Molecular profiling of human endometrium and endometriosis

Endometriosis is a common hormone-dependent gynecological disease leading to severe menstrual and/or chronic pelvic pain with or without subfertility. The disease is defined by the presence of endometrium-like tissue outside the uterine cavity, primarily on the pelvic peritoneum, ovaries and infiltrating organs of the peritoneal cavity. The current tools for diagnosis and treatment of endometriosis need to be improved to ensure reliable diagnosis and effective treatment. In addition, endometriosis is associated with increased risk of ovarian cancer and, therefore, the differential diagnosis between the benign and malignant ovarian cysts is of importance. The long-term objective of the present study was to support the discovery of novel tools for diagnosis and treatment of endometriosis. This was approached by exploiting genome-wide expression analysis of endometriosis specimens. A novel expression profiling -based classification of endometriosis indicated specific subgroups of lesions partially consistent with the clinical appearance, but partially according to unknown factors. The peritoneum of women with endometriosis appeared to be altered in comparison to that of healthy control subjects, suggesting a novel aspect on the pathogenesis of the disease. The evaluation of action and metabolism of sex hormones in endometrium and endometriosis tissue indicated a novel role of androgens in regulation of the tissues. In addition, an enzyme involved in androgen and neurosteroid metabolism, hydroxysteroid (17beta) dehydrogenase 6, was found to be highly up-regulated in endometriosis tissue as compared to healthy endometrium. The enzyme may have a role in the pathogenesis of endometriosis or in the endometriosis associated pain generation. Finally, a new diagnostic biomarker, HE4, was discovered distinguishing patients with ovarian endometriotic cysts from those with malignant ovarian cancer. The information acquired in this study enables deeper understanding of endometriosis and facilitates the development of improved diagnostic tools and more specific treatments of the disease

Molecular genetics of the immotile short tail sperm defect

Hedelmättömyyttä aiheuttavan siittiöiden puolihäntävian molekyyligenetiikka Suomalaisissa Yorkshire karjuissa yleistyi 1990-luvun lopulla autosomaalisesti ja resessiivisesti periytyvä hedelmättömyyttä aiheuttava siittiöiden puolihäntävika (ISTS, immotile short tail sperm). Sairaus aiheuttaa normaalia lyhyemmän ja täysin liikkumattoman siittiön hännän muodostuksen. Muita oireita sairailla karjuilla ei ole havaittu ja emakot ovat oireettomia. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kartoittaa siittiöiden puolihäntävian aiheuttava geenivirhe ja kehittää DNA-testi markkeri- ja geeniavusteiseen valintaan. Koko genomin kartoituksessa vian aiheuttava alue paikannettiin sian kromosomiin 16. Paikannuksen perusteella kahden geenimerkin haplotyyppi kehitettiin käytettäväksi markkeri-avusteisessa valinnassa. Sairauteen kytkeytyneen alueen hienokartoitusta jatkettiin geenitestin kehittämiseksi kantajadiagnostiikkaan. Vertailevalla kartoituksella oireeseen kytkeytynyt alue paikannettiin 2 cM:n alueelle ihmisen kromosomiin viisi (5p13.2). Tällä alueella sijaitsevia geenejä vastaavista sian sekvensseistä löydetyn muuntelun perusteella voitiin tarkentaa sairauteen kytkeytyneitä haplotyyppejä. Haplotyyppien perusteella puolihäntäoireeseen kytkeytynyt alue rajattiin kahdeksan geenin alueelle ihmisen geenikartalla. Alueelle paikannetun kandidaattigeenin (KPL2) sekvensointi paljasti introniin liittyneen liikkuvan DNA-sekvenssin, Line-1 retroposonin. Tämä retroposoni muuttaa geenin silmikointia siten, että sitä edeltävä eksoni jätetään pois tai myös osa introni- ja inserttisekvenssiä liitetään geenin mRNA tuotteeseen. Molemmissa tapauksissa tuloksena on lyhentynyt KPL2 proteiini. Tähän retroposoni-inserttiin perustuva geenitesti on ollut sianjalostajien käytössä vuodesta 2006. KPL2 geenin ilmenemisen tarkastelu sialla ja hiirellä paljasti useita kudosspesifisiä silmikointimuotoja. KPL2 geenin pitkä muoto ilmenee pääasiassa vain kiveksessä, mikä selittää geenivirheen aiheuttamat erityisesti siittiön kehitykseen liittyvät oireet. KPL2 proteiinin ilmeneminen hiiren siittiön hännän kehityksen aikana ja mahdollinen yhteistoiminta IFT20 proteiinin kanssa viittaavat tehtävään proteiinien kuljetuksessa siittiön häntään. Mahdollisen kuljetustehtävän lisäksi KPL2 saattaa toimia myös siittiön hännän rakenneosana, koska se paikannettiin valmiin siittiön hännän keskiosaan. Lisäksi KPL2 proteiini saattaa myös toimia Golgin laitteessa sekä Sertolin solujen ja spermatidien liitoksissa, mutta nämä havainnot kuitenkin vaativat lisätutkimuksia. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että KPL2 geeni on tärkeä siittiön hännän kehitykselle ja sen rakennemuutos aiheuttaa siittiöiden puolihäntäoireen suomalaisilla Yorkshire karjuilla. KPL2 proteiinin ilmeneminen ja paikannus siittiön kehityksen aikana antaa viitteitä proteiinin toiminnasta. Koska KPL2 geenisekvenssi on erittäin konservoitunut, nämä tulokset tuovat uutta tietoa kaikkien nisäkkäiden siittiöiden kehitykseen ja urosten hedelmättömyyteen syihin.

Dissecting the molecular mechanisms of breast cancer bone metastasis for therapeutic targeting

Breast cancer that has metastasized to bone is currently an incurable disease, causing significant morbidity and mortality. The aim of this thesis work was to elucidate molecular mechanisms of bone metastasis and thereby gain insights into novel therapeutic approaches. First, we found that L‐serine biosynthesis genes, phosphoglycerate dehydrogenase (PHGDH), phosphoserine aminotransferase 1 (PSAT1) and phosphoserine phosphatase (PSPH), were up‐regulated in highly bone metastatic MDA‐MB‐231(SA) cells as compared with the parental breast cancer cell line. Knockdown of serine biosynthesis inhibited proliferation of MDA‐MB‐231(SA) cells, and L‐serine was essential for the formation of bone resorbing osteoclasts. Clinical data demonstrated that high expression of PHGDH and PSAT1 was associated with decreased relapse‐free and overall survival and with features typical of poor outcome in breast cancer. Second, RNA interference screening pointed out heparan sulfate 6‐O‐sulfotransferase 2 (HS6ST2) as a critical gene for transforming growth factor β (TGF‐β)‐induced interleukin 11 (IL‐11) production in MDA‐MB‐231(SA) cells. Exogenous heparan sulfate glycosaminoglycans heparin and K5‐NSOS also inhibited TGF‐β‐induced IL‐11 production in MDA‐MB‐231(SA) cells. Furthermore, K5‐NSOS decreased osteolytic lesion area and tumor burden in bone in mice. Third, we discovered that the microRNAs miR‐204, ‐211 and ‐379 inhibited IL‐11 expression in MDA‐MB‐231(SA) cells through direct targeting of the IL‐11 mRNA. MiR‐379 also inhibited Smad‐mediated signaling. Gene expression profiling of miR‐204 and ‐379 transfected cells indicated that these microRNAs down‐regulate several bone metastasis‐relevant genes, including prostaglandin‐endoperoxide synthase 2 (PTGS2). Taken together, this study identified three potential treatment strategies for bone metastatic breast cancer: inhibition of serine biosynthesis, heparan sulfate glycosaminoglycans and restoration of miR‐204/‐211/‐379.

Molecular Mechanisms and Interactions in Regulation of Photosynthetic Reactions

In photosynthesis, light energy is converted to chemical energy, which is consumed for carbon assimilation in the Calvin-Benson-Bassham (CBB) cycle. Intensive research has significantly advanced the understanding of how photosynthesis can survive in the ever-changing light conditions. However, precise details concerning the dynamic regulation of photosynthetic processes have remained elusive. The aim of my thesis was to specify some molecular mechanisms and interactions behind the regulation of photosynthetic reactions under environmental fluctuations. A genetic approach was employed, whereby Arabidopsis thaliana mutants deficient in specific photosynthetic protein components were subjected to adverse light conditions and assessed for functional deficiencies in the photosynthetic machinery. I examined three interconnected mechanisms: (i) auxiliary functions of PsbO1 and PsbO2 isoforms in the oxygen evolving complex of photosystem II (PSII), (ii) the regulatory function of PGR5 in photosynthetic electron transfer and (iii) the involvement of the Calcium Sensing Receptor CaS in photosynthetic performance. Analysis of photosynthetic properties in psbo1 and psbo2 mutants demonstrated that PSII is sensitive to light induced damage when PsbO2, rather than PsbO1, is present in the oxygen evolving complex. PsbO1 stabilizes PSII more efficiently compared to PsbO2 under light stress. However, PsbO2 shows a higher GTPase activity compared to PsbO1, and plants may partially compensate the lack of PsbO1 by increasing the rate of the PSII repair cycle. PGR5 proved vital in the protection of photosystem I (PSI) under fluctuating light conditions. Biophysical characterization of photosynthetic electron transfer reactions revealed that PGR5 regulates linear electron transfer by controlling proton motive force, which is crucial for the induction of the photoprotective non-photochemical quenching and the control of electron flow from PSII to PSI. I conclude that PGR5 controls linear electron transfer to protect PSI against light induced oxidative damage. I also found that PGR5 physically interacts with CaS, which is not needed for photoprotection of PSII or PSI in higher plants. Rather, transcript profiling and quantitative proteomic analysis suggested that CaS is functionally connected with the CBB cycle. This conclusion was supported by lowered amounts of specific calciumregulated CBB enzymes in cas mutant chloroplasts and by slow electron flow to PSI electron acceptors when leaves were reilluminated after an extended dark period. I propose that CaS is required for calcium regulation of the CBB cycle during periods of darkness. Moreover, CaS may also have a regulatory role in the activation of chloroplast ATPase. Through their diverse interactions, components of the photosynthetic machinery ensure optimization of light-driven electron transport and efficient basic production, while minimizing the harm caused by light induced photodamage.