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.

Fluorescence-based imaging of cellular defect in lysinuric protein intolerance (LPI)

Fluoresenssiperusteiset kuvantamismenetelmät lysinurisen proteiini-intoleranssin (LPI) soluhäiriön tutkimuksessa Lysinurinen proteiini-intoleranssi on suomalaiseen tautiperintöön kuuluva autosomaalisesti peit¬tyvästi periytyvä sairaus, jonka aiheuttaa kationisten aminohappojen kuljetushäiriö munuaisten ja ohutsuolen epiteelisolujen basolateraalikalvolla. Aminohappojen kuljetushäiriö johtaa moniin oirei¬siin, kuten kasvuhäiriöön, osteoporoosiin, immuunijärjestelmän häiriöihin, oksenteluun ja runsaspro¬teiinisen ravinnon nauttimisen jälkeiseen hyperammonemiaan. LPI-geeni SLC7A7 (solute carrier family 7 member 7) koodaa y+LAT1 proteiinia, joka on basolateraali¬nen kationisten ja neutraalien aminohappojen kuljettimen kevyt ketju, joka muodostaa heterodimee¬rin raskaan alayksikön 4F2hc:n kanssa. Tällä hetkellä SLC7A7-geenistä tunnetaan yli 50 LPI:n aiheut¬tavaa mutaatiota. Tässä tutkimuksessa erityyppisiä y+LAT1:n LPI-mutaatiota sekä yhdeksän C-terminaalista polypep¬tidiä lyhentävää deleetiota kuvannettiin nisäkässoluissa y+LAT1:n GFP (green fluorescent protein) -fuusioproteiineina. Tulokset vahvistivat muissa soluissa tehdyt havainnot siitä, että 4F2hc on edel¬lytyksenä y+LAT1:n solukalvokuljetukselle, G54V-pistemutantti sijaitsee solukalvolla samoin kuin vil¬lityyppinen proteiini, mutta lukukehystä muuttavia ja proteiinia lyhentäviä mutantteja ei kuljeteta solukalvoon. Lisäksi havaittiin, että poikkeuksena tästä säännöstä ovat y+LAT1-deleetioproteiinit, joista puuttui korkeintaan 50 C-terminaalista aminohappoa. Nämä lyhentyneet kuljettimet sijaitsevat solukalvolla kuten villityyppiset ja LPI-pistemutanttiproteiinit. Dimerisaation osuutta kuljetushäiriön synnyssä tutkittiin käyttämällä fluorescence resonance energy transfer (FRET) menetelmää. Heterodimeerin alayksiköistä kloonattiin ECFP (cyan) ja EYFP (yellow) fuusioproteiinit, joita ilmennettiin nisäkässoluissa, ja FRET mitattiin virtaussytometri-FRET -menetel¬mällä (FACS-FRET). Tutkimuksissa kaikkien mutanttien havaittiin dimerisoituvan yhtä tehokkaasti. Kul¬jetushäiriön syynä ei siten ole alayksiköiden dimerisaation estyminen mutaation seurauksena. Tutkimuksessa havaittiin, että kaikki mutantti-y+LAT1-transfektiot tuottavat vähemmän transfektoi¬tuneita soluja kuin villityyppisen y+LAT1:n transfektiot. Solupopulaatioissa, joihin oli tranfektoitu lu¬kukehystä muuttava tai stop-kodonin tuottava mutaatio havaittiin suurempi kuolleisuus kuin saman näytteen transfektoitumattomissa soluissa, kun taas villityyppistä tai G54V-pistemutanttia tuottavas¬sa solupopulaatiossa oli pienempi kuolleisuus kuin saman näytteen fuusioproteiinia ilmentämättö¬missä soluissa. Tulos osoittaa mutanttiproteiinien erilaiset vaikutukset niitä ilmentäviin soluihin, joko suoraan y+LAT1:n tai 4F2hc:n kautta aiheutuneina. LPIFin SLC7A7 lähetti-RNA:n määrä ei merkittävästi poikennut villityyppisen määrästä fibroblasteissa ja lymfoblasteissa. SLC7A7:n promoottorianalyysissä oli osoitettavissa säätelyalueita geenin 5’ ei-koo¬daavalla alueella sekä ensimmäisten kahden intronin alueella. LPI-taudin tautimekanismin kannalta keskeisin tekijä on kuitenkin aminohappokuljetuksen häiriö, jonka vaikutuksesta näistä aminohapoista riippuvaiset prosessit elimistössä eivät toimi normaalisti. Havaittu virheellinen y+LAT1/4F2hc kuljetuskompleksin sijainti edellyttää lisätutkimuksia sen mahdol¬lisen kliinisen merkityksen selvittämiseksi.

Structural studies and in vivo characterisation of Oct4:PORE and Oct4/Sox2:UTF1 complexes

Monikykyiset kantasolut pystyvät erilaistumaan alkion kehityksen aikana miksi tahansa kehittyvän eläimen kudokseksi. Alkion kehitystä on tutkittu vuosikymmeniä ja ensimmäisen kerran kantasoluja viljeltiin 1980-luvulla. Noin vuosikymmen myöhemmin kloonattiin ensimmäinen nisäkäs, Dolly-lammas, mikä oli läpimurto perimän kloonauksessa. Vajaa kymmenen vuotta sitten japanilaiset tutkijat pystyivät ensimmäisen kerran tuottamaan indusoituja monikykyisiä kantasoluja. Nämä kantasolut tuotettiin ilmentämällä neljää geeniä, jotka uudelleenohjelmoivat erilaistuneet solut takaisin kantasoluiksi. Geenien ilmentymistä säätelevä ja DNA:han sitoutuvan proteiinin Oct4:n on todettu olevan tärkeä tekijä uudelleenohjelmissa. Oct4 kuuluu transkriptiotekijäperheeseen, joka säätelee geenien ilmentymistä kantasoluissa. Tässä työssä kiteytin Oct4-proteiinin sen kohde-DNA:n kanssa sekä tutkin sen sitoutumista ja atomitason rakennetta röntgensädekristallografian avulla. Tutkimuksessamme paljastui useita Oct4:n atomitason rakenteellisia ominaisuuksia, jotka selittävät sen säätelymekanismeja kantasoluissa.

Quantitative Analysis of Novel Prostate Cancer Markers in Tissue

Prostate cancer is a heterogeneous disease affecting an increasing number of men all over the world, but particularly in the countries with the Western lifestyle. The best biomarker assay currently available for the diagnosis of the disease, the measurement of prostate specific antigen (PSA) levels from blood, lacks specificity, and even when combined with invasive tests such as digital rectal exam and prostate tissue biopsies, these methods can both miss cancers, and lead to overdiagnosis and subsequent overtreatment of cancers. Moreover, they cannot provide an accurate prognosis for the disease. Due to the high prevalence of indolent prostate cancers, the majority of men affected by prostate cancer would be able to live without any medical intervention. Their latent prostate tumors would not cause any clinical symptoms during their lifetime, but few are willing to take the risk, as currently there are no methods or biomarkers to reliably differentiate the indolent cancers from the aggressive, lethal cases that really are in need of immediate medical treatment. This doctoral work concentrated on validating 12 novel candidate genes for use as biomarkers for prostate cancer by measuring their mRNA expression levels in prostate tissue and peripheral blood of men with cancer as well as unaffected individuals. The panel of genes included the most prominent markers in the current literature: PCA3 and the fusion gene TMPRSS2-ERG, in addition to BMP-6, FGF-8b, MSMB, PSCA, SPINK1, and TRPM8; and the kallikrein-related peptidase genes 2, 3, 4, and 15. Truly quantitative reverse-transcription PCR assays were developed for each of the genes for the purpose, time-resolved fluorometry was applied in the real-time detection of the amplification products, and the gene expression data were normalized by using artificial internal RNA standards. Cancer-related, statistically significant differences in gene transcript levels were found for TMPRSS2-ERG, PCA3, and in a more modest scale, for KLK15, PSCA, and SPINK1. PCA3 RNA was found in the blood of men with metastatic prostate cancer, but not in localized cases of cancer, suggesting limitations for using this method for early cancer detection in blood. TMPRSS2-ERG mRNA transcripts were found more frequently in cancerous than in benign prostate tissues, but they were present also in 51% of the histologically benign prostate tissues of men with prostate cancer, while being absent in specimens from men without any signs of prostate cancer. PCA3 was shown to be 5.8 times overexpressed in cancerous tissue, but similarly to the fusion gene mRNA, its levels were upregulated also in the histologically benign regions of the tissue if the corresponding prostate was harboring carcinoma. These results indicate a possibility to utilize these molecular assays to assist in prostate cancer risk evaluation especially in men with initially histologically negative biopsies.

Hypoksisen fenotyypin pään ja kaulan alueen levyepiteelikarsinooman sädehoitoresistenssi

Pään ja kaulan alueen levyepiteelin syöpiä kutsutaan karsinoomiksi. Kasvaimet luokitellaan vaikeahoitoisiksi ja niihin liittyy korkea potilaskuolleisuus. Yleisimmät pään ja kaulan alueen levyepiteelikarsinooman hoitomenetelmät ovat säde- ja leikkaushoito, joihin liitetään yhdistelmänä kemoterapiaa. Kasvaimen morfologia, sen puutteellinen tai rakenteellisesti poikkeava verisuonitus voi aiheuttaa syöpäkudoksessa hapenpuutteesta kärsiviä hypoksisia alueita. Erityisesti syövässä hapenpuute toimii syöpäsolupopulaatiossa valintatekijänä. Muuttuneet olosuhteet suosivat solupopulaatioita, jotka pystyvät sopeuttamaan genotyyppinsä mukauttamana fenotyyppinsä vähähappiseen ympäristöön. Tämän katsotaan olevan potilaan hoitoennusteen kannalta huono prognostinen merkki. Hapenpuute indusoi soluissa voimakkaan HIF-1- eli hypoksian indusoiman transkriptiofaktori-1 stabilisaation ja ekspression kasvun. Proteiinin on havaittu oleva eräs merkittävin solun sisäisten vasteiden säätelijä hypoksiassa. HIF-1 koostuu kahdesta alayksiköstä, jonka alpha-alayksikön stabiliteetti on hapen osapaineen säätelemä. Mikäli happea on riittävä pitoisuus soluissa, HIF-1alfa hajoaa soluissa. Hypoksiassa alfa-domeeni sitoutuu beta-alayksikköön muodostaen stabiilin toiminnallisen geenien ilmentymiseen vaikuttavan transkriptiofaktorin. Pro gradu- tutkielmassa tarkasteltiin aluksi neljän pään ja kaulan alueen syöpäpotilaiden kasvaimista eristettyjen UT-SCC-solulinjojen (UT-SCC-8, -25, -34 ja -74A) morfologiaa ja kasvua. Solujen jakautumisnopeutta uudella alustalla tutkittiin PE(%)- eli plating efficiency-menetelmällä. Soluja siirrostettiin uudelle kasvualustalle, josta niiden määrä laskettiin vuorokauden kuluttua. UT-SCC-74A-linja sieti parhaiten uuden kasvuympäristön asettaman rasitteen. Sädeherkkyys määritettiin tutkimalla UT-SCC-74A-linjan solujen asteittaista vastetta erisuuruisiin sädeannoksiin (Gy). Tulosten perusteella laskettiin linjan sisäistä sädeherkkyyttä kuvaava AUC-arvo. Työn toisessa osassa tarkasteltiin HIF-1alfa:n ekspression riippuvuutta hapen läsnäolosta soluissa molekyylibiologisin menetelmin. UT-SCC-74A-solulinja osoittautui sädeherkkyysmäärityksessä AUC-arvonsa perusteella suhteellisen säderesistentiksi. Lisäksi kyseisen linjan soluista vaimennettiin HIF-1alfa-geeni, jonka ekspression häviäminen todennettiin hypoksia-altistuskokeiden jälkeen. Proteiinin puuttuminen vähähappisista olosuhteista huolimatta osoitti geeninhiljennyksen onnistuneen koejärjestelyissä.

Heterologisen geenin DNA-sekvenssin optimointi sekä Fab-fragmentin DNA-sekvenssin vaikutus Escherichia colin kasvuun ja tuotto-ominaisuuksiin

Synonyymisillä kodoneilla tarkoitetaan kodoneja, jotka ovat erilaisia, mutta koodaavat samaa aminohappoa. Synonyymisten mutaatioiden, eli kodonin vaihtaminen samaa aminohappoa koodaavaan toiseen kodoniin, on pitkään ajateltu olevan yhdentekeviä, mutta synonyymit muutokset DNA-sekvenssissä voivat kuitenkin vaikuttaa esimerkiksi proteiinin laskostumiseen ja proteiinin toimintaan solussa. Eri organismit käyttävät synonyymisiä kodoneja eri frekvensseillä. Tätä ilmiötä kutsutaan kodonikäytön poikkeamaksi. Kodonikäytön poikkeamien on osoitettu olevan tärkein yksittäinen prokaryoottien geeniekspressioon vaikuttava tekijä, ja usein proteiineja on hankala tuottaa vieraassa isännässä, jos kodonikäytön poikkeamat ovat liian suuria. Erilaisia kodonioptimointistrategioita on kehitetty näiden ongelmien ratkaisemiseksi. Kodonikäyttöä optimoitaessa on otettava huomioon lisäksi erilaiset paikalliset muuttujat, jotka lisäävät optimoinnin monimutkaisuutta. Työn lähtökohtana oli synteettinen ihmisen vasta-aineen Fab-fragmentin geeni. Geeni oli optimoitu kahdella eri strategialla, jotka tuottivat eri DNA-sekvenssit, mutta saman aminohapposekvenssin. Toinen varianteista tuotti aktiivista Fab-fragmenttia, toinen ei. DNA-sekvenssin vaikutuksen tutkimiseksi, toimivan geenin osia korvattiin toimimattoman variantin vastaavalla osalla. Kaikkiaan seitsemän geenivariantin kykyä ilmentää Fab-fragmenttia sekä liukoisena proteiinina että filamenttifaagin pinnalla vertailtiin. Lisäksi tutkittiin varianttien vaikutusta isäntäsolun kasvukinetiikkaan. Muunneltuja variantteja verrattiin alkuperäiseen toimivaan varianttiin. Faagituotossa havaittiin Fab-fragmentin kevyen ketjun DNA-sekvenssin synonyymisten muutosten vaikuttavan faagien immunoreaktiivisuuteen. Erityisen olennainen oli kevyen ketjun vakioisen alueen muuttaminen, joka myös aiheutti 45 % laskun faagien kokonaismäärässä ja 54 % laskun faagien immunoreaktiivisuudessa. Liukoista proteiinia tuotettaessa kevyen ketjun vakioisen alueen muutos laski Fab-määrän tasolle, jota ei voitu mitata. Tämän lisäksi, avoimen lukukehyksen alun kodonien synonyymiset mutaatiot aiheuttivat 48-kertaisen laskun aktiivisen liukoisen proteiinin määrässä verrattuna alkuperäiseen toimivaan varianttiin.

The effects of mutated cationic amino acid transporter y+LAT1 at the cellular and systemic level

y+LAT1 is a transmembrane protein that, together with the 4F2hc cell surface antigen, forms a transporter for cationic amino acids in the basolateral plasma membrane of epithelial cells. It is mainly expressed in the kidney and small intestine, and to a lesser extent in other tissues, such as the placenta and immunoactive cells. Mutations in y+LAT1 lead to a defect of the y+LAT1/4F2hc transporter, which impairs intestinal absorbance and renal reabsorbance of lysine, arginine and ornithine, causing lysinuric protein intolerance (LPI), a rare, recessively inherited aminoaciduria with severe multi-organ complications. This thesis examines the consequences of the LPI-causing mutations on two levels, the transporter structure and the Finnish patients’ gene expression profiles. Using fluorescence resonance energy transfer (FRET) confocal microscopy, optimised for this work, the subunit dimerisation was discovered to be a primary phenomenon occurring regardless of mutations in y+LAT1. In flow cytometric and confocal microscopic FRET analyses, the y+LAT1 molecules exhibit a strong tendency for homodimerisation both in the presence and absence of 4F2hc, suggesting a heterotetramer for the transporter’s functional form. Gene expression analysis of the Finnish patients, clinically variable but homogenic for the LPI-causing mutation in SLC7A7, revealed 926 differentially-expressed genes and a disturbance of the amino acid homeostasis affecting several transporters. However, despite the expression changes in individual patients, no overall compensatory effect of y+LAT2, the sister y+L transporter, was detected. The functional annotations of the altered genes included biological processes such as inflammatory response, immune system processes and apoptosis, indicating a strong immunological involvement for LPI.

Fragiili X -oireyhtymän molekyyligenetiikka ja diagnostiikka. Veritäpläpohjaisen fragiili X -testauksen pystyttäminen

Fragiili X (frax) -oireyhtymä on yleisin kehitysvammaisuuden perinnöllinen syy. Oireyhtymä periytyy X-kromosomissa, ja sen aiheuttaa sytosiini-guaniini-guaniini-emäskolmikon (CGG) monistuminen X-kromosomin Fragile X mental retardation 1 (FMR1) -geenin promoottorialueella. FMR1-alleelit voidaan luokitella (CGG)n-toistojen määrän mukaan neljään ryhmään: normaali (5–44), harmaa alue (45¬¬¬–54), epästabiili esimutaatio (55–200) tai täysmutaatio (yli 200). Esimutaatiotapauksissa toistojakso voi laajentua täysmutaatioksi jo yhden sukupolven aikana. Esimutaation kantajilla on havaittu monenlaisia oireita. Esimerkiksi osalla kantajanaisista on munarauhasen toiminnanhäiriöitä ja erityisesti miehillä on riski sairastua neurologiseen rappeumasairauteen. Täysmutaatiotapauksessa FMR1-promoottorialue metyloituu epänormaalisti ja geeni inaktivoituu. Täysmutaatiota kantavilla miehillä on aina frax-oireyhtymä, kun taas naisilla toisen terveen X-kromosomin suojavaikutus yleensä lieventää oireita sekä täys- että esimutaatiotapauksissa. Oireyhtymän yleisyyden, laajan oirekirjon ja lääkekehityksen edistymisen takia kiinnostus vastasyntyneiden ja kantajien seulontaa kohtaan on kasvanut. Tutkielman kokeellisessa osassa tavoitteena oli pystyttää veritäpläpohjainen automatisoitu DNA-eristysmenetelmä, joka soveltuu frax-oireyhtymän ja sen kantajien testaukseen PerkinElmerin FragilEaseTM-PCR-määrityksen kanssa. Kokonaisuudessaan testaus koostui DNA-eristyksestä, FragilEaseTM-PCR:stä, PCR-tuotteen puhdistuksesta ja monistustuotteiden havainnoinnista kapillaarigeeli-elektroforeesilla. Jokaista vaihetta optimoitiin veritäplätestaukseen sopivaksi. Frax-testaus todistettiin toimivaksi sekä aikuisten että vastasyntyneiden veritäplillä. Halkaisijaltaan 3,2 mm veritäplistä eristettyjen DNA-näytteiden epäpuhtauksista ja alhaisista pitoisuuksista huolimatta FragilEaseTM-PCR:ssä onnistuttiin monistamaan (CGG)n-alueet pienentämällä eristysnäytteiden reaktiotilavuutta ja nostamalla PCR-syklimäärää. Pisin testattu monistusalue oli 200 toistojaksoa. Lisäksi muokkaamalla DNA-eristysvaihetta ja muuttamalla PCR-tuotteen puhdistusmenetelmää onnistuttiin nostamaan lopullista saantoa. Veritäpläpohjaisen frax-testauksen osoitettiin soveltuvan niin vastasyntyneiden kuin kantajien seulontaan.