–40% of the cases preterm birth is associated with intrauterine inflammation. Surfactant proteins (SPs) A, C, and D have roles in innate immunity. In the female reproductive tract and in amniotic fluid (AF), these proteins may modulate the inflammatory responses leading to preterm birth. The aim of the present study was to establish a mouse model of lipopolysaccharide (LPS)-induced preterm birth of live-born pups and to study the activation of the innate immune system. By using mice overexpressing either rat SP-A (rSP-A) or rSP-D the roles of SP-A and SP-D in inflammatory responses were investigated. In addition, the expression of SP-C in gestational tissues was analyzed. The association of SP-C single nucleotide polymorphism (Thr138Asn) with spontaneous preterm birth and preterm premature rupture of membranes (PPROM) was investigated in a homogenous northern Finnish population of mothers and infants. Wild-type (WT) mice were injected with a single dose of intraperitoneal LPS at 16 or 17 days of gestation (term 19–20 days) leading to preterm delivery of live-born fetuses. After LPS, cytokine levels increased rapidly in maternal serum and in the uterus. This maternal inflammatory response was followed by the modest inflammatory activation in fetal and feto-maternal compartments. In fetal lung the expression of SP-A and SP-D was downregulated. The overexpression of SP-A or SP-D was evident in gestational tissues of rSP-A or rSP-D mice, respectively. In addition, excess of these proteins was detected in AF. Overexpression of either rSP-A or rSP-D modulated the LPS-induced inflammatory response related to preterm birth. Most notably, the expression of IL-4 and IL-10 in uteri and IL-10 in fetal membranes was lower in overexpressing animals. SP-C was detected in mouse and human placentas, fetal membranes, and in uteri of pregnant mice. The fetal SP-C polymorphism strongly associated with the duration of PPROM. The present study provides new information about the molecular events in inflammation induced preterm birth, particularly about the roles of cytokines and SPs in this process. Understanding of the mechanisms involved in preterm parturition may provide means for prevention and management of preterm births in the future. / Tiivistelmä Ennenaikaisuus on suurin vastasyntyneiden terveyttä ja henkeä uhkaava vaara. Kohdunsisäiset tulehdusreaktiot ovat ennenaikaisten synnytysten yleisimpiä aiheuttajia. Surfaktanttiproteiinit (SP:t) A, C ja D osallistuvat synnynnäisen immuniteetin säätelyyn. Voidaan olettaa, että synnytyskanavassa ja lapsivedessä surfaktanttiproteiinit säätelevät ennenaikaiseen synnytykseen johtavia tulehdusreaktioita. Tutkimuksen tavoitteena oli luoda hiirimalli, jossa ennenaikainen synnytys saadaan aikaan lipopolysakkaridin (LPS:n) injektiolla vatsaonteloon. Hiirimallin avulla tutkittiin puolustusjärjestelmän aktivaatiota sekä äidin että sikiön kudoksissa. Rotan SP-A:ta (rSP-A:ta) tai rSP-D:tä yli-ilmentävien hiirten avulla selvitettiin, muuttavatko nämä proteiinit ennenaikaiseen syntymään johtavaa vastetta. Lisäksi määritettiin SP-C:n ilmentyminen hiiren ja ihmisen kohdussa, sikiökalvoilla ja istukassa. SP-C-geenin yhden emäksen polymorfian (Thr138Asn) liittymistä ennenaikaiseen synnytykseen tai sikiökalvojen puhkeamiseen tutkittiin homogeenisessä pohjoissuomalaisessa tutkimuspopulaatiossa. Villin tyypin hiirille raskauden 16. tai 17. päivänä annettu LPS-annos sai aikaan elävien poikasten ennenaikaisen syntymisen. Emon seerumissa havaittiin sytokiinipitoisuuksien nopea nousu LPS:n vaikutuksesta. Emon tulehdusvaste johti synnynnäisen immuniteetin aktivaatioon istukassa, sikiökalvoilla ja kohdussa, kun taas muutokset sikiön kudoksissa olivat pieniä. Sikiön keuhkoissa SP-A:n ja SP-D:n ilmentyminen väheni. SP-A:ta tai SP-D:tä yli-ilmentävillä hiirillä havaittiin lisääntynyt SP-A:n tai SP-D:n määrä kohdussa, sikiökalvoilla, istukassa ja lapsivedessä. SP-A:n tai SP-D:n yli-ilmentyminen muutti LPS:n aiheuttamaa tulehdusvastetta. Erityisesti IL-4:n ja IL-10:n ilmentyminen kohdussa ja IL-10:n ilmentyminen sikiökalvoilla vähenivät. SP-C:n ilmentyminen havaittiin hiiren ja ihmisen istukassa ja sikiökalvoilla sekä hiiren kohdussa raskauden aikana. Sikiön SP-C-geenin polymorfia liittyi sikiökalvojen ennenaikaisen puhkeamisen kestoon. Tutkimus antaa lisätietoa tulehduksen aiheuttaman ennenaikaisen synnytyksen mekanismista sekä sytokiinien ja SP-A:n SP-D:n osuudesta synnytystapahtumassa. Mekanismin ymmärtäminen on erittäin tärkeää, jotta ennenaikaiset synnytykset voitaisiin tulevaisuudessa ehkäistä tehokkaammin.

Abstract Innate immunity provides the first line of defense against invading, pathogenic microorganisms in all multicellular organisms. The fruit fly Drosophila melanogaster has turned out to be an excellent model organism to elucidate mechanisms of innate immune responses because of the highly conserved intracellular signaling cascades mediating these ancient immune functions in flies and mammals. In the present study, RNA interference (RNAi) -based functional genomics were utilized to identify novel components of Drosophila’s immune reactions. Mediators of bacterial phagocytosis, nuclear factor kappa B (NF-κB) signaling and the antiviral RNAi pathway were screened in hemocyte-like S2 cells. Follow-up studies were executed in mammalian cells as well as in Drosophila larvae and adult flies to gain broader significance for the results. Seven novel components essential for efficient phagocytosis of bacteria were identified. Eater was defined as Drosophila’s most important phagocytic receptor showing novel epidermal growth factor (EGF)-repeat -based microbial recognition properties. Additionally, Abelson interacting protein (Abi), capping protein alpha (cpa), 14-3-3ζ, tousled-like kinase (tlk), CG2765 and CG15609 were determined as intracellular effectors of phagocytosis, the three former ones executing their evolutionarily conserved functions through remodeling of the actin cytoskeleton. Eater, together with Scavenger receptor class C, type I (Sr-CI), was demonstrated to be responsible for double-stranded RNA (dsRNA) uptake into S2 cells and, when ectopically expressed, into mammalian cells via clathrin-mediated endocytosis. Proteasome component Pros45 and RNA helicase Belle were established as mediators of the intracellular RNAi pathway, whereas essential roles in antimicrobial signaling via the immune deficiency (Imd) pathway were addressed for Inhibitor of apoptosis 2 (Iap2) and Tak1-associated binding protein (TAB). Iap2 and TAB were shown to affect nuclear translocation of NF-κB -like transcription factor Relish. The present study identifies several novel mediators of the Drosophila immune response and provides insight into mechanisms of fly host defense. As insects serve as vectors of human diseases (e.g. malaria), knowledge about Drosophila immune mechanisms may help to better understand the transmission and pathogenesis of these diseases and develop treatments to fight these infections. Additionally, knowledge gained from model organisms serves as valuable background information, often conducting human research into new tracks. / Tiivistelmä Synnynnäinen immuniteetti on elintärkeä puolustusjärjestelmä taudinaiheuttajia vastaan. Kodeissakin yleinen banaanikärpänen, Drosophila melanogaster, on osoittautunut erinomaiseksi synnynnäisen immuniteetin tutkimusmalliksi, erityisesti teknisesti yksinkertaisen ja eettisesti ongelmattoman geneettisen muunneltavuutensa ansiosta. On myös havaittu, että solunsisäiset, immunologisia signaaleja välittävät mekanismit ovat evoluutiossa hyvin säilyneitä. Hyvin usein samankaltaiset geenituotteet toimivat signaalinsiirtäjinä sekä kärpäsen että ihmisen soluissa. Tämän työn tarkoituksena oli RNA-häirintää (RNAi) sekä muita nykyaikaisia solu- ja molekyylibiologisia tutkimusmenetelmiä hyödyntäen tunnistaa uusia kärpäsen synnynnäiselle immuunipuolustukselle välttämättömiä geenituotteita. Bakteerien fagosytoosille, viruspuolustukselle ja tumatekijä nuclear factor kappa B:n (NF-κB) välittämälle signaloinnille välttämättömiä signalointimolekyylejä pyrittiin identifioimaan laajan mittakaavan RNA-häirintään perustuvilla seuloilla kärpäsen soluissa. Saatujen tulosten merkitystä nisäkkäiden immuunipuolustukselle tutkittiin myös hiiren soluissa. Seitsemän geenituotteen osoitettiin olevan bakteerien fagosytoosille tärkeitä kärpäsen soluissa. Aiemmin tuntematon geenituote, joka nimettiin Eateriksi, osoitettiin kärpäsen tärkeimmäksi bakteereja fagosytoivaksi reseptoriksi. Eaterin solun ulkoisen osan osoitettiin tunnistavan taudinaiheuttajia uudella epidermaalisen kasvutekijän (epidermal growth factor, EGF) kaltaisella toistosekvenssillä. Myös useiden solun tukirankaan, sytoskeletoniin, liittyvien proteiinien (Abi, cpa, 14-3-3ζ) sekä aiemmin vähemmän tunnettujen geenituotteiden (CG2765, CG15609, tlk) osoitettiin osallistuvan bakteerien fagosytoosiin. Näistä kolmen ensinmainitun immunologinen tehtävä havaittiin evoluutiossa säilyneeksi, kärpäsestä hiireen. Eaterin, yhdessä kärpäsen toisen scavenger reseptorin (Sr-CI) kanssa, havaittiin myös toimivan kaksijuosteisen RNA:n (dsRNA) reseptoreina kärpäsen soluissa, mahdollistaen helpon ja tehokkaan RNA-häirinnän. RNA-häirinnän, ja siten mahdollisesti myös viruspuolustuksen, välittäjiksi identifioitiin proteasomin alayksikkö Pros45 ja RNA-helikaasi Belle. Lisäksi Inhibitor of apoptosis 2 (Iap2) ja Tak1-associated binding protein (TAB) todettiin kärpäsen immune deficiency (Imd) signalointireitin komponenteiksi, jotka osallistuvat antimikrobisten peptidien tuotantoon välittämällä NF-κB:n kaltaisen kärpäsen transkriptiotekijän (Relish) siirtymisen tumaan aktivoimaan immuunipuolustusta välittävien geenien ilmentymistä. Tämän tutkimuksen tulokset valottavat banaanikärpäsen immuunipuolustuksen mekanismeja. Koska hyönteiset toimivat monien ihmisten infektiotautien välittäjinä, kärpäsen immuniteetin tuntemus luo mahdollisuuksia kehittää hoitoja näitä tauteja vastaan. Lisäksi malliorganismeista saatu tieto luo uusia teorioita ja näkökulmia, johtaen usein myös lääketieteellistä tutkimusta uusille raiteille.

Abstract Acne is a common skin disease that affects nearly every teenager but in some cases it persists into adulthood as a chronic disease. Acne severity ranges from mild comedonal to severe cystic and scarring disease. The pathogenesis of acne is multifactorial: increased sebum production, hormonal influences, the hypercornification of pilosebaceous ducts, overgrowth of Propionibacterium acnes (P. acnes) and inflammation around pilosebaceous follicles are considered to be the main pathogenetic factors but few further details are known. The role of innate immunity in the pathogenesis of acne has been studied quite extensively, but the contribution of adaptive immune responses is not well characterized. Although isotretinoin has been the most potent medication for acne over 30 years, its mode of action is partially unknown. Furthermore, modern 16S ribosomal RNA (rRNA) gene amplicon sequencing based methods allow quantification of the abundance of skin bacteria, but these culture-independent techniques have not yet been used to assess the effect of systemic treatments, isotretinoin and tetracycline antibiotics on acne skin microbiota. In this study the innate and adaptive immune responses in the skin of acne patients were investigated. Skin biopsies were taken from early-stage acne lesions and from uninvolved skin of acne patients, and the samples were examined for the expression of cytokines, chemokines, transcription factors and antimicrobial peptides, using real-time polymerase chain reaction (PCR). In addition, the skin biopsies were examined by immunohistochemistry and Luminex technology, which was also used in the determination of cytokine levels in acne patients’ serum samples. The skin microbiota of swab samples was investigated using 16S rRNA gene amplicon sequencing. We found that innate and adaptive immune responses, in particular the activation of the IL-17/Th17 axis, are involved in early-stage acne lesions. Furthermore, the expression of effector cytokine TGF-β and transcription factor of regulatory T cells (Tregs) FoxP3 mRNA was reduced in acne patients’ uninvolved skin compared to normal skin of healthy controls. Isotretinoin has no direct effect on innate and adaptive immune responses in newly formed acne lesions. It did, however, modify some innate immune responses: the expression of IL-1β and toll-like receptor 2 (TLR2) mRNA was reduced in uninvolved skin of acne patients, and the number of CD68+ macrophages increased in acne patients’ skin with isotretinoin treatment. After six weeks’ treatment, the abundance of P. acnes was similarly reduced with either isotretinoin or lymecycline treatment. However, previous studies and clinical experience show that isotretinoin is more clinically effective against acne than tetracyclines, probably because of the effect of isotretinoin on sebaceous glands and sebum excretion. Acne is a disease, which at its worst results in significant scarring. Therefore it is important to understand the immunological factors behind its pathogenesis. Our findings show that both adaptive and innate immunity play an important role. Isotretinoin, although currently the most potent anti-acne drug, does not directly affect the adaptive immune response and therefore new medications are required to control the relevant immune responses, especially in severe cystic or fulminant acne. / Tiivistelmä Akne on yleinen ihosairaus, joka koskettaa lähes jokaista teini-iässä ja jatkuu osalla kroonisena sairautena läpi aikuisiän. Aknen vaikeusaste vaihtelee lievästä vaikeisiin, arpeuttaviin tautimuotoihin. Aknen patogeneesin tiedetään olevan monitekijäinen. Tärkeimmät aknen syntyyn vaikuttavat tekijät ovat lisääntynyt talineritys hormonien, erityisesti androgeenien vaikutuksesta, talirauhaskarvatuppitiehyen tukkeutuminen, Propionibacterium acnes (P. acnes) – bakteerin liikakasvu sekä tulehdusreaktio talirauhaskarvatupen ympärillä. Synnynnäisen immuniteetin roolia aknen synnyssä on tutkittu paljon, sen sijaan hankittua immuniteettia huomattavasti vähemmän. Myöskään yli 30 vuotta käytössä olleen tehokkaimman aknelääkkeen, isotretinoiinin, vaikutusmekanismia ei täysin tiedetä. Lisäksi systeemilääkkeiden, isotretinoiinin ja tetrasykliiniryhmän antibioottien, vaikutusta akneihon bakteeristoon ei ole tutkittu moderneilla, polymeraasiketjututkimuksiin (PCR) perustuvilla menetelmillä. Tässä tutkimuksessa selvitettiin synnynnäisiä ja hankittuja immuunireaktiota aknea sairastavien ihossa ja isotretinoiinin vaikutusta näihin reaktioihin. Tutkimuksessa hyödynnettiin aknepotilaiden ihokoepaloja, joista tutkittiin sytokiinien, kemokiinien, transkriptiotekijöiden sekä antimikrobisten peptidien ilmentymistä reaaliaikaisella PCR-menetelmällä. Lisäksi ihokoepaloja tutkittiin immunohistokemiallisilla värjäyksillä ja Luminex-menetelmällä, jota hyödynnettiin myös sytokiini-tasojen määrittämiseen aknepotilaiden seeruminäytteistä. Aknea sairastavien ihon bakteeristoa tutkittiin 16S ribosomaalisen RNA:n geenien sekvensointiin pohjautuvalla menetelmällä. Väitöstutkimuksessa havaitsimme, että varhaisvaiheen aknemuutoksessa käynnistyvät sekä synnynnäisen että hankitun immuniteetin vasteet. Erityisesti IL-17/Th17-akseli on aktivoitunut. Lisäksi aknea sairastavien terveellä iholla tulehduksen välittäjäaineen TGF-1β ja transkriptiotekijän FoxP3 ilmeneminen oli alentunut verrattuna terveihoisiin kontrolleihin. Isotretinoiinilla ei ole suoraa vaikutusta synnynnäisen ja hankitun immuniteetin reaktioihin jo olemassa olevissa varhaisen vaiheen aknemuutoksissa. Aknea sairastavien terveessä ihossa isotretinoiini muokkasi luontaisen immuniteetin vasteita mm. vähentämällä tollin kaltaisen reseptorin (TLR)- 2 ja tulehduksen välittäjäaineen IL-11β ilmenemistä sekä lisäämällä makrofagien kertymistä tulehduspaikalle. Kuuden viikon hoito isotretinoiinilla tai lymesykliinillä vähentää yhtä tehokkaasti aknealueilla P. acnes -bakteerin suhteellista osuutta ihon bakteeristosta. Isotretinoiini on kuitenkin antibiootteja tehokkaampi aknelääke ja lisäksi hoitovaste saavutetaan pitemmäksi aikaa, mikä johtunee isotretinoiinin vaikutuksesta talirauhasiin ja talinerityksen vähentämisestä. Aknen tulehdusmekanismien ymmärtäminen on tärkeää taudissa, joka pahimmillaan johtaa merkittävään arpeutumiseen. Tutkimuksemme perusteella hankittu immuniteetti on tärkeässä roolissa synnynnäisen immuniteetin aktivoitumisen rinnalla aknen synnyssä. Tehokkain aknelääke, isotretinoiini ei vaikuta hankittuun immuunivasteeseen, minkä vuoksi jatkossa tarvitaan uusia lääkkeitä isotretinoiinin rinnalle tulehduksen nopeaan hillitsemiseen vaikeissa aknemuodoissa.

Abstract Intrauterine infections apparently cause about 85% of preterm deliveries at less than 28 weeks of gestation. Infection and inflammation play an important role in morbidity and mortality during perinatal period. The inflammatory mechanisms and pathophysiological consequences of intrauterine infection are poorly understood. According to current evidence from animal studies, the phenotypes of fetal inflammatory response are variable, ranging from spontaneous preterm birth to fetal death. The fetus is rather well protected against infectious agents by both structural and functional barriers. Toll-like receptors (TLR) are a part of innate immune system. Binding of bacterial or viral component to TLR induces inflammatory response in the host. The present study addressed the hypothesis that the effects of bacterial lipopolysaccharide (LPS) on the fetus, depends on the route by which it reaches the fetus. In this experimental study we hypothesized that an acute inflammation within the amniotic cavity may cause an innate immune response in the fetus consequently leading to cardiovascular distress. Secondly the role of the placenta in protecting the fetus from acute infectious challenges was evaluated. Additionally, the role of gestational age in the fetal immune response was studied. In the present study, LPS from Gram-negative bacteria caused an acute intrauterine inflammation in mice as indicated by the elevated levels of inflammatory mediators (e.g. cytokines) in amniotic fluid. The fetal heart revealed mRNA and protein expression of TLR4, which recognizes LPS. Moreover, the data showed a cytokine response in the fetal heart and severe cardiac dysfunction. In contrast, intraperitoneal LPS administered to the mother did not cause an acute cytokine response in the fetus. After intraperitoneal LPS the placenta showed severe blood congestion and a cytokine response. The data suggest that TLRs play roles in regulating the acute inflammatory responses in the placenta. Despite the absence of a fetal immune response, the placental lesions caused a fetal cardiovascular compromise. In addition, the present data indicate that the fetal expression of TLR4 is tissue specific and developmentally regulated. Present study provides new insights into the acute inflammatory mechanisms in maternal and fetal compartments and the pathophysiological changes in fetal cardiovascular hemodynamics. / Tiivistelmä Hyvin ennenaikaisen, alle 28. raskausviikolla tapahtuneen synnytyksen taustalta löytyy usein kohdunsisäinen infektio (IUI). Kohdunsisäisen infektion aiheuttama synnytys on suurimpia sikiön vammautumiseen tai kuolemaan johtavia syitä. Tulehdukselliset mekanismit, jotka johtavat synnytykseen tai sikiön vammautumiseen ovat huonosti tunnettuja. Tollin kaltaiset reseptorit (TLR) ovat osa synnynnäisen immuniteetin puolustusjärjestelmää. Niiden tarkoitus on tunnistaa nopeasti elimistölle vieraat, usein bakteeri- tai virusperäiset rakenteet ja käynnistää tulehdusvaste tuottamalla tulehdusvälittäjäaineita. Nämä välittäjäaineet säätelevät tulehdusprosessia, toisaalta niiden liiallinen tuotto voi aikuisilla johtaa elinvaurioihin kuten sydämen toimintahäiriöön. On esitetty että tulehdusvälittäjäaineet käynnistäisivät myös ennenaikaisen synnytyksen IUI:ssa. TLR-reseptorien merkityksestä sikiön tulehdusvasteessa tai synnytyksen käynnistymisessä on vain vähän tietoa. Väitöskirjatyössä tutkittiin kokeellisen hiirimallin avulla bakteeriperäisen lipopolysakkaridin (LPS) kykyä aiheuttaa sikiön tulehdusvaste, sekä muutoksia sikiön sydämen ja verenkierron toiminnassa, riippuen LPS:n reitistä sikiöön. Toisaalta kokeellisella mallilla tutkittiin istukan kykyä suojata sikiötä voimakkaalta tulehdusreaktiolta. Tarkoituksena oli tutkia myös sikiön kehitysasteen vaikutusta LPS:n aiheuttamaan tulehdusvasteeseen. Tutkimuksessa havaittiin LPS:n aiheuttavan kohdunsisäisen tulehduksen kun sitä annettiin suoraan lapsiveteen. Sikiön sydämessä todettiin TLR4 lähetti-RNA:n ja proteiinin ilmentyminen sekä nopea sytokiinien tuotannon lisääntyminen kuvastaen äkillistä tulehdusprosessia. Samanaikaisesti ultraäänitutkimuksessa todettiin sikiön sydämen vaikea toimintahäiriö. Toisaalta, jos LPS annettiin kantavalle emolle vatsaonteloon, tulehdusvälittäjäaineiden tuotannon lisääntymistä sikiössä ei havaittu. Sen sijaan istukassa todettiin akuutti verentungos ja tulehdusvaste. Edellä kuvattu istukan toimintahäiriö johti myös sikiön sydämen ja verenkierron toiminnan vaikeutumiseen huolimatta siitä, ettei sikiön sydämessä havaittu tulehduksellista vastetta. Lisäksi sikiöstä ja istukasta saadut tulokset viittaavat siihen, että TLR-reseptorit ovat mukana LPS:n tunnistamisessa ja äkillisen tulehdusvasteen käynnistymisessä. Tutkimus antaa uutta tietoa raskauden aikaisista tulehduksellisista mekanismeista sekä sikiön sydämen toiminnan äkillisistä muutoksista voimakkaan tulehduksen aikana.

Abstract Toll-like receptors (TLRs) are transmembrane proteins involved in the recognition of specific microbial structures and thus the activation of signaling cascades of innate immunity. Regulation of the innate immune response is a complex biological process involving the combined synergistic and antagonistic effects of distinct signaling mediators. Although TLR signaling has been widely studied in recent years, there remain many unexplored unique features of each TLR signaling pathway. The present study evaluated the activation and regulation of TLR4 and TLR2 signaling with the aim of better understanding the molecular mechanisms that control these inflammatory signaling pathways. In the present study, the signal transduction mechanisms of TLR4 and TLR2 in response to Escherichia coli LPS and Staphylococcus aureus LTA were evaluated in mouse macrophages. The inductions, interactions, and activations of the signaling molecules and mediators in the TLR pathways were studied by using several molecular biology and protein chemistry methods. In addition, the role of TLR4 and TLR2 in the regulation of the hepatic inflammatory reaction during endotoxemia was studied. Mouse macrophages were found to induce central proinflammatory mediators in response to LPS and LTA stimulation. Specific roles for PI 3-kinase and Btk were described. These kinases were found to be activated by LPS and LTA; moreover, PI 3-kinase and Btk were found to form specific interactions with TLRs and their intracellular signaling mediators. In addition, a unique IRF2 signaling pathway for LTA-induced TLR2 was found, resulting in the activation of signal transducers and activators of transcription (Stats) and IFN-α secretion. The secreted IFN-α was shown to regulate the LTA-induced inflammatory responses, thereby combining the LTA-induced IRF proteins into NF-κB pathway. The present study provides insight into the signal transduction mechanisms of TLRs. The understanding of these molecular mechanisms that control the activation of TLR signaling cascades will in the future help to predict predisposition and outcome in infectious diseases, and to control the course of disease at an earlier stage. / Tiivistelmä Toll:n kaltaiset reseptorit (TLR) ovat solukalvon proteiineja, jotka tunnistavat taudinaiheuttajien eli patogeenien spesifisiä rakenteita johtaen elimistön puolustusjärjestelmän, immuniteetin, aktivoitumiseen. Immuniteetin säätely on monimutkainen biologinen prosessi, joka tapahtuu kudosten, solujen ja erilaisten synnynnäiseen immuniteettiin liittyvien molekyylien vuorovaikutuksina. Tulehdusvasteen säätelyssä tasapaino positiivisten ja negatiivisten säätelysignaalien välillä on erittäin tärkeää, jotta autoimmuunisairauksien, akuuttien tai kroonisten tulehdusten sekä infektiosairauksien synty voitaisiin välttää. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli saada lisätietoa TLR2 ja TLR4 proteiinien säätelemistä signaalireiteistä, niiden vasteista tiettyjä patogeenirakenteita vastaan ja ymmärtää paremmin synnynnäisen immuniteetin puolustusmekanismeja. Patogeenirakenteiden aiheuttamaa tulehdusvastetta tutkittiin pääosin soluviljelymallissa. Lisäksi selvitettiin immuunivasteen luonnetta fysiologisessa kokonaisuudessa ja sen korrelaatiota solutasolla nähtyihin vasteisiin käyttäen in vivo hiirimallia. Tutkimus tehtiin käyttäen useita molekyylibiologian ja proteiinikemian menetelmiä proteiini- ja mRNA-ekspressioiden sekä proteiini-interaktioiden tutkimiseen ja erilaisten aktiivisuuksien määrityksiin. Tulehdusvastetta tutkittiin etenkin sytokiinivastetta määrittämällä ja signaaliketjujen toimintaa analysoitiin estämällä spesifisesti niiden toimintaa. Tarkoituksena oli selvittää, mitkä tekijät ovat välttämättömiä kyseisten tulehdusta aiheuttavien bakteerien tunnistuksessa ja puolustusreaktiossa niitä vastaan. Tutkimuksessa havaittiin kahden kinaasin, PI 3-kinaasin ja Brutonin tyrosiinikinaasin, liittyvän oleellisesti TLR signaalireitteihin. Nämä TLR:ien stimulaation seurauksena aktivoituneet kinaasit muodostivat spesifisiä sidoksia TLR:ien ja niiden signaaliketjuihin liittyvien solunsisäisten signaalivälittäjien kanssa. Lisäksi TLR2 signaalireitillä havaittiin aktivoituvan tekijöitä, jotka johtivat interferoni-α välitteiseen tulehdusvasteen säätelyyn. TLR signaalireittien selvittäminen auttaa ymmärtämään tulehdussairauksien patofysiologiaa ja voi siten tulevaisuudessa johtaa parempien hoitomenetelmien kehittämiseen.

Abstract The response of the innate immune system is triggered through Toll-like transmembrane receptors (TLR) that recognize a variety of microbial products. TLR4 is the principal mediator for Gram negative bacterial endotoxin (LPS), whereas TLR2 mediates the response to Gram positive bacteria, mycobacteria, and yeast. Stimulation of TLR activates complex cascades leading first to the production of inflammatory mediators, such as proinflammatory cytokines IL-1 α/β and TNF-α. Overproduction of inflammatory cytokines as well as failure in the activation of innate immunity are detrimental to the host. Excess inflammatory stimulation leads to a septic shock, which may cause multi-organ failure and even death. The lack of any innate response exposes the host to overwhelming bacterial infections. Appropriate regulation of the innate immune response could be a target for attempts to find therapeutics to septic shock. This experimental study focuses on functional activation of the signaling receptors TLR4 and TLR2 upon a LPS challenge. An acute inflammation model was used for both in vivo and in vitro experiments. LPS was used to stimulate a mouse macrophage cell line. It was administred intraperitoneally or intra-amniotically to non-pregnant or time-mated mice. The basal and induced mRNA expression levels and the protein production of TLRs as well as the mRNA expression of several inflammatory mediators were studied. The present study showed that the expression of TLR4 and TLR2 is strain and tissue-specific. At the mRNA level, the levels of TLR4 expression limited the extent of the acute cytokine response. The quality of the cytokine response was modulated by protein aggregates formed by TLR4 on the cell surface. The LPS challenge caused a marked increase in the expression of TLR2 mRNA but not the protein; the significance of this remains to be studied. The study further showed that the expression of TLRs is regulated during the perinatal period, and that the acute cytokine response to LPS in the lung develops during antenatal differentiation. The present study provides information about how the activation of TLR regulates the acute inflammatory response and further helps to elucidate new targets for the anti-inflammatory strategies in controlling inflammatory events. / Tiivistelmä "Toll-like"-reseptorit (TLR) ovat solukalvon proteiineja, jotka spesifisesti tunnistavat erilaisia bakteerirakenteita. Infektiossa tällainen bakteerirakenne sitoutuu reseptoriin ja seurauksena solussa käynnistyy synnynnäinen immuunivaste eli tulehdusvälittäjäaineiden tuotto. Liiallinen tulehdusvälittäjäaineiden tuotto voi johtaa septiseen shokkiin eli verenmyrkytykseen, elinvaurioihin ja jopa kuolemaan. Septisen shokin synty voisi olla estettävissä immuunivasteen voimakkuuden tarkoituksenmukaisella säätelyllä. Väitöskirjassa on tutkittu, miten TLR4 ja TLR2 aktivoituvat bakteeri-infektiossa, tarkoituksena selvittää, säätelevätkö reseptorit immuunivasteen käynnistystä ja voimakkuutta solussa. Tutkimuksessa todettiin, että TLR4:n ja TLR2:n geenien ilmentymistä säädellään eri tavoin eri hiirikannoilla ja eri kudoksissa. TLR4-tason nousu aiheutti voimakkaamman immuunivasteen, kun taas reseptorin matala esiintymistaso laski immuunivasteen voimakkuutta. Lisäksi TLR4:aan solukalvolla sitoutuvat muut proteiinit vaikuttivat immuunivasteen laatuun. Tutkimuksessa todettiin myös, että TLR:n määrä sikiön keuhkoissa rajoittaa keuhkojen immuunivasteen kehittymistä. Tutkimus antaa tietoa siitä, miten TL-reseptorien aktivaatio säätelee synnynnäistä immuunipuolustusta ja selventää mahdollisuutta kontrolloida immuunivasteen voimakkuutta vaikuttamalla TL-reseptoriin.

Abstract Respiratory tract infections are the most common acute illnesses, and innate immunity and inflammation are important in defence against these infections. Mannose-binding lectin (MBL) mediates innate immune defences by recognising microbial structures. MBL deficiency caused by polymorphisms in the MBL2 gene has been associated with susceptibility to recurrent infections. Interleukin-6 (IL-6) is a mediator of inflammatory response. Polymorphisms in the IL-6 and IL-6 receptor (IL-6R) genes have been previously associated mainly with metabolic disorders and cardiovascular diseases. Chlamydia pneumoniae is a common pathogen in acute respiratory tract infections, but it also has a tendency to cause persistent infections, which have been associated with cardiovascular diseases and its risk factors, such as obesity. The aims of this study were to investigate if selected polymorphisms of the MBL2, IL-6 and IL-6R genes are associated with respiratory tract infections and markers of C. pneumoniae infection, and to study if persistent C. pneumoniae infection is connected with an elevated body mass index (BMI) in 893 Finnish male military conscripts. Respiratory tract infections were followed during their military service and serum samples were collected at the beginning and end of their service and during each infectious episode. A variation in serum MBL levels between different MBL2 genotypes and a MBL deficiency in homozygous exon 1 variant genotypes (at codons 52, 54 and 57) were observed. Low MBL levels and MBL2 polymorphisms in exon 1 and promoter region were found to be risk factors for susceptibility to respiratory tract infections as well as for positivity and a rise in C. pneumoniae antibodies during military service. Associations between IL-6R gene polymorphisms in the promoter region (-183G/A) and in intron 1 and respiratory tract infections were found. In addition, the IL-6 -174G/C polymorphism was associated with persistently elevated C. pneumoniae antibodies and with slightly elevated serum C-reactive protein (CRP) levels, pointing to chronic C. pneumoniae infection. Furthermore, persistent C. pneumoniae antibodies as a suggestive marker of chronic infection, and elevated serum CRP levels as a marker of systemic inflammation, were associated with an elevated BMI. In conclusion, the findings support the role for MBL in susceptibility to infections and provide new information about the association between MBL and common respiratory tract infections. The results also suggest that the 5’ area of the IL-6R gene may be a possible candidate region for respiratory tract infection susceptibility, and that IL-6 genetics may be associated with C. pneumoniae infection. The study also provides new information about the role of possible chronic C. pneumoniae infection in obesity. / Tiivistelmä Hengitystieinfektiot ovat yleisimpiä äkillisiä sairauksia, ja synnynnäisellä immuunivasteella ja tulehduksella on tärkeä rooli puolustuksessa näitä infektioita vastaan. Synnynnäiseen immuniteettiin kuuluva mannoosia sitova lektiini (MBL) tunnistaa infektioita aiheuttavien mikrobien rakenteita. MBL2-geenin polymorfismien aiheuttaman MBL-proteiinin puutteen on todettu altistavan toistuville infektioille. Interleukiini-6 (IL-6) on tulehduksen välittäjänä toimiva sytokiini. IL-6- ja IL-6-reseptori (IL-6R) -geenien polymorfismit on aikaisemmin yhdistetty lähinnä metabolisiin häiriöihin sekä sydän- ja verisuonitauteihin. Chlamydia pneumoniae eli keuhkoklamydia on yleinen hengitystieinfektioiden aiheuttaja, mutta se voi myös aiheuttaa kroonisia infektioita, jotka on yhdistetty sydän- ja verisuonitauteihin sekä niiden riskitekijöihin kuten lihavuuteen. Työn tarkoituksena oli tutkia tiettyjen MBL2-, IL-6- ja IL-6R-geenien polymorfismien yhteyttä hengitystieinfektiohin ja keuhkoklamydiavasta-ainetasoihin sekä keuhkoklamydiainfektion yhteyttä painoindeksiin 893 suomalaisella varusmiehellä. Hengitystieinfektioita seurattiin palveluksen aikana, ja seeruminäytteet kerättiin palveluksen alussa, lopussa ja jokaisen infektion aikana. Tutkimuksessa havaittiin vaihtelua seerumin MBL-pitoisuudessa eri MBL2-genotyyppien välillä sekä MBL:n puute homotsygooteissa eksoni 1 -alueen varianttigenotyypeissä (kodoneissa 52, 54 ja 57). Alhaiset MBL-tasot sekä MBL2-geenin polymorfismit eksoni 1 -alueella ja säätelyalueella olivat riskitekijöitä hengitystieinfektioalttiudelle sekä keuhkoklamydiavasta-aineiden esiintymiselle ja vasta-aineiden nousulle palveluksen aikana. IL-6R-geenin polymorfismit säätelyalueella (-183G/A) ja introni 1 -alueella liittyivät hengitystieinfektioihin. Lisäksi IL-6-geenin -174G/C polymorfismi oli yhteydessä jatkuvasti kohonneisiin keuhkoklamydiavasta-aineisiin sekä seerumin C-reaktiivisen proteiinin (CRP) tasoihin, jotka mahdollisesti osoittaisivat kroonista keuhkoklamydiainfektiota. Lisäksi krooniseen keuhkoklamydia-infektioon viittaavat vasta-ainetasot sekä tulehdukseen liittyvä kohonnut CRP-pitoisuus olivat yhteydessä ylipainoon. Tutkimuksen tulokset tukevat aikaisemmin havaittua MBL:n vaikutusta infektioalttiuteen ja lisäksi antavat uutta tietoa MBL:n yhteydestä tavallisiin hengitystieinfektioihin. Tulokset viittaavat myös siihen, että IL-6R-geenin 5’-alueella voi olla yhteyttä hengitystieinfektioalttiuteen ja että IL-6-polymorfismi olisi yhteydessä keuhkoklamydiainfektioon. Tutkimus antaa myös uutta tietoa mahdollisen kroonisen keuhkoklamydiainfektion liittymisestä ylipainoon.

Abstract Cancers of the alimentary tract include many common cancer types, some of which have well-established treatment protocols and relatively good prognosis, such as colorectal cancer, and others, which have generally very poor prognosis. The gastrointestinal canal is colonized by a multitude of bacteria, the effects of which are currently poorly understood. Toll-like receptor 9 (TLR9) in cells of the alimentary tract recognizes the bacterial DNA-fragments and regulates immune functions in the host and the cancer. This thesis examines the function and prognostic significance of Toll-like receptor 9 in oral and esophageal squamous cell carcinoma as well as in esophageal, gastric and colorectal adenocarcinoma. The studies were made using tissue samples from patient cohorts and various cell culture techniques. Our data indicate that high expression of Toll-like receptor 9 in cancer cells associates with metastatic properties in oral and esophageal cancers and poor prognosis in esophageal adenocarcinoma and oral squamous cell carcinoma. Cell culture studies further suggest that TLR9 is functional in alimentary tract cancers and mediates cellular invasion when activated. Based on the results, TLR9 is active in alimentary tract cancers and its expression is related to poor cancer prognosis. Thus, TLR9 may represent a novel therapeutic target in alimentary tract cancers and might provide a link between bacteria and oral and gastrointestinal cancer. / Tiivistelmä Ruuansulatuskanavan syöpiin lukeutuu useita yleisiä syöpätyyppejä, kuten kohtalaisen hyväennusteinen paksusuolen syöpä, jonka hoitokäytäntö on vakiintunut. Toisissa ruuansulatuskanavan syövissä puolestaan ennuste on hyvin huono. Mahasuolikanavaa asuttavat moninaiset bakteerikannat, joiden vaikutuksia ymmärretään vielä kehnosti. Tollinkaltainen reseptori 9 (TLR9) tunnistaa näiden bakteerien DNA-rakenteita ja vaikuttaa yksilön ja syövän immuunivasteeseen. Tämä väitöstutkimus selvittää TLR9:n toimintaa ja ennustevaikutusta suun ja ruokatorven levyepiteelisyövissä, sekä ruokatorven, mahalaukun ja paksusuolen adenokarsinoomassa. Tutkimus toteutettiin käyttäen syöpäpotilaiden kudosnäytteitä sekä soluviljelytekniikoita. Tuloksemme osoittavat, että TLR9:n lisääntynyt ilmentyminen syöpäsoluissa yhdistyy metastasointiin suu- ja ruokatorvisyövissä, sekä korkeaan kuolleisuuteen suun levyepiteelisyövässä ja ruokatorven adenokarsinoomassa. Soluviljelykokeidemme tuloksiin nojaten TLR9 toimii ruuansulatuskanavan syövissä ja sen aktivaatio saa aikaan solujen invasoitumisen. Tutkimustuloksiimme vedoten TLR9 on aktiivinen ja toimiva ruuansulatuskanavan syövissä ja sen ilmentyminen liittyy huonoon ennusteeseen. TLR9 saattaa osoittautua uudeksi syöpähoitojen kohteeksi tai yhdistäväksi tekijäksi syövän ja bakteerien välillä ruuansulatuskanavan syövissä tulevaisuudessa.

Abstract Approximately 5.5% of all infants are born preterm (before 37 completed weeks of gestation) in Finland. Preterm birth is the cause of several life-threatening neonatal diseases and long-term morbidity. The most important risk factor for preterm birth is intrauterine infection and inflammation. Approximately 70% of preterm births have a spontaneous onset. Evidence suggests that genetic factors are involved in spontaneous preterm birth (SPTB), but knowledge about the actual genes conferring genetic predisposition is limited. The major aim of this work was to identify genetic factors that predispose to SPTB. Genome-wide linkage analysis was performed to identify genomic regions associating with SPTB in large northern Finnish families recurrently affected by SPTB. Genes near regions with linkage signals were subsequently analyzed in a Finnish case-control population of mothers and infants. Due to their roles in innate immunity, the genes encoding surfactant protein A (SP-A), SP-C, SP-D and mannose-binding lectin (MBL) were also investigated as candidates for SPTB in this population. In addition, expression of SP-C in human and mouse gestational tissues was examined. Linkage signals were detected on chromosome loci 15q26.3, Xq13.1 and Xq21.1 with the phenotype of being born preterm. In subsequent association analyses, the genes encoding the insulin-like growth factor 1 receptor (IGF1R) located within locus 15q26.3 and the androgen receptor (AR) located near locus Xq13.1 were identified as potential novel fetal SPTB susceptibility genes. These genes did not associate with SPTB in the mothers. An association was found between the Met31Thr polymorphism of the SFTPD gene encoding SP-D and SPTB in the infants. There was no association in the mothers. Polymorphisms of the genes encoding SP-A or MBL did not associate with SPTB. The Thr138Asn polymorphism of the SFTPC gene encoding SP-C did not associate with SPTB. However, this polymorphism associated strongly with the interval between preterm premature rupture of membranes and SPTB in the fetuses. Expression of SP-C was detected in human and mouse fetal membranes and placenta, and in mouse pregnant uterus. Currently, there is no effective method to prevent SPTB. The results of this study may help to clarify some of the biological mechanisms underlying SPTB and finally allow the development of specific treatment strategies for its prevention. / Tiivistelmä Suomessa syntyy noin 5,5 % lapsista ennenaikaisina eli raskauden kestettyä vähemmän kuin 37 täyttä viikkoa. Näillä lapsilla on alttius hengenvaarallisiin sairauksiin, ja osalle heistä jää pysyvä kehitysvamma. Noin 70 % ennenaikaisista syntymistä käynnistyy spontaanisti. Tärkein ennenaikaisen syntymän riskitekijä on kohdunsisäinen tulehdusreaktio. Myös perinnöllisten tekijöiden tiedetään vaikuttavan spontaanin ennenaikaisen syntymän (SEAS) käynnistymiseen, mutta alttiusgeenejä tunnetaan huonosti. Työssä pyrittiin tunnistamaan SEAS:lle altistavia perinnöllisiä tekijöitä. Perimänlaajuista kytkentäanalyysiä käyttäen etsittiin SEAS:ään liittyviä perimän kohtia tutkimalla toistuvasti ennenaikaisia syntymiä kokeneita isoja pohjoissuomalaisia perheitä. Kytkentäsignaalien lähellä olevia geenejä tutkittiin tutkimusaineistossa, joka koostui suomalaisista äideistä ja lapsista. Surfaktanttiproteiini A:ta (SP-A), SP-C:tä, SP-D:tä ja mannoosia sitovaa lektiiniä (MBL) koodaavia geenejä tutkittiin ehdokasgeeneinä SEAS:lle tässä populaatiossa, koska nämä proteiinit osallistuvat elimistön puolustukseen ja voivat siten vaikuttaa SEAS:ään liittyvään tulehdusreaktioon. Lisäksi tutkittiin SP-C:n ilmentymistä ihmisen ja hiiren sikiökalvoilla, istukassa ja kohdussa. Kytkentäsignaaleja havaittiin kromosomikohdissa 15q26.3, Xq13.1 ja Xq21.1, kun tutkittavana ilmiasuna oli ennenaikaisena syntyminen. Lisätutkimukset osoittivat, että sikiön insuliininkaltaisen kasvutekijän 1 reseptoria koodaava IGF1R-geeni (kohta 15q26.3) ja androgeenireseptorigeeni AR (lähellä kohtaa Xq13.1) ovat mahdollisia uusia SEAS:n alttiusgeenejä. Nämä geenit eivät selittäneet SEAS:ää äideissä. Sikiön SP-D:tä koodaavan geenin Met31Thr-polymorfismi tunnistettiin mahdolliseksi riskitekijäksi, mutta tämä polymorfismi ei selittänyt SEAS:ää äideissä. SP-A:ta ja MBL:ää koodaavat geenit eivät liittyneet SEAS:ään. SP-C:tä koodaavan geenin Thr138Asn-polymorfismi ei ollut yhteydessä SEAS:ään. Sikiön Thr138Asn-polymorfismi liittyi kuitenkin vahvasti sikiökalvojen puhkeamisen ja SEAS:n väliseen kestoon. SP-C:n havaittiin ilmentyvän ihmisen ja hiiren sikiökalvoilla ja istukassa sekä raskaana olevan hiiren kohdussa. Tulokset antavat uutta tietoa SEAS:n perinnöllisestä taustasta. Tämä tieto voi auttaa selvittämään sen käynnistymiseen johtavia biologisia mekanismeja ja johtaa lopulta uusiin hoitokeinoihin, joilla pystytään estämään spontaaneja ennenaikaisia syntymiä.