Molecular biology of progressive myoclonus epilepsy of Unverricht-Lundborg type (EPM1)

Progressive myoclonus epilepsy of Unverricht-Lundborg type (EPM1) is an autosomal recessively inherited disorder characterized by age of onset at 6-15 years, stimulus-sensitive myoclonus, tonic-clonic epileptic seizures and a progressive course. Mutations in the cystatin B (CSTB) gene underlie EPM1. The most common mutation underlying EPM1 is a dodecamer repeat expansion in the promoter region of CSTB. In addition, nine other mutations have been identified. CSTB, a cysteine protease inhibitor, is a ubiquitously expressed inhibitor of cathepsins, but its physiological function is unknown. The purpose of this study was to investigate CSTB gene expression and CSTB protein function in normal and pathological conditions. The basal CSTB promoter was mapped and characterized using different promoter-luciferase gene constructs. The binding activity of transcription factors to one ARE half, five Sp1 and four AP1 sites in the CSTB promoter was demonstrated. The CSTB promoter activity was clearly decreased using a CSTB promoter with "premutation" repeat expansions and in individuals with alike expansions. The expression of CSTB mRNA and protein was markedly reduced in patient cells. The endogenous CSTB protein localized to the nucleus, cytoplasm and lysosomes, and in differentiated cells merely to the cytoplasm. This suggests that the subcellular distribution of CSTB is dependent on the differentation status of the cells. The proteins representing patient missense mutations failed to associate with lysosomes, implying the importance of the lysosomal association for the proper physiological function of CSTB. Several alternatively spliced CSTB isoforms were identified. Of these CSTB2 was widely expressed with very low levels whereas the other alternatively spliced forms seemed to have limited tissue expression. In patients CSTB2 expression was reduced similarly to that of CSTB. The physiological relevance of CSTB alternative splicing remains unknown. The mouse Cstb transcript was shown to be present in all embryonic stages and adult tissues examined. The expression was highest at embryonic day 7 and in thymus, as well as in postnatal brain in the cortex, caudate putamen, thalamus, hippocampus, and in the Purkinje cell layer of the cerebellum. Our data implies that CSTB expression is tightly temporally and spatially regulated. The data presented in my thesis lay the basis for further understanding of the role of CSTB in health and disease.

Novel insights on functions of myotilin/palladin family members

Poikkijuovaisen luuranko- ja sydänlihaksen supistumisyksikkö, sarkomeeri, koostuu tarkoin järjestyneistä aktiini- ja myosiinisäikeistä. Rakenne eroaa muista solutyypeistä, joissa aktiinisäikeistö muovautuu jatkuvasti ja sen järjestyminen säätelee solun muotoa, solujakautumista, soluliikettä ja solunsisäisten organellien kuljetusta. Myotilin, palladin ja myopalladin kuuluvat proteiiniperheeseen, jonka yhteispiirteenä ovat immunoglobuliinin kaltaiset (Igl) domeenit. Proteiinit liittyvät aktiinitukirankaan ja niiden arvellaan toimivan solutukirangan rakenne-elementteinä ja säätelijöinä. Myotilinia ja myopalladinia ilmennetään poikkijuovaisessa lihaksessa. Sen sijaan palladinin eri silmukointimuotoja tavataan monissa kudostyypeissä kuten hermostossa, ja eri muodoilla saattaa olla solutyypistä riippuvia tehtäviä. Poikkijuovaisessa lihaksessa kaikki perheen jäsenet sijaitsevat aktiinisäikeitä yhdistävässä Z-levyssä ja ne sitovat Z-levyn rakenneproteiinia, -aktiniinia. Myotilingeenin pistemutaatiot johtavat periytyviin lihastauteihin, kun taas palladinin mutaatioiden on kuvattu liittyvän periytyvään haimasyöpään ja lisääntyneeseen sydäninfarktin riskiin. Tässä tutkimuksessa selvitettin myotilinin ja pallainin toimintaa. Kokeissa löydettiin uusia palladinin 90-92kDa alatyyppiin sitoutuvia proteiineja. Yksi niistä on aktiinidynamiikkaa säätelevä profilin. Profilinilla on kahdenlaisia tehtäviä; se edesauttaa aktiinisäikeiden muodostumista, mutta se voi myös eristää yksittäisiä aktiinimolekyylejä ja edistää säikeiden hajoamista. Solutasolla palladinin ja profilinin sijainti on yhtenevä runsaasti aktiinia sisältävillä solujen reuna-alueilla. Palladinin ja profilinin sidos on heikko ja hyvin dynaaminen, joka sopii palladinin tehtävään aktiinisäideiden muodostumisen koordinoijana. Toinen palladinin sitoutumiskumppani on aktiinisäikeitä yhteensitova -aktiniini. -Aktiniini liittää solutukirangan solukalvon proteiineihin ja ankkuroi solunsisäisiä viestintämolekyylejä. Sitoutumista välittävä alue on hyvin samankaltainen palladinissa ja myotilinissa. Luurankolihaksen liiallinen toistuva venytys muuttaa Z-levyjen rakennetta ja muotoa. Prosessin aikana syntyy uusia aktiinifilamenttejä sisältäviä tiivistymiä ja lopulta uusia sarkomeereja. Löydöstemme perusteella myotilinin uudelleenjärjestyminen noudattaa aktiinin muutoksia. Tämä viittaa siihen, että myotilin liittää yhteen uudismuodostuvia aktiinisäikeitä ja vakauttaa niitä. Myotilin saattaa myös ankkuroida viesti- tai rakennemolekyylejä, joiden tehtävänä on edesauttaa Z-levyjen uudismuodostusta. Tulostemme perusteella arvelemme, että myotilin toimii Z-levyjen rakenteen vakaajana ja aktiinisäikeiden säätelijänä. Palladinin puute johtaa sikiöaikaiseen kuolemaan hiirillä, mutta myotilinin puutoksella ei ole samanlaisia vaikutuksia. Tuotettujen myotilin poistogeenisten hiirten todetiin syntyvän ja kehittyvän normaalisti eikä niillä esiintynyt rakenteellisia tai toiminnallisia häiriöitä. Toisaalta aiemmissa kokeissa, joissa hiirille on siirretty ihmisen lihastautia aikaansaava myotilingeeni, nähdään samankaltaisia kuin sairailla ihmisillä. Näin ollen muuntunut myotilin näyttä olevan lihaksen toiminnalle haitallisempi kuin myotilinin puute. Myotilinin ja palladinin yhteisvaikutusta selvittääksemme risteytimme myotilin poistegeenisen hiiren ja hiirilinjan, joka ilmentää puutteellisesti palladinin 200 kDa muotoa. Puutteellisesti 200 kDa palladinia ilmentävien hiirten sydänlihaksessa todettiin vähäisiä hienorakenteen muutoksia, mutta risteytetyillä hiirillä tavattiin rakenteellisia ja toiminnallisia muutoksia myös luurankolihaksessa. Tulosten perusteella voidaan todeta, että palladinin 200 kDa muoto säätelee sydänlihassolujen rakennetta. Luurankolihaksessa sen sijaan myotilinilla ja palladinilla näyttäisi olevan päällekkäisiä tehtäviä.

Amyloid diseases at old age : a pathological, epidemiological, and genetic study

Along with the increased life span of individuals, the burden of old age-associated diseases has inevitably increased. Alzheimer s disease (AD), probably the most well known geriatric disease, belongs to the old age-associated amyloid diseases. The purpose of this study was to investigate the frequency, genetic and health-associated risk factors, mutual association, and amyloid proteins in two old age-associated amyloid disorders senile systemic amyloidosis (SSA) and cerebral amyloid angiopathy (CAA) as part of the prospective population-based Vantaa 85+ autopsy study on a Finnish population aged 85 years or more (Studies I-III), completed with a case report on a patient with advanced AGel amyloidosis (Study IV). The numbers of patients investigated in the studies (I-III) were 256, 74, and 63, respectively. The diagnosis and grading of amyloid were based upon histological examination of tissue samples obtained post mortem and stained with Congo red. The amyloid fibril and associated proteins were characterized by immunohistochemical staining methods. The genotype frequencies of 20 polymorphisms in 9 genes and information on health-associated risk factors in subjects with and without SSA and CAA were compared. In a Finnish population ≥ 95 years of age, SSA and CAA occurred in 36% and 49% of the subjects, respectively. In total, two-thirds of these very elderly individuals had SSA, CAA, or both. However, in only 14% of the population these two conditions co-occurred. In subjects 85 years or older, the prevalence of SSA was 25%. In this population, SSA was associated with age at the time of death (p=0.002), myocardial infarctions (MIs; p=0.004), the G/G (Val/Val) genotype of the exon 24 polymorphism in the alpha2-macroglobulin (α2M) gene (p=0.042) and with the H2 haplotype of the tau gene (p=0.016). In contrast, the presence of CAA was strongly associated with APOE e4 (p=0.0003), with histopathological AD (p=0.0005), and with clinical dementia (p=0.01) in both e4+ (p=0.02) and e4- (p=0.06) individuals. Apart from demonstrating the amyloid fibril proteins, complement proteins 3d (C3d) and 9 (C9) were detected in the amyloid deposits of CAA and AGel amyloidosis, and α2M protein was found in fibrous scar tissue close to SSA. In conclusion, this first population based study on SSA shows that both SSA and CAA are common in very elderly individuals. Old age, MIs, the exon 24 polymorphism of the α2M gene, and H1/H2 polymorphism of the tau gene associate with SSA while clinical dementia and APOE ε4 genotype associate with CAA. The high prevalence of CAA, combined with its association with clinical dementia independent of APOE genotype, neuropathological AD, or SSA, also highlights its clinical significance in the very aged, among which the serious end stage complications of CAA, namely multiple infarctions and hemorrhages, are rare. The report on a patient having advanced AGel amyloidosis added knowledge on the disease and showed that this generally benign condition occasionally may lead to death. Further studies are warranted to confirm the findings in other populations. Also, the role of α2M and tau in the pathogenesis of SSA and the involvement of complement in the process of amyloid beta (Aβ) protein elimination from the brain remain to be clarified. Finally, the high prevalence of SSA in the elderly raises the need for prospective clinical studies to define its clinical significance.

Zinc, cadmium and lead resistance mechanisms in bacteria and their contribution to biosensing

In bacteria resistance to heavy metals is mainly achieved through active efflux, but also sequestration with proteins or as insoluble compounds is used. Although numerous studies have dealt with zinc, cadmium and lead resistance mechanisms in bacteria, it has still remained unclear how different transporters are integrated into an effective homeostasis/resistance network and whether specific mechanisms for lead sequestration exist. Furthermore, since metals are toxic not only to bacteria but to higher organisms as well, it is important to be able to estimate possible biological effects of heavy metals in the environment. This could be done by determining the bioavailable amount of the metals in the environment with bacterial bioreporters. That is, one can employ bacteria that respond to metal contamination by a measurable signal to assess the property of metals to cross biological membranes and to cause harmful effects in a possibly polluted environment. In this thesis a new lead resistance mechanism is described, interplay between CBA transporters and P-type ATPases in zinc and cadmium resistance is presented and finally the acquired knowledge is used to construct bacterial bioreporters for heavy metals with increased sensitivity and specificity. The new lead resistance model employs a P-type ATPase that removes Pb2+ ions from the cytoplasm and a phosphatase that produces inorganic phosphate for lead sequestration in the periplasm. This was the first study where the molecular mechanism of lead sequestration has been described. Characterization of two P-type ATPases and two CBA transporters showed that resistance mechanisms for Zn2+ and Cd2+ are somewhat different than for Pb2+ as these metals cannot be sequestered as insoluble compounds as easily. Resistance to Zn2+ was conferred merely by the CBA transporter that could export both cytoplasmic and periplasmic ions; whereas, full resistance to Cd2+ required interplay of a P-type ATPase that exported cytoplasmic ions to periplasm and a CBA transporter that further exported periplasmic ions to the outside. The knowledge on functionality of the transporters and metal-inducible promoters was exploited in bioreporter technology. A transporter-deficient bioreporter strain that lacked exporters for Zn2+/Cd2+/Pb2+ could detect up to 45-fold lower metal concentrations than its wild type counterpart due to the accumulation of metals in the cell. The broad specificity issue of bioreporters was overcome by using Zn-specific promoter as a sensor element, thus achieving Zn-specific bioreporter.

Potato virus A as a heterologous protein expression tool in plants

Viruksien käyttö tuotekehityksen ja tutkimuksen vaatimien proteiinien tuottamiseen, syötävien rokotteiden kehittämiseen ja geeniterapiaan edustavat kasvavia biotekniikan sovellusalueita. Perunan A-virus (PVA) kuuluu potyviruksiin, joiden proteiinit tuotetaan aluksi yhtenä suurena molekyylinä, joka pilkotaan yksittäisiksi proteiineiksi viruksen itsensä tuottamilla entsyymeillä. Siten virusgenomiin lisätty vieras geeni käännetään proteiiniksi virusproteiinien mukana. Lopputuloksena kaikkia proteiineja tuotetaan kasvisoluissa samansuuruinen määrä. Lisäksi, viruksen proteiinikuoren koontimekanismi sallii perintöaineksen merkittävän lisäyksen ilman että viruksen tartutuskyky merkittävästi heikkenee. Koska virus monistuu ja leviää koko kasviin, jo melko pieni määrä kasveja riittää huomattavan proteiinimäärän tuottamiseen esimerkiksi säännösten mukaisessa kasvihuoneessa. Tämän työn tarkoituksena oli muuntaa PVA:n genomia siten, että virus soveltuisi yhden vieraan proteiinin tai useiden erilaisten proteiinien samanaikaiseen tuottamiseen kasveissa. Aluksi kokeiltiin viruksen replikaasia ja kuoriproteiinia koodaavien genomialueiden välistä kohtaa ja ihmisestä peräisi olevaa geeniä, joka tuotti S-COMT-entsyymiä (katekoli-O-metyylitransferaasi). Sen aktiivisuuden rajoittaminen auttaa Parkinsonintaudin hoidossa. Kasvissa tuotettua S-COMT:ia voitaisiin käyttää lääkekehityksessä estolääkkeiden testaukseen. Kahden viikon kuluttua tartutuksesta tupakan lehdissä oli entsymaattisesti aktiivista S-COMT:ia n. 1 % lehden liukoisista proteiineista. PVA:n P1-proteiinia koodaavalta alueelta oli paikannettu kohta, johon ehkä voitaisiin siirtää vieras geeni. Asia varmistettiin siirtämällä tähän kohtaan meduusan geeni, joka tuottaa UV-valossa vihreänä fluoresoivaa proteiinia (GFP). GFP-geeniä kantava PVA levisi kasvissa ja lisääntyi n. 30-50 %:iin viruksen normaalista pitoisuudesta. Koko kasvi fluoresoi vihreänä UV-valossa. Vieras geeni voidaan sijoittaa myös potyviruksen P1- ja HCpro-proteiineja koodaavien alueiden väliin. Samaan PVA-genomiin siirrettiin kolme geeniä, yksi kuhunkin kolmesta kloonauskohdasta: GFP-geeni P1:n sisälle, merivuokon lusiferaasigeeni P1/HCpro-kohtaan ja bakteerin beta-glukuronidaasigeeni (GUS) replikaasi/kuoriproteiini-kohtaan. Virusgenomin ja itse viruksen pituudet kasvoivat 38 %, mutta virus säilytti tartutuskykynsä. Se levisi kasveissa saavuttaen n. 15 % viruksen normaalista pitoisuudesta. Kaikki kolme vierasta proteiinia esiintyivät lehdissä aktiivisina.

Sweet potato chlorotic stunt virus: Studies on viral synergism and suppression of RNA silencing

The studies presented in this thesis aimed to a better understanding of the molecular biology of Sweet potato chlorotic stunt virus (SPCSV, Crinivirus, Closteroviridae) and its role in the development of synergistic viral diseases. The emphasis was on the severe sweet potato virus disease (SPVD) that results from a synergistic interaction of SPCSV and Sweet potato feathery mottle virus (SPFMV, Potyvirus, Potyviridae). SPVD is the most important disease affecting sweetpotato. It is manifested as a significant increase in symptom severity and SPFMV titres. This is accompanied by a dramatic sweetpotato yield reduction. SPCSV titres remain little affected in the diseased plants. Viral synergistic interactions have been associated with the suppression of an adaptive general defence mechanism discovered in plants and known as RNA silencing. In the studies of this thesis two novel proteins (RNase3 and p22) identified in the genome of a Ugandan SPCSV isolate were shown to be involved in suppression of RNA silencing. RNase3 displayed a dsRNA-specific endonuclease activity that enhanced the RNA-silencing suppression activity of p22. Comparative analyses of criniviral genomes revealed variability in the gene content at the 3´end of the genomic RNA1. Molecular analyses of different isolates of SPCSV indicated a marked intraspecific heterogeneity in this region where the p22 and RNase3 genes are located. Isolates of the East African strain of SPCSV from Tanzania and Peru and an isolate from Israel were missing a 767-nt fragment that included the p22 gene. However, regardless of the absence of p22, all SPCSV isolates acted synergistically with SPFMV in co-infected sweetpotato, enhanced SPFMV titres and caused SPVD. These results showed that p22 is dispensable for development of SPVD. The role of RNase3 in SPVD was then studied by generating transgenic plants expressing the RNase3 protein. These plants had increased titres of SPFMV (ca. 600-fold higher in comparison with nontransgenic plants) 2-3 weeks after graft inoculation and displayed the characteristic SPVD symptoms. RNA silencing suppression (RSS) activity of RNase3 was detected in agroinfiltrated leaves of Nicotiana bethamiana. In vitro studies showed that RNase3 was able to cleave small interferring RNAs (siRNA) to products of ~14-nt. The data thus identified RNase3 as a suppressor of RNA silencing able to cleave siRNAs. RNase3 expression alone was sufficient for breaking down resistance to SPFMV in sweetpotato and for the development of SPVD. Similar RNase III-like genes exist in animal viruses which points out a novel and possibly more general mechanism of RSS by viruses. A reproducible method of sweetpotato transformation was used to target RNA silencing against the SPCSV polymerase region (RdRp) with an intron-spliced hairpin construct. Hence, engineered resistance to SPCSV was obtained. Ten out of 20 transgenic events challenged with SPCSV alone showed significantly reduced virus titres. This was however not sufficient to prevent SPVD upon coinfection with SPFMV. Immunity to SPCSV seems to be required to control SPVD and targeting of different SPCSV regions need to be assessed in further studies. Based on the identified key role of RNase3 in SPVD the possibility to design constructs that target this gene might prove more efficient in future studies.