Abstract Skin stem cells are essential for maintaining epidermal homeostasis by providing new cells to replace those that are lost during normal tissue turnover and repair after injury. Adult epidermal stem cells serve also as the cells of origin for different types of skin cancers. This PhD study investigates the hair follicle (HF) stem cells and skin cancer, and the microenviromental factors that regulate the initiation of tumors and their progression to malignancy. Collagen XVIII is a common basement membrane multidomain proteoglycan highly expressed in HF stem cells (HFSCs) and in malignant skin squamous carcinoma cells. It is known to be essential for the development of the eye, and mutations in the COL18A1 gene cause a rare disease, Knobloch syndrome, with severe eye defects. However, the roles of collagen XVIII in other tissues and diseases are not well understood. Using genetically modified mice, we show here that collagen XVIII is important for the structure and formation of hemidesmosomes, the junctional complexes between epidermal cells and basement membrane. We propose that the disturbed adhesion of the HFSCs to the underlying BM in mice with collagen XVIII ablation leads to defects in stem cell viability and HF cycling. Overexpression of the N-terminal noncollageous sequences of collagen XVIII were sufficient to rescue the abnormal HF phenotype observed in the absence of collagen XVIII. We also found that mice lacking this collagen develop fewer chemical-induced skin tumors, which we suggest is due to increased apoptosis in skin stem cells upon carcinogen-induced DNA damage, and to reduced stemness of tumor cells. In another project we studied the functions of Bmx, a cytoplasmic protein tyrosine kinase, which is upregulated in different types of cancer. However, little is known about the pathways that Bmx regulates in tumors. Therefore, we investigated its roles in cancer using syngeneic tumor assays, and chemical and genetic experimental tumor models. We show here that Bmx promotes tumor growth and progression and induces tumor angiogenesis by contributing to the transduction of VEGF signals. / Tiivistelmä Ihon kantasoluilla on tärkeä tehtävä ihon epidermiksen tasapainon (homeostaasin) ylläpitämisessä. Kantasolut jakautuvat tarvittaessa ja tuottavat uusia erilaistuneita soluja sekä ihon pintasolukon normaalin uusiutumisen että vahingoittuneen kudoksen korjaamisen yhteydessä. Ihon kantasoluilla uskotaan olevan myös tärkeä rooli erilaisten ihosyöpien synnyssä. Tässä tutkimuksessa tutkittiin ihon karvatupen kantasoluja ja ihosyöpää, ja selvitettiin kantasoluja ympäröivän kudoksen, mikroympäristön (kantasolulokero), merkitystä ihosyövän synnyssä ja etenemisessä. Kollageeni XVIII on useista toiminnallisista osista koostuva tyvikalvojen proteoglykaani, joka ilmenee voimakkaasti ihon karvatupen kantasoluissa, sekä ihon pahanlaatuisissa levyepiteelikarsinoomasoluissa. Vaikka kollageeni XVIII:n biologiset tehtävät elimistössä ovat vielä jokseenkin epäselviä, sen tiedetään olevan välttämätön silmän kehittymiselle. Kollageeni XVIII:n geenimutaatioiden on osoitettu aiheuttavan Knoblochin oireyhtymän, jota sairastavilla potilailla on muutoksia silmän rakenteessa. Tässä väitöskirjatyössä hyödynnettiin useita muuntogeenisiä hiirimalleja ja osoitettiin, että kollageeni XVIII säätelee merkittävästi ihon karvatupen erilaistuvien solujen elinkykyä ja karvojen kasvukiertoa. Kollageeni XVIII:n puutos aiheutti muutoksia karvatupen pullistuma-alueen (bulge) liitoskomplekseissa (hemidesmosomi), jotka ankkuroivat alueen tyvisolut karvatuppea ympäröivään tyvikalvoon. Tulokset viittaavat siihen, että puutteelliset liitokset solujen ja tyvikalvon välillä ja niistä johtuvat signaalinvälityksen häiriöt voivat aiheuttaa muutoksia karvatupen solujen ominaisuuksissa. Kollageenin XVIII:n aminoterminaalisen osan tuottaminen poistogeenisen hiiren ihossa riitti palauttamaan hemidesmosomit, karvatupen solujen elinkyvyn ja karvasyklin normaaliksi. Työssä havaittiin myös, että kollageeni XVIII puute vähensi kemikaalikäsittelyillä aiheutettujen ihokasvainten määrää hiirillä, mitä voidaan osaltaan selittää sillä, että kollageeni XVIII:n puutos lisäsi DNA-vaurioista kärsivien erilaistuvien solujen ohjelmoitua solukuolemaa (apoptoosi) ja vähensi kasvainsolujen kantasoluominaisuuksia. Tässä työssä tutkittiin myös monissa syövissä voimakkaasti ilmenevän solunsisäisen signaalinvälittäjän tyrosiinikinaasi Bmx:n tehtäviä syövässä hyödyntäen istutettavia kasvainsoluja sekä kemiallista ja geneettisiä kokeellisia syöpämalleja muuntogeenisillä hiirillä. Tutkimuksessa ositettiin Bmx:n osallistuvan verisuonikasvutekijän signaalinvälitykseen ja täten edistävän syöpäkasvainten verisuonten uudismuodostusta sekä syövän kasvua ja etenemistä.

Abstract Mediators of epithelial permeability, angiogenesis and invasion may serve as prognostic indicators and targets for therapies in esophageal cancer (EC). The expressions of claudins, hypoxia inducible factor-1α (HIF-1α), vascular endothelial growth factor-A (VEGF), nitric oxide synthases (iNOS, eNOS, nNOS) and toll-like receptor 9 (TLR9) were evaluated by immunohistochemistry in EC. The results were compared with clinicopathological variables, tumor proliferation and apoptosis. All of the claudins were expressed in most of the cancers. Esophageal adenocarcinomas (EAC) displayed more often increased claudin 3 and 5 expression than esophageal squamous cell carcinomas (ESCC). Loss of claudin 3 expression associated with distant metastases in EC and a tendency in this direction was also observed for claudin 4. Cancers with stronger claudin 4 expression showed increased apoptosis in both EAC and ESCC. HIF-1α was present in most of the ECs and like iNOS more often in ESCC than in EAC. Strong HIF-1α expression tended to associate with positive VEGF immunostaining. In ESCC, both strong HIF-1α expression and VEGF positivity tended to associate with increased microvessel density (MVD). In EAC, tumors showing VEGF positivity associated with increased MVD outside the tumor. Patients with strong HIF-1α expression had more often distant metastases than other patients in EC. There was no VEGF expression in normal esophageal mucosa and T3-4 tumors tended to be more often VEGF positive than T1-2 tumors. The expression of TLR9 was more intensive in dysplasia than in normal epithelium and ESCC and abundant TLR9 expression could serve as a marker of squamous cell high grade dysplasia. Intensive TLR9 expression was associated with higher grade tumors and the presence of nodal and distant metastases in ESCC. EC and its progression may be related to increased angiogenesis regulated by VEGF and HIF-1α. In EC, claudin expression varies along with the histology of the tumor. Claudin expression may be associated with apoptosis or proliferation and contribute to tumor behavior. An association was detected between moderate to strong expression of claudin 3 and a high TLR9 histoscore in ESCC. Altered expression of claudin 3 may result to upregulation of endosomal TLR9. TLR9 may serve as a marker for squamous cell dysplasia and ESCC progression. / Tiivistelmä Solukerrosten läpäisevyyttä, verisuonten uudismuodostusta ja kasvainsolujen liikkuvuutta säätelevät tekijät voivat toimia ruokatorvisyövän ennustetekijöinä ja hoidon kohteina. Tässä tutkimuksessa selvitettiin klaudiinien, hypoksia-indusoituvan tekijän 1α (HIF-1α), verisuonen endoteelin kasvutekijän A (VEGF), kolmen typpioksidisyntaasin (iNOS, eNOS ja nNOS) sekä tollin kaltaisen reseptorin 9 (TLR9) ilmentymistä ja merkitystä ruokatorvisyövässä immunohistokemiallisin menetelmin. Tuloksia arvioitiin suhteessa proliferaatioon ja apoptoosiin. Useimmat syöpäkasvaimet ilmensivät jokaista tutkittua klaudiinia. Ruokatorven rauhassyövässä ilmeni levyepiteelisyöpää useammin klaudiineja 3 ja 5. Klaudiinin 3 vähäinen ilmentyminen oli yhteydessä etäpesäkkeiseen tautiin. Sama suuntaus näkyi klaudiinin 4 kohdalla. Apoptoosia todettiin enemmän kasvaimissa, jotka ilmensivät muita enemmän klaudiini 4:ä. Useimmat syöpäkasvaimet ilmensivät HIF-1α:a. Sekä iNOS että HIF-1α ilmentyivät runsaammin levyepiteeli- kuin rauhassyövässä. Tutkimus viittasi yhteyteen voimakkaan HIF-1α:n ilmentymisen ja VEGF:n ilmentymisen välillä. Voimakas HIF-1α:n ilmentyminen ja VEGF:n ilmentyminen vaikuttivat liittyvän ruokatorven levyepiteelisyövän uudissuonituksen lisääntymiseen. Rauhassyövän lisääntynyt uudissuonitus kasvaimen ulkopuolella saattaa liittyä VEGF:n ilmentymiseen. Potilailla, joiden kasvaimissa HIF-1α:n ilmentyminen oli voimakasta, todettiin etäpesäkkeitä muita useammin. VEGF:a ei todettu normaalissa limakalvossa, ja sen ilmentyminen vaikutti olevan yleisempää syvälle kasvavissa kuin pinnallisissa syövissä. TLR9 ilmentyi voimakkaammin levyepiteelin dysplasiassa kuin normaalissa tai kasvainepiteelissä. Huonosti erilaistuvissa ja levinneissä kasvaimissa TLR9 ilmentyi voimakkaammin kuin muissa kasvaimissa. Ruokatorvisyövän synty ja eteneminen voivat liittyä HIF:n ja VEGF:n säätelemään verisuonten uudismuodostukseen. Klaudiinit saattavat vaikuttaa syövän käyttäytymiseen myös apoptoosin ja proliferaation kautta. Tutkimuksessa todettiin yhteys lisääntyneen klaudiinin 3 ilmentymisen ja voimakkaasti ilmentyvän TLR9:n välillä. Muutos klaudiinin 3 ilmentymisessä saattaa lisätä levyepiteelin läpäisevyyttä johtaen TLR9:n aktivoitumiseen. TLR9 voi vaikuttaa ruokatorven levyepiteelin dysplasian ja syövän syntyyn sekä toimia vaikean dysplasian ja aggressiivisen levyepiteelisyövän merkkiaineena.