Abstract Non-pathological change in body weight and adiposity is one distinct adaptive feature that seasonal species undergo, and it can offer a novel way to study the mechanisms underlying body weight regulation and energy homeostasis. Changes in the expression and activity of metabolic enzymes are essential for the physiological adaptation seasonal species exhibit. AMP-activated protein kinase (AMPK) is a key regulatory enzyme that controls the energy homeostasis both on cellular and whole-body level. In this thesis, the main focus was to clarify how seasonal adaptation affects AMPK and its downstream target in lipid metabolism, acetyl-CoA carboxylase (ACC), in different metabolic tissues of two model species with diverse wintering strategies: the raccoon dog and the Djungarian hamster. In addition, the effect of periodic fasting on the raccoon dog skeletal muscle was studied. It was observed that seasonal differences in AMPK and ACC expression were evident mainly in adipose tissues of both species. AMPK was down-regulated in white adipose tissue (WAT) of the winter-adapted raccoon dog, whereas in the Djungarian hamster WAT, the abundance of AMPK increased in response to winter acclimatization. ACC expression was maintained or increased in winter in both species. The seasonal changes in AMPK and ACC expression observed, in particular, in adipose tissues reflects the wintering strategy of the species and presumably facilitates the lipid usage and/or preservation during wintertime scarcity. Raccoon dogs were quite resistant to the prolonged wintertime fast, as no changes were observed in AMPK and ACC expression levels in the WAT, liver or hypothalamus between the fasted and fed groups. Skeletal muscle function also appears to be well preserved, as there were no changes in the expression of proteins involved in insulin signaling, and the fiber type composition and muscle energy reserves were not affected. This thesis offers novel information on protein level changes in metabolic adaptation. / Tiivistelmä Useat luonnonvaraiset eläinlajit ovat fysiologisesti sopeutuneet ravinnonsaannin vuodenaikaisiin vaihteluihin. Vuodenaikaisrytmiin kytketty rasvakudoksen määrän vaihtelu ja siihen liittyvät aineenvaihdunnalliset muutokset tarjoavat mielenkiintoisen tutkimuskohteen ruumiinpainon säätelyn ja energiatasapainon ylläpidon molekulaaristen mekanismien selvittämiseen. Oleellinen osa fysiologista sopeutumista ovat muutokset energia-aineenvaihduntaa säätelevien proteiinien ekspressio- ja aktiivisuustasoissa. Yksi keskeinen elimistön energiatasapainoa kontrolloiva entsyymi on AMP-aktivoituva proteiinikinaasi (AMPK). AMPK toimii solunsisäisenä energiasensorina ja säätelee energiametaboliaa koko kehon tasolla. Tässä väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin talviadaptaation vaikutusta AMPK:n ja sen kohdemolekyylin, rasvahappojen biosynteesiä säätelevän asetyyli-CoA karboksylaasin (ACC), ilmenemiseen ja aktiivisuuteen eri kudoksissa. Mallieläiminä käytettiin kahta eri talvehtimisstrategian omaavaa ja eri lailla ruumiinpainoaan säätelevää lajia, kääpiöhamsteria ja supikoiraa. Lisäksi tutkittiin pitkäaikaisen talvipaaston vaikutusta supikoiran luustolihakseen. Tulokset osoittivat, että molemmilla lajeilla AMPK- ja ACC-pitoisuuksissa on vuodenaikaisia eroja erityisesti rasvakudoksessa. Supikoiralla AMPK:n määrä väheni talviadaptaation seurauksena, kun taas kääpiöhamstereilla talviakklimatisaatio johti korkeampaan AMPK-pitoisuuteen rasvakudoksissa. ACC-pitoisuus puolestaan säilyi samana tai oli korkeampi talviadaptoituneilla yksilöillä. Havaitut muutokset AMPK:n ja ACC:n ilmenemisessä kuvastavat supikoiran ja kääpiöhamsterin eroja talvehtimisessa ja havainnollistavat entsyymien oleellista osaa rasvavarastojen vuodenaikaisessa säätelyssä ja käytössä, mikä on edellytys eläinten selviämiselle yli talven niukkuuden. Lisäksi havaittiin talviadaptoituneen supikoiran olevan melko resistentti 10 viikon paastolle tutkittujen parametrien suhteen. AMPK- ja ACC-pitoisuus tai aktiivisuus ei muuttunut aineenvaihdunnallisesti oleellisissa kudoksissa (rasvakudos, maksa, hypotalamus) paasto- ja kontrolliryhmän välillä. Supikoiran lihasten toimintakyky vaikuttaisi säilyvän, sillä insuliinisignalointiin liittyvien entsyymien pitoisuus, lihasten solutyyppikoostumus tai energiavarastot eivät muuttuneet paaston myötä. Tämä tutkimus tarjoaa uutta tietoa proteiinitason muutoksista osana fysiologista sopeutumista.

Yes / The WNT pathway was shown to play an important role in the adult central nervous system. We previously identified the WNT pathway as a novel integration site of the adipokine leptin in mediating its neuroendocrine control of metabolism in obese mice. Here we investigated the implication of WNT signaling in seasonal body weight regulation exhibited by the Djungarian hamster (Phodopus sungorus), a seasonal mammal that exhibits profound annual changes in leptin sensitivity. We furthermore investigated whether crucial components of the WNT pathway are regulated in a diurnal manner. Gene expression of key components of the WNT pathway in the hypothalamus of hamsters acclimated to either long day (LD) or short day (SD) photoperiod was analyzed by in situ hybridization. We detected elevated expression of the genes WNT-4, Axin-2, Cyclin-D1, and SFRP-2, in the hypothalamic arcuate nucleus, a key energy balance integration site, during LD compared with SD as well as a diurnal regulation of Axin-2, Cyclin-D1, and DKK-3. Investigating the effect of photoperiod as well as leptin on the activation (phosphorylation) of the WNT coreceptor LRP-6-(Ser1490) by immunohistochemistry, we found elevated activity in the arcuate nucleus during LD relative to SD as well as after leptin treatment (2 mg/kg body weight). These findings indicate that differential WNT signaling may be associated with seasonal body weight regulation and is partially regulated in a diurnal manner in the adult brain. Furthermore, they suggest that this pathway plays a key role in the neuroendocrine regulation of body weight and integration of the leptin signal.