Abstract Drug metabolite profiling and identification studies are nowadays regularly conducted with liquid chromatography (LC) coupled with mass spectrometry (MS) as an analytical tool. The speed, selectivity and sensitivity of modern LC–MS instruments have been significantly increased in recent years. Especially the use of ultra-high-performance LC (UHPLC) in combination with a modern high-resolution MS instrument offers high full scan detection sensitivity, mass accuracy and the detection of both expected and unexpected metabolites in a single LC–MS run. The present study showed that no single LC–MS conditions were suitable for the analysis of a large group of structurally diverse compounds. The testing of optimum conditions for each individual compound led to more high-quality data when chromatographic retention behavior and mass spectrometric ionization efficiency for in vitro metabolite profiling were considered. The developed LC–MS methods were applicable for measuring both the disappearance of the parent compound and the formation of metabolites. Tentative metabolite identification was based on the measured accurate mass time-of-flight (TOF) MS data. In the second part, a rapid and sensitive assay was designed and built for the trapping, screening and characterization of reactive metabolites in vitro. In total, 78 trapped reactive metabolite conjugates were detected and identified based on accurate mass data using 12 structurally different test compounds. The majority of the detected conjugates were reported for the first time. Amine-containing compounds, that formed methylated and cyanide-trapped products after CYP-mediated reaction steps in human liver microsomal (HLM) incubations, were studied further. The observed methylated cyano conjugates were shown to be experimental artifacts, i.e., metabonates. The study also describes the use of traditional high-performance LC (HPLC) and the more modern UHPLC coupled to time-of-flight, triple quadrupole and hybrid linear ion trap mass spectrometers in drug metabolism studies, and reviews on how to choose the most suitable LC–MS system for metabolite profiling purposes in drug discovery and early drug development. / Tiivistelmä Nestekromatografia (LC) yhdistettynä massaspektrometriaan (MS) on nykyaikana yleisesti käytetty analyysimenetelmä lääkeaineiden aineenvaihduntatuotteiden (metaboliittien) havaitsemisessa ja tunnistamisessa. Modernien LC–MS -laitteiden nopeus, selektiivisyys ja herkkyys ovat merkittävästi parantuneet viime vuosina. Käytettäessä ultrakorkean suorituskyvyn nestekromatografia (UHPLC) yhdessä nykyaikaisen korkean massaresoluution MS-laitteen kanssa on mahdollista havaita kaikki sekä odotetut että odottamattomat metaboliitit yhdellä kertaa. Tutkimalla suurta joukkoa rakenteellisesti erilaisia yhdisteitä voitiin todeta, että yksittäiselle yhdisteelle optimoidut mittausolosuhteet johtivat korkealaatuisempaan dataan kuin yleiset ei-optimoidut olosuhteet, kun arvioitiin sekä kromatografista piikin profiilia ja pidättymistä että ionisaatiotehokkuutta. Yksikään yksittäinen analyysiolosuhde ei myöskään soveltunut kaikille yhdisteille. Tutkimuksessa kehitetyillä LC–MS -analyysimenetelmillä tutkittiin sekä kanta-aineen häviämistä että metaboliatuotteiden muodostumista in vitro -menetelmillä. Alustava metaboliatuotteiden tunnistus perustui tarkan massan mittaukseen lentoaikamassaspektrometrillä (TOFMS). Tutkimustyön seuraavassa vaiheessa kehitettiin nopea ja herkkä analyysimenetelmä reaktiivisten metaboliittien pyydystämiseen, havaitsemiseen ja tunnistamiseen ihmisen maksamikrosomivalmisteista in vitro -menetelmin. 12 testiyhdisteelle havaittiin kaikkiaan 78 erilaista reaktiivisen metaboliitin konjugaatiotuotetta, jotka tunnistettiin tarkan massan perusteella. Suurin osa tunnistetuista konjugaatiotuotteista raportoitiin ensimmäistä kertaa. Amiineja sisältäville testiyhdisteille havaittiin muodostuvan sytokromi P450 (CYP) entsyymien katalysoimien reaktioiden välityksellä metyloituneita ja syanidianionilla konjugoituneita metaboliatuotteita. Tarkempien tutkimusten jälkeen näiden todettiin olevan koejärjestelyistä johtuvia artefaktoja, toisin sanoen metabonaatteja, eivätkä todellisia reaktiivisten metaboliittien konjugaatiotuotteita. Tässä tutkimuksessa arvioitiin myös perinteiseen korkean suorituskyvyn nestekromatografiin (HPLC) sekä uudempaan UHPLC-laitteistoon kytkettyjen lentoaika-, kolmoiskvadrupoli- ja hybridimallisten ioniloukkumassaspektrometrien soveltuvuutta aikaisen lääkekehitysvaiheen metaboliatutkimuksiin.

Abstract Liquid chromatography (LC) combined with mass spectrometry (MS) is a powerful tool for qualitative and quantitative analytics of organic molecules from various matrices, and the use of this hyphenated technique is very common in bioanalytical laboratories. In this study, LC/MS methods and the required sample preparation applications were developed for plant flavonoid and drug metabolism studies. The main focus was in developing methods to be used during cytochrome P450 (CYP) -specific drug interaction studies. Traditional high performance liquid chromatography (HPLC) and new, more efficient and faster ultra-performance liquid chromatography (UPLC) were utilized together with time-of-flight (TOF) and triple quadrupole (QqQ) mass spectrometry. In the flavonoid study, collision-induced radical cleavage of flavonoid glycosides was tested and observed to be a suitable tool for the structure elucidation of the 15 flavonol glycosides extracted from the medicinal plant Rhodiola rosea. Ten of these glycosides were previously unreported in the plant. Several unreported in vivo bupropion metabolites were identified from human urine when developing the method for the new and more extensive in vitro and in vivo N-in-one interaction cocktail assays. The qualified analysis methods developed here enable faster analysis for the N-in-one cocktail assays, in turn enabling a more efficient screening of drugs that affect CYP-enzyme activities. In the case of the human in vitro cocktail assay, fourteen compounds were analyzed using a single LC/MS/MS run. The method has proven to be very reliable and has been used in several interaction studies utilizing different sample matrices. The in vivo cocktail assay that was developed enables totally non-invasive sample collection from the patients, the urine sample being sufficient for the UPLC/MS/MS analysis of all target compounds. The last part of the study consisted of developing a specific and very sensitive UPLC/MS/MS method for the analysis of one of the in vivo cocktail analytes, the antidiabetic drug repaglinide, from human placenta perfusates. / Tiivistelmä Nestekromatografia (LC) yhdistettynä massaspektrometriaan (MS) on tehokas työväline kvalitatiivisessa ja kvantitatiivisessa analytiikassa, ja tätä tekniikkaa käytetään erityisesti bioalan laboratorioissa. Tässä väitöskirjatyössä kehitettiin ja sovellettiin LC/MS- ja näytteenkäsittelymenetelmiä kasvien flavonoidimetabolian ja lääkeaineiden metaboliatuotteiden tutkimukseen keskittyen erityisesti sytokromi P450 (CYP) -entsyymispesifisten lääkeaineiden interaktiotutkimuksiin tarvittaviin menetelmiin. Työssä hyödynnettiin perinteistä korkean erotuskyvyn nestekromatografiaa (HPLC) ja uutta, suorituskyvyltään vielä tehokkaampaa ja nopeampaa nestekromatografiaa (UPLC) yhdessä lentoaika- (TOF) ja kolmoiskvadrupolimassaspektrometrian (QqQ) kanssa. Tutkimustyön flavonoidimetaboliaan keskittyneessä osuudessa havaittiin törmäyksen aiheuttaman (CID) radikaalipilkkoutumisen soveltuvan lääkinnällisenä kasvina käytetystä ruusujuuresta (Rhodiola rosea) uutettujen viidentoista flavonoliglykosidin rakennemääritykseen. Kymmentä näistä löydetyistä glykosideista ei oltu aiemmin raportoitu ruusujuuresta. Tutkimustyön keskeisimpänä tavoitteena kehitettiin kvalifioidut LC/MS -analyysimenetelmät käytettäväksi aikaisempaa kattavampien in vitro ja in vivo -olosuhteiden N-in-one -tyyppisten CYP-entsyymi-interaktiotutkimusten analyyttisenä työkaluna. Näitä analyysimenetelmiä kehitettäessä löydettiin ja tunnistettiin ihmisen virtsasta aiemmin raportoimattomia metaboliitteja CYP2B6 -entsyymin malliaineena käytetyn bupropionin annostelun jälkeen. Kyseisten kehitettyjen analyysimenetelmien avulla CYP-entsyymien toimintaan vaikuttavien lääkeaineiden tutkiminen on aiempaa nopeampaa ja antaa yhdellä kertaa samasta tutkimuksesta entistä laaja-alaisempaa tietoa. In vitro -tutkimusta varten kehitetty LC/MS/MS -analyysimenetelmä on osoittautunut erittäin käyttökelpoiseksi lukuisissa interaktiotutkimuksissa, ja in vivo -tutkimusta varten kehitetty UPLC/MS/MS -analyysimenetelmä mahdollistaa täysin ei-invasiivisen näytteenoton potilaista. Tutkimustyön viimeisessä vaiheessa kehitettiin erittäin herkkä ja spesifinen UPLC/MS/MS -analyysimenetelmä CYP2C8-entsyymin toiminnan malliaineena käytetyn repaglinidin analysoimiseksi koejärjestelystä, jossa tutkitaan yhdisteiden kulkeutumista raskausaikana äidin ja sikiön verenkierron välillä istukan kautta.

Abstract Production of recombinant proteins and organic molecules by microbial fermentation is a widely used process in pharmaceutical, biofuel, food and chemical industries. Micro-organisms are cultivated in a bioreactor enabling a proper environment and conditions for production of the desired product molecule. Usually, however, the conditions in the bioreactor are inhomogeneous because of technical limitations such as insufficient mixing. This causes gradients in various parameters such as temperature, ph, dissolved oxygen or substrate concentration, which can have a negative effect on product quality and quantity. Understanding the effects of such environmental variations for the host organism and product molecule are crucial for the bioprocess control. The aim of this dissertation was to study the metabolic and gene expression level response of Escherichia coli bacterium for variating conditions in the bioreactor. The responses for rapid temperature increase and oxygen limitation was studied by shift experiments. The effect of oscillating oxygen and glucose concentrations, typical for industrial scale processes, was studied with a scale-down model. The main results were obtained in the oxygen downshift experiments. It was shown that a non-canonical amino acid norvaline, known to replace leucine in recombinant proteins, is accumulated in significant concentration under oxygen limitation. The accumulation of norvaline was also observed in the scale-down model indicating that norvaline could also be found in large scale processes. The quantitative gene expression results for the norvaline pathway genes showed no clear response. This indicates that the norvaline formation occurs due to the changes on metabolic rather than transcriptional level. The second key result of this dissertation was the finding, that the accumulation of formate, a typical anaerobic metabolite, was diminished by medium boosted with trace amounts nickel, selenium and molybdenum, enabling the activity of formate degrading enzyme complex. The results of this dissertation can be utilized in the industrial process optimisation and as a basis for further bioprocess studies. / Tiivistelmä Vierasproteiinien ja orgaanisten molekyylien tuottaminen fermentoimalla on paljon käytetty menetelmä lääke-, bioenergia-, elintarvike- sekä kemianteollisuudessa. Mikrobit kasvatetaan bioreaktorissa, joka mahdollistaa sopivan kasvuympäristön ja tuotanto-olosuhteet halutulle tuotteelle. Usein bioreaktorin olosuhteet ovat kuitenkin epätasaiset teknisten rajoitteiden kuten riittämättömän sekoitustehon vuoksi. Tämä aiheuttaa eri muuttujien, kuten happi- ja ravinnepitoisuuden, pH:n tai lämpötilan vaihtelua ajan ja paikan suhteen, millä voi olla haitallinen vaikutus tuotteen laatuun tai saantoon. Ympäristötekijöiden muutosten isäntäsolulle tai tuotemolekyylille aiheuttamien vaikutusten ymmärtäminen ovat yksi ratkaisevista tekijöistä bioprosessien hallinnassa. Tässä väitöskirjassa tutkittiin Escherichia coli -bakteerin aineenvaihdunnan sekä geeniekspression vasteita bioreaktorin ajan ja paikan suhteen vaihtelevissa olosuhteissa. Hapenpuutteen ja lämpötilan nousun vaikutusta tutkittiin kokeilla, joissa olosuhdetta kertaluontoisesti ja nopeasti muutettiin. Teollisille fermentointiprosesseille tyypillistä happi- ja ravinnepitoisuuksien jatkuvaa vaihtelua tutkittiin suurta bioreaktoria jäljittelevällä pienoismallilla. Tärkeimmät tulokset liittyivät kokeisiin, joissa tutkittiin hapenpuutetta. Kokeissa kävi ilmi, että happirajoitetuissa olosuhteissa muodostuu huomattavia määriä epätavallista aminohappoa norvaliinia, jonka tiedetään korvaavan leusiinia vierasproteiineissa. Norvaliinin muodostumista havaittiin myös pienoismallilla tehdyissä kasvatuksissa, osoittaen että norvaliinia voi mahdollisesti löytyä myös suuren mitan prosesseista. Geeniekspressiomittaukset eivät osoittaneet muutoksia norvaliinin aineenvaihduntareitillä, osoittaen että havaittu norvaliinin muodostuminen tapahtuu aineenvaihdunnallisten muutosten seurauksena. Toinen tässä väitöstutkimuksessa saatu tärkeä tulos oli muurahaishapon kertymisen vähentyminen, kun kasvatusliuokseen lisättiin nikkeliä, seleeniä ja molybdeeniä aktivoimaan muurahaishappoa hajottavaa entsyymikompleksia. Tämän väitöstutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää teollisten prosessien optimoinnissa ja perustana uusille tutkimusaiheille.

Abstract Liquid chromatography (LC) combined with mass spectrometry (MS) is one of the most widely used techniques in modern analytical laboratories. Remarkable developments during the two previous decades in both techniques has made LC-MS the method of choice in various environmental, pharmaceutical and biochemical laboratories due to selectivity, sensitivity and versatility. The main focuses in this study were to develop new LC-MS methods to identify and quantify phenolic secondary metabolites in bilberry, lingonberry and hybrid bilberry, to study the biosynthesis of the main secondary metabolites (hypericin and hyperforin and their derivatives) in St John’s wort (SJW) both in vitro and in vivo (in plant), to identify in vitro metabolites of hyperforin in human liver microsomes and to identify the cytochrome P450 (CYP) enzymes responsible for their formation. Both high-performance liquid chromatography (HPLC) and ultra high-performance liquid chromatography (U-HPLC) in combination with time-of-flight (TOF) and triple quadrupole (QqQ) mass spectrometry were used in this study. Identification of 52 phenolic compounds from the leaves of bilberry, lingonberry and hybrid bilberry was accomplished. In total, seven of the identified compounds were reported for the first time in Vaccinium plants and several other compounds were reported for the first time in the studied plants. Incorporation of valine and isoleucine into acyl side chains of phloroglucinols (hyperforin and adhyperforin) via biosynthesis in shoot cultures of SJW was confirmed by using isotopically labeled amino acids and HPLC-MS/MS. Also, 29 biosynthetic in vitro products for HpPKS2 enzyme originating from SJW were identified based on accurate mass data. The metabolism of hyperforin was studied in human liver microsomes (HLM) for the first time. 57 metabolites for hyperforin were identified in the incubations with HLMs, using a substrate concentration of 1 μM. The phase I metabolism of hyperforin was suggested to rely mainly on CYP3A4 and on CYP2C family. / Tiivistelmä Nestekromatografia (LC) yhdistettynä massaspektrometriaan (MS) on yksi eniten käytetyistä analyysimenetelmistä nykyaikaisissa analytiikkalaboratorioissa. Viimeisten parin vuosikymmenen aikana LC-MS -laitteet ovat kehittyneet merkittävästi, ja nykyään LC-MS onkin paras menetelmä moniin ympäristö-, lääkeaine- ja biokemiallisiin laboratorioihin sen selektiivisyyden, herkkyyden ja monipuolisuuden vuoksi. Tässä väitöskirjassa kehitettiin uusia LC-MS –menetelmiä mustikan, puolukan ja mustikkapuolukan fenolisten sekundäärimetaboliittien tunnistamiseksi ja kvantitoimiseksi, mäkikuisman pääasiallisten sekundäärimetaboliittien (hyperisiini, hyperforiini ja niiden johdannaiset) tutkimiseksi in vitro- ja kasvinäytteistä sekä hyperforiinin aineenvaihduntatuotteiden tunnistamiseksi ja niitä muodostavien sytokromi P450 (CYP) entsyymien tunnistamiseksi ihmisen maksamikrosomeissa in vitro -menetelmin. Tässä työssä käytettiin sekä korkean erotuskyvyn nestekromatografia (HPLC) että ultra-korkean erotuskyvyn nestekromatografia (U-HPLC) yhdistettynä lentoaikamassaspektrometriin (TOF-MS) ja kolmoiskvadrupolimassaspektrometriin (QqQ-MS). Mustikan, puolukan ja mustikkapuolukan lehdistä tunnistettiin yhteensä 52 fenolista yhdistettä. Seitsemää näistä tunnistetuista yhdisteistä ei oltu aiemmin löydetty Vaccinium -suvun kasveista ja useat muut yhdisteistä löydettiin ensimmäistä kertaa nyt tutkituista kasveista. Valiinin ja isoleusiinin liittyminen floroglusinolien (hyperforiini ja adhyperforiini) asyylisivuketjuihin biosynteesin välityksellä varmistettiin isotoppileimattujen aminohappojen ja HPLC-MS/MS –mittausten avulla. Tässä työssä tunnistettiin myös 29 mäkikuismasta peräisin olevan HpPKS2 -entsyymin in vitro biosynteesituotetta tarkan massan mittausten avulla. Hyperforiinin metaboliaa tutkittiin ensimmäistä kertaa ihmisen maksamikrosomeissa (HLM). Hyperforiinille tunnistettiin yhteensä 57 aineenvaihduntatuotetta ihmisen maksamikrosomi-inkubaatioissa, kun hyperforiinin alkukonsentraatio oli 1 μM. Tämän tutkimuksen tulosten perusteella hyperforiinin faasi I metabolia tapahtuu pääasiassa CYP3A4:n ja CYP2C-perheen välityksellä.

Abstract The prevalence of obesity is dramatically on the rise in the Western world. Obesity is associated with several chronic diseases, including diabetes and cardiovascular disease (CVD). Non-alcoholic fatty liver disease occurs when fat is ectopically stored in the liver. It is closely associated with serious metabolic abnormalities. Non-alcoholic fatty liver disease ranges from simple hepatic steatosis with no inflammation to hepatic steatosis with a necroinflammatory component, which may lead to cirrhosis and liver failure. Adiponectin is an adipokine that is solely secreted by adipocytes and has anti-inflammatory, antiatherogenic and insulin-sensitizing properties. Adipose tissue inflammation contributes to reduced plasma adiponectin levels in obesity leading to further metabolic complications. Adiponectin may be a mediator between obesity and fat accumulation in the liver and skeletal muscle. Fatty liver may play a role in the pathogenesis of CVD. Mortality data show that CVD as the cause of death accounts for almost half of all deaths in Finland. Traditional risk factors for CVD are age, gender, smoking, high low-density lipoprotein level, high blood pressure and diabetes. The aim of the thesis was to investigate the mediators of fat accumulation in the liver and skeletal muscle as well as the role of fatty liver in the future risk for CVD. If one considers the peptide hormones, then adiponectin turned out to be the strongest independent indicator of the brightness of the liver. In addition, an association between a low adiponectin concentration and large muscle fiber size was observed, and this was not dependent on the amount of total fatness. Furthermore, severe fatty liver increased the risk for cardiovascular events, predicted the risk for death from all causes and death from CVD in a long follow-up. Insulin sensitivity seemed to play a more dominant role in developing cardiovascular events. In conclusion, this study demonstrates that adiponectin may have an important effect on fat accumulation in the liver and skeletal muscle. Adiponectin could be a target when considering the treatment and prevention of ectopic fat accumulation. Fatty liver seems to play a significant role in developing cardiovascular event and mortality to CVD. / Tiivistelmä Lihavuus on kasvava ongelma länsimaissa. Lihavuudella on todettu olevan yhteyttä lukuisiin kroonisiin sairauksiin, kuten diabetekseen ja sydän- ja verisuonitautiin. Ei-alkoholiperäinen rasvamaksa aiheutuu rasvan kertymisestä maksaan. Tilan on todettu liittyvän läheisesti vaikeisiin aineenvaihdunnan häiriöihin. Ei-alkoholiperäinen rasvamaksa vaihtelee vakavuusasteeltaan poikkeavasta rasvan kertymisestä tulehdukseen, joka voi edelleen johtaa kirroosiin ja maksan toiminnan pettämiseen. Adiponektiini on pääasiassa rasvakudoksen erittämä hormoni, jolla on tulehdusta hillitseviä, ateroskleroosilta suojaavia ja insuliinia herkistäviä ominaisuuksia. Rasvakudoksen tulehdustila myötävaikuttaa alentuneeseen adiponektiinipitoisuuteen, joka voi johtaa vaikeutuneisiin aineenvaihdunnan häiriöihin. Adiponektiinin epäillään olevan välittäjäaine lihavuuden ja rasvamaksan ja lihaksensisäisen rasvan välillä. Rasvamaksan ja kardiovaskulaarisairauksien välillä saattaa olla yhteys. Sydän- ja verisuonisairaudet aiheuttavat lähes puolet kuolemista Suomessa. Perinteisiä kardiovaskulaaritaudin riskitekijöitä ovat ikä, sukupuoli, tupakointi, korkea LDL-kolesteroli, korkea verenpaine ja diabetes. Tutkimuksemme tavoitteena oli selvittää maksan ja lihaksen rasvan kertymiseen myötävaikuttavia tekijöitä sekä rasvamaksan vaikutusta riskiin sairastua sydän- ja verisuonisairauksiin. Tutkimuksessa havaittiin, että lihavuuteen liittyvistä hormoneista adiponektiini oli vahvin itsenäinen myötävaikuttaja rasvamaksan kehittymisessä. Plasman alentunut adiponektiinipitoisuus yhdistyi kasvaneeseen lihassolun kokoon riippumatta henkilöiden rasvakudoksen määrästä. Seurantatutkimuksen mukaan vaikeasti rasvoittunut maksa lisäsi riskiä sairastua kardiovaskulaaritautiin, ennusti yleistä kuolemanriskiä ja kuolemaa kardiovaskulaaritautiin. Insuliiniherkkyydellä näytti olevan merkittävä rooli sydän- ja verisuonitautitapahtumissa. Tutkimus osoittaa, että adiponektiinillä saattaa olla keskeinen rooli rasvan kertymisessä maksaan ja lihakseen. Adiponektiini voi olla keskeinen tutkimuskohde kehiteltäessä hoitomuotoja ja ehkäisymenetelmiä rasvakudoksen ulkopuolisen rasvan kertymiseen. Rasvamaksan rooli sairaalahoitoon tai kuolemaan johtavissa ateroskleroottisissa tapahtumissa on ilmeinen.

Abstract Oxygen is essential for aerobic organisms, as shortage of oxygen (hypoxia) can induce cellular dysfunctions and even cell death, leading to tissue damage and decreased viability of the organism. Oxygen homeostasis is regulated delicately by several mechanisms, the major one being the hypoxia-inducible factor (HIF) pathway that is evolutionarily conserved. HIFα subunits are regulated in an oxygen-dependent manner via three HIF prolyl 4-hydroxylases (HIF-P4Hs). In the presence of oxygen HIF-P4Hs modify HIFα, which leads to its degradation, whereas in hypoxia the HIF-P4H enzymes cannot function and HIFα is stabilized. HIF regulates more than 300 genes that enhance oxygen delivery from the lungs to tissues and reduce oxygen consumption in tissues, such as those for erythropoietin and vascular endothelial growth factor. When a tissue suffers from hypoxia caused by a circulatory restriction, the situation is called ischemia. In this study we used a genetically modified HIF-P4H-2 hypomorph mouse line that expresses 8% of the wild-type Hif-p4h-2 mRNA in the heart and 19% in skeletal muscle, and has HIFα stabilization in both tissues. We showed that chronic HIF-P4H-2 deficiency leads to protection against acute ischemic injury both in the heart and in skeletal muscle. The protection was mainly due to enlarged capillaries and better perfusion in both tissues. Hypoxia is known to decrease body weight. The observation of the HIF-P4H-2 deficient mice being leaner than their wild-type littermates led us to study their body constitution, metabolism and adipose tissue in detail. We discovered that chronic HIF-P4H-2 deficiency protects against obesity and several metabolic dysfunctions including diabetes and metabolic syndrome. These beneficial outcomes were mimicked when a pharmacological pan-HIF-P4H inhibitor was administered to wild-type mice. In these studies we showed that pharmacological HIF-P4H-2 inhibition may provide a novel treatment for diseases such as acute myocardial infarction, peripheral artery disease and metabolic disorders. / Tiivistelmä Happi on edellytys aerobisen eliön, kuten ihmisen, elämälle; hapen niukkuus (hypoksia) voi johtaa monenlaisiin solun toimintahäiriöihin, jotka voivat edelleen aiheuttaa solun kuoleman, kyseisen kudoksen vaurion, ja lopulta eliön elinkyvyn heikkenemisen. Happitasapainoa säädellään monilla menetelmillä, joista merkittävin on hypoksiassa indusoituvasta tekijästä (HIF) riippuvainen reitti, joka on evoluutiossa säilynyt. HIFα alayksiköitä säätelee hapesta riippuvaisesti kolme HIF prolyyli 4-hydroksylaasia (HIF-P4Ht). Hapen läsnä ollessa HIF-P4H on aktiivinen ja johtaa HIFα:n hajottamiseen, kun taas hypoksiassa HIF-P4H entsyymit eivät voi toimia ja siten HIFα stabiloituu. HIF säätelee yli 300 geeniä, jotka edistävät hapen kuljetusta ja pääsyä keuhkoista kudoksiin sekä vähentävät hapenkulutusta. Näitä geenejä ovat mm. erytropoietiini sekä vaskulaarinen endoteelikasvutekijä. Kudoksen heikentyneestä verenkierrosta johtuvaa hapenpuutetta kutsutaan iskemiaksi. Tässä tutkimuksessa käytimme geneettisesti muunneltua HIF-P4H-2 hypomorfi-hiirikantaa, joka tuottaa Hif-p4h-2 lähetti-RNA:ta sydämessä vain 8 % ja luurankolihaksessa 19 % villityypin määrästä, ja jolla on HIFα stabiloituneena molemmissa kudoksissa. Osoitimme, että krooninen HIF-P4H-2:n puute suojaa sekä sydäntä että luurankolihasta akuutissa iskemiassa. Vaikutus johtui pääasiassa suuremmista kapillaareista ja paremmasta perfuusiosta molemmissa kudoksissa. Aikaisempien tutkimusten perusteella tiedetään, että hypoksia alentaa painoa. Huomio siitä, että HIF-P4H-2 puutteiset hiiret ovat hoikempia kuin villityypin sisaruksensa, johti meidät tutkimaan hiirten kehon koostumusta, aineenvaihduntaa ja rasvakudosta tarkemmin. Tutkimuksissamme selvisi, että krooninen HIF-P4H-2:n puute suojaa lihavuudelta ja monelta aineenvaihdunnan häiriöltä kuten sokeritaudilta ja metaboliselta oireyhtymältä. Nämä edulliset vaikutukset toistuivat, kun annoimme villityypin hiirille pan-HIF-P4H inhibiittoria. Kaiken kaikkiaan, näissä tutkimuksissa osoitimme, että lääkkeellinen HIF-P4H-2:n estäminen voi tarjota uuden keinon sydäninfarktin, luurankolihasiskemian ja aineenvaihdunnan häiriöiden hoitoon.

Abstract Molecular oxygen is a prerequisite for essential metabolic processes in multicellular organisms. However, the supply of oxygen can be disturbed and tissue aerobic metabolism becomes compromised in several pathophysiological conditions. In prolonged hypoxia, cells initiate cell type-specific adaptation processes, which are typically mediated by alterations in gene expression. Changes are mainly driven by a transcription factor called hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1). Heart muscle is a highly oxidative tissue and HIF-1 activation turns on myocardial adaptation mechanisms for enhanced survival in oxygen-deprived conditions. The aim of this study was to characterize myocardial gene expression changes during chronic hypoxia and couple the adaptational changes to cardiomyocyte function. The role of hypoxia and HIF-1 activation was studied by using in vitro mouse and rat heart cell culture models, tissue perfusions and in vivo infarction models. In this study, apelin, sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase (SERCA2a) and G protein-coupled receptor 35 (GPR35) were characterized as novel functionally important myocardial HIF-1 target genes. Apelin and GPR35 were induced in hypoxia, while SERCA2a expression was reduced HIF-1 dependently. HIF-1 activation also altered cardiac myocyte contractility through modulation of SERCA2a and GPR35 expression, leading to impairment of the cellular calcium metabolism. Reduced contractility was suggested to serve as an adaptive mechanism for reduced aerobic ATP production in hypoxic conditions. This study presents novel information about the plasticity of myocardial adaptation to prolonged hypoxia. The role of a conserved transcription factor, HIF-1, was shown to be essential in the adaptation process in the myocardial cells. / Tiivistelmä Riittävä hapensaanti on välttämätöntä monisoluisten eliöiden elintoiminnoille. Hapensaanti voi kuitenkin häiriintyä erilaisissa tautitiloissa, jolloin happea käyttävät prosessit estyvät. Hapenpuutteen (hypoksia) pitkittyessä elimistön solut aloittavat sopeutumisen tilanteeseen muuttamalla toimintaansa geenien ilmentymismuutosten kautta. Adaptaatiota ohjaa pääasiassa hypoksia-indusoituva tekijä 1 (HIF-1). Sydän käyttää runsaasti happea energiantuotannossaan. Hapenpuutteen aikana HIF-1-transkriptiotekijä muuttaa sydämen geenien ilmentymistä siten, että sydänsolut selviävät paremmin happivajaissa olosuhteissa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli määrittää sydämen geenien ilmentymisen hapenpuutevasteita ja yhdistää muutokset sydänsolujen toiminnallisiin muutoksiin. Hapenpuutteen ja HIF-1:n merkitystä sopeutumisessa tutkittiin käyttäen malleina rotan ja hiiren sydänsoluviljelmiä, in vitro-kudosperfuusiomalleja sekä in vivo-sydäninfarktimalleja. Tässä työssä havaittiin apeliinin, sarkoplasmisen kalvoston Ca2+-ATPaasin (SERCA2a) sekä G-proteiinikytketyn reseptori 35:n olevan toiminnallisesti tärkeitä HIF-1:n säätelemiä geenejä sydämessä. Apeliinin sekä GPR35:n ilmentyminen lisääntyi hypoksian aikana, mutta SERCA2a:n ilmentyminen sen sijaan väheni HIF-1 –aktivaation seurauksena. HIF-1 –aktivaation osoitettiin myös vähentävän sydänsolujen supistustoimintaa muuttuneiden SERCA2a:n ja GPR35:n ilmentymisten kautta. Heikentynyt supistustoiminta sopeuttaa soluja vähentyneeseen aerobiseen ATP:n tuottoon hapenpuutteen aikana. Tämä tutkimus antaa lisätietoa sydämen sopeutumiskyvyn mukautumisesta pitkittyneeseen hapenpuutteeseen. Lisäksi tutkimus osoittaa HIF-1:n roolin olevan oleellinen myös sydänsolujen hypoksia-adaptaatioprosesseissa.

Abstract Multifunctional enzyme type 1 (MFE-1) is a monomeric member of the hydratase/isomerase superfamily (H/I) involved in the β-oxidation of fatty acids. MFE-1 has 2-enoyl-CoA hydratase-1, Δ3-Δ2-enoyl-CoA isomerase, and several other enoyl-CoA isomerase activities at the N-terminus. The C-terminus has (3S)-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase activity. MFE-1 can also convert certain hydroxylated C27 bile acid synthesis intermediates. In these studies, a domain assignment of MFE-1 by sequence alignment with the H/I family (domains A and B in MFE-1) and mitochondrial monofunctional 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenases (HAD, domains C, D and E) was proposed. This was further improved with the structural information obtained from the crystal structure of the construct containing domains B, C, D and E (MFE1-DH). The structure of MFE1-DH resembles the bilobal structure of the α-subunit of the bacterial fatty acid metabolising complex and the mammalian HAD enzyme. The N-terminal linker helix of MFE1-DH (domain B) corresponds to helix-10 of the hydratase/isomerase enzymes having residues important for substrate contacts. Domain C adopts the classical Rossmann fold and forms the first lobe of the MFE1-DH structure. The C-terminal domains D and E form the second lobe and have local symmetry between each other. This local symmetry corresponds to the D domain-mediated dimerisation of the HAD dimer. The domain deletion studies showed that the presence of domains D and E, but not domain C, was essential to obtain a functional hydratase 1 enzyme; this can be understood from stabilising contacts from domain E to the linker helix, as seen in the MFE1-DH structure. The structure of human ACBP from liver was determined with and without a physiological ligand. This structure adopts the classical four-helix bundle of the ACBP family. The ligand binding mode seen in the presence of myristoyl-CoA shows that one ligand molecule is bound jointly by the two protein molecules of the asymmetric unit such that the fatty acid tail is bound by one protein molecule, and the 3'-phosphate AMP moiety of the CoA is bound by the other protein molecule, essentially as in known complexed ACBP structures in the monomeric binding mode. The observed ligand binding mode suggests a new model for the ACBP-mediated ligand transfer observed in biochemical in vitro studies. / Tiivistelmä Tyypin 1 monitoiminen entsyymi (MFE-1) on hydrataasi/isomeraasiperheen (H/I) jäsen ja se osallistuu rasvahappojen β-oksidaatioon. MFE-1:n N-päädyssä on 2-enoyyli-CoA-hydrataasi 1- ja Δ3-Δ2-enoyyli-CoA-isomeraasiaktiivisuus sekä useita muita enoyyli-CoA-isomeraasiaktiivisuuksia. C-päädyssä on (3S)-hydroksiasyyli-CoA-dehydrogenaasiaktiivisuus. MFE-1 voi myös katalysoida tiettyjen hydroksyloitujen C27-sappihapposynteesin välituotteiden reaktioita. Tässä tutkimuksessa määritettiin MFE-1:n domeenirakenne H/I-perheen (MFE-1:n domeenit A ja B) ja 3-hydroksiasyyli-CoA-dehydrogenaasiperheen (HAD, domeenit C, D ja E) sekvenssilinjausten perusteella. Rakennetta tarkennettiin domeenit B, C, D ja E sisältävän konstruktin (MFE1-DH) kiderakenteesta saadun tiedon avulla. MFE1-DH:n kiderakenne muistuttaa bakteerien rasvahappoja hajottavan kompleksin α-alayksikön sekä nisäkkäiden HAD-entsyymin kahdesta alayksiköstä muodostuvaa rakennetta. MFE1-DH:n N-päädyn α-kierre vastaa H/I-entsyymien kierre-10:tä, jossa sijaitsee substraattikontaktien kannalta tärkeitä aminohappotähteitä. C-domeeni muodostaa Rossmann-laskoksen ja se on MFE1-DH:n rakenteen ensimmäinen alayksikkö. C-päädyssä sijaitsevat D- ja E-domeenit muodostavat yhdessä toisen alayksikön ja niiden välillä on symmetria, joka vastaa D-domeenien välittämää HAD-entsyymien dimerisaatiota. Domeenitutkimukset osoittivat, että D- ja E-domeenien läsnä olo oli välttämätöntä hydrataasi 1:n toiminnalle, mutta C-domeeni voitiin poistaa ja säilyttää hydrataasi 1 -aktiivisuus. Havainto voitiin selittää MFE1-DH:n rakenteen avulla, jossa nähdään stabiloivia vuorovaikutuksia E-domeenin ja N-päädyn α-kierteen välillä. Ihmisen maksan ACBP:n kiderakenne määritettiin fysiologisen ligandin kanssa sekä ilman ligandia. Tämä rakenne laskostuu ACBP-perheelle tyypilliseksi neljän kierteen nipuksi. Myristoyyli-CoA:n läsnä ollessa havaitussa ligandin sitoutumistavassa yksi ligandimolekyyli on sitoutunut kahden proteiinimolekyylin välille siten, että rasvahappo-osa sitoutuu toiseen proteiinimolekyyliin ja CoA:n 3'-fosfaatti-AMP-osa sitoutuu toiseen proteiinimolekyyliin kuten tunnetuissa monomeerisissä ACBP:n sitomistavoissa. Havaitun sitoutumisen avulla voidaan ehdottaa uutta mallia ACBP:n välittämälle ligandinsiirrolle, joka on havaittu aikaisemmin biokemiallisissa in vitro -tutkimuksissa.

Abstract Polycystic ovary syndrome (PCOS) is the most common endocrine disorder affecting reproductive aged women, with reproductive, metabolic and cardiovascular implications across the life span. The typical features of PCOS include irregular menstruation, androgen excess and polycystic ovaries in ultrasonography. The majority of women with PCOS are overweight or obese, and, at least partly, obesity-driven metabolic abnormalities often coexist with PCOS. Despite intensive research, it has remained unclear whether PCOS per se is a risk factor of metabolic abnormalities, and cardiovascular disease and events. The main aim of the current work was to investigate whether PCOS is an independent risk factor of metabolic abnormalities and cardiovascular diseases. The study population consisted of the prospective population-based Northern Finland Birth Cohort 1966, and we used data collected at ages 14, 31 and 46. The definition of PCOS was based on self-reported PCOS symptoms at age 31 and/or PCOS diagnosis by age 46. The results revealed that weight gain in early life was a risk factor for the development of PCOS. As for metabolic outcomes, at age 46, normal-weight women with PCOS did not display increased odds of abnormal glucose metabolism. However, weight gain during early adulthood was significantly associated with abnormal glucose metabolism in women with PCOS by age 46. Interestingly, PCOS per se was already associated with elevated blood pressure at age 31 and hypertension at age 46, independently of obesity. Women with PCOS also displayed reduced cardiac vagal activity, which was associated with metabolic abnormalities and hypertension. Furthermore, even though no major anatomical or functional impairments were observed in echocardiography, women with PCOS displayed a significantly greater prevalence of myocardial infarction and a two-fold higher prevalence of cardiovascular events than controls. In conclusion, our findings indicate that even though PCOS is an independent risk factor of metabolic derangements, related obesity is a major metabolic risk factor in these women. The role of PCOS in cardiovascular events per se remains controversial and requires follow-up of this cohort. Given all this, maintaining normal weight and preventing weight gain, especially during early adulthood, should be the main priority in the prevention of adverse metabolic changes in women with PCOS. / Tiivistelmä Munasarjojen monirakkulaoireyhtymä (polycystic ovary syndrome, PCOS) on lisääntymisikäisten naisten yleisin hormonaalinen häiriö aiheuttaen runsaasti sairastavuutta ja terveydenhuollon kustannuksia. PCOS:n diagnostisiin kriteereihin kuuluvat epäsäännöllinen kuukautiskierto, lisääntynyt miessukupuoli-hormonivaikutus sekä monirakkulaiset munasarjat. Merkittävä osa oireyhtymää sairastavista naisista on ylipainoisia tai lihavia ja oireyhtymän kanssa yhtä aikaa esiintyykin useita, ainakin osittain ylipainosta johtuvia, metabolisia häiriöitä. Lukuisista tutkimuksista huolimatta on kuitenkin epäselvää, altistaako PCOS itsessään metabolisille häiriöille sekä sydän- ja verisuonisairauksille. Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli selvittää, onko PCOS itsenäinen metabolisten ja sydän- ja verisuonisairauksien riskiä lisäävä tekijä. Tutkimus pohjautui Pohjois-Suomen syntymäkohortti 1966 tutkimuksen 14-, 31- ja 46-vuotisseurantoihin. PCOS luokittelu perustui 31- ja 46-vuotiskyselyissä itse ilmoitettuihin tyypillisiin PCOS oireisiin ja/tai diagnoosiin. Tutkimuksessa havaittiin, että 14- ja 31-ikävuoden välillä tapahtuva painonnousu oli yhteydessä PCOS diagnoosiin myöhemmällä iällä. 46-vuotiaana normaalipainoisilla PCOS naisilla ei ollut suurentunut tyypin 2 diabetes riski, mutta painonnousu varhaisaikuisuudessa oli merkittävästi yhteydessä sokeriaineenvaihdunnan häiriöön PCOS naisilla. PCOS oli yhteydessä kohonneeseen verenpaineeseen 31-vuotiaana ja hypertensioon 46-vuotiaana ylipainosta riippumatta. Oireyhtymään liittyvät metaboliset häiriöt olivat tärkein sydämen autonomisen hermoston säätelyyn vaikuttava tekijää, kun taas PCOS itsessään ei vaikuttanut autonomisen hermoston toimintaan. PCOS:ään sairastavien naisten sydämen rakenne ja funktio eivät merkitsevästi poikenneet kontrolloiden vastaavista muuttujista. Kuitenkin suhteellisen nuoresta iästä huolimatta PCOS naisilla esiintyi enemmän sydäninfarkteja ja kaksi kertaa enemmän sydän- ja verisuonitapahtumia, kuin kontrolleilla. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että vaikkakin PCOS on itsenäinen riskitekijä metabolisille häiriöille, oireyhtymään liittyvä ylipaino vaikuttaa merkittävästi metabolisten häiriöiden esiintymiseen. PCOS:n ja sydän- ja verisuonitautitapahtumien yhteyden tarkempi tutkiminen vaatii kohortin jatkoseurantaa. Painonhallinnan tukemisen tulisi olla PCOS:ää sairastavien naisten hoidon kulmakivi.

Abstract The hepatic inducible Cytochrome P450s (CYPs) generally prime xenobiotics for elimination. Murine CYP2A5 and human CYP2A6 share similar xenobiotic substrates and some regulatory features. Recently, they were shown to oxidize bilirubin, a byproduct of heme catabolism and a dose-dependent anti- or pro-oxidant, to biliverdin. In this study, the putative role of the redox-sensitive, cytoprotective transcription factor Nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2) in the regulation of hepatic Cyp2a5 expression and induction under diverse hepatotoxic conditions and altered heme homeostasis was characterized. The coordination of Cyp2a5 and the Nrf2 target gene Heme oxygenase-1 (Hmox1), which determines bilirubin formation from heme, responses to heavy metals and modulators of heme homeostasis, was studied in cultured wildtype and Nrf2(-/-) mouse primary hepatocytes. Nrf2 was essential for the basal hepatic expression of CYP2A5 in the endoplasmic reticulum (ER) and mitochondria, as well as for its induction by cadmium, lead, methyl mercury and phenethyl isothiocyanate. A functional Nrf2 binding antioxidant response element (ARE) about -2.4 kilobases upstream of the Cyp2a5 transcriptional start site was identified. In contrast to Hmox1, a target of BTB and CNC homology 1 (Bach)-mediated repression via AREs, the regulation of Cyp2a5 did not clearly involve Bach1. Excessive heme induced mainly ER-localized CYP2A5 via Nrf2, which was limited by the Nrf2-independent HMOX1 induction. In heme synthesis blockades, CYP2A5 was enhanced via Nrf2 and additional factors, such as the peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α (PGC-1α). The typical CYP2A5 inducers phenobarbital, dibutyryl-cyclic adenosine monophosphate (db-cAMP) and PGC-1α enhance heme synthesis; CYP2A5 was induced via Nrf2 in acute but not chronic phenobarbital exposure without a clear connection to heme, while the responses to db-cAMP and PGC-1α were sensitized in the absence of Nrf2. This suggests novel crosstalk between Nrf2 and PGC-1α. In this study, Cyp2a5 was identified as a sensitive indicator of hepatic Nrf2 pathway activation that could be used, e.g. for in vitro screening of drug candidate hepatotoxicity. The similar subcellular localization and coordination of CYP2A5 and HMOX1 expression in altered heme metabolism support the postulated role for CYP2A5 in bilirubin homeostasis. / Tiivistelmä Vierasaineet stimuloivat maksan Sytokromi P450 (CYP)-entsyymejä, mikä yleensä lisää niiden eliminaatiota. Hiiren CYP2A5 ja ihmisen CYP2A6 ovat lähisukua katalyyttisten ja osin säätelyllisten yhteneväisyyksiensä puolesta. Vastikään niiden osoitettiin katalysoivan hemin hajoamistuotteen, bilirubiinin hapettumista biliverdiiniksi, mikä saattaisi säädellä sen annosriippuvaisia vaikutuksia antioksidanttina ja oksidanttina. Työssä tutkittiin solustressiä aistivan, suojaavan transkriptiotekijän Nrf2 osuutta Cyp2a5-geenin aktivaatiossa maksatoksisissa olosuhteissa ja hemimetabolian muutoksissa. Cyp2a5:n ja bilirubiinin tuotosta vastaavan, Nrf2-säädellyn Hemioksigenaasi-1 (Hmox1):n vasteita verrattiin viljellyissä villityypin ja poistogeenisen Nrf2(-/-) hiiren primaarimaksasoluissa. Tulokset osoittavat, että Nrf2 ylläpitää CYP2A5:n ilmentymistä endoplasmisella kalvostolla (ER) ja mitokondrioissa sekä välittää sen stimulaation altisteilla kadmium, lyijy, metyylielohopea ja fenetyyli-isotiosyanaatti. Toimiva Nrf2-vasteinen antioksidanttivaste-elementti (ARE) tunnistettiin n. -2,4 kiloemäsparia Cyp2a5-geenin luennan aloituskohdasta ylävirtaan. BTB ja CNC homologia 1 (Bach1)-tekijä, joka on tärkeä Hmox1-säätelijä ja ARE-välitteinen transkription estäjä, ei selkeästi osallistu Cyp2a5:n säätelyyn. Hemin ylimäärä stimuloi CYP2A5:n määrää ER-kalvostolla, Nrf2-riippumattomasti stimuloituvan HMOX1 rajoittaessa Nrf2-reitin aktivaatiota. Hemisynteesin estyessä Nrf2 aktivoi Cyp2a5-geeniä muiden mekanismien kuten peroksisomiproliferaattori-aktivoituva reseptori gamman koaktivaattori-1α (PGC-1α) kanssa. Fenobarbitaali (PB), dibutyryyli-syklinen adenosiinimonofosfaatti (db-cAMP) ja PGC-1α lisäävät tunnetusti hemisynteesiä. Nrf2 havaittiin Cyp2a5:n aktivaatiolle välttämättömäksi akuutissa mutta ei kroonisessa PB-altistuksessa ilman selkeästi havaittua hemin osuutta. Cyp2a5-geenin db-cAMP- ja PGC-1α-vasteinen stimulaatio voimistui merkittävästi toimivan Nrf2-reitin puuttuessa, mikä osoittaa vuoropuhelua Nrf2 ja PGC-1α välillä. Väitöskirjatyössä Cyp2a5 tunnistettiin herkäksi Nrf2-reitin aktivaation maksamarkkeriksi, jota voitaisiin hyödyntää esim. lääkeainekandidaattien maksatoksisuuden seulonnassa soluviljelyssä. CYP2A5:n ja HMOX1:n solunsisäinen kohdentuminen ja ekspressio koordinoituvat hemimetabolian muutoksissa, mikä tukee teoriaa CYP2A5:n roolista bilirubiinin metaboliassa maksassa.