Abstract Hodgkin lymphoma (HL) is among a heterogeneous group of lymphomas. Over 80% of all patients can be cured with chemo- and radiotherapy. HL has become a model to study long-term effects of radio- and chemotherapy, because of the excellent prognosis. There are a significant number of patients who suffer or die because of the treatment-related long-term toxicity. The aim of this work was to discover new possible biological factors to predict poor prognosis and offer new aspects to individualize patient treatment in a convenient manner in HL. The retrospective study involved HL patients uniformly treated in 1997–2015. Immunohistochemistry was used to determine the expression of various biological markers, including oxidative stress markers 8-hydroxydeoxyguanosine (8-OHdG) and nitrotyrosine and the antioxidant enzymes manganese superoxide dismutase (MnSOD) as well as peroxiredoxins (Prx II, Prx III, Prx V, Prx VI) in HL patient samples. Using immunohistochemistry, we also evaluated expression of hypoxia-inducible factors (HIF-1α, HIF-2α), prolyl hydroxylase domain enzymes (PHD1, PHD2, PHD3), the epigenetic regulator lysine (K)-specific demethylase 4 (KDM4A, KDM4B, KDM4D) as well as sirtuins (SIRT1, SIRT4, SIRT6), the DNA-repair proteins Human Rap1 interacting factor 1 (Rif1) and O6-alkylguanine DNA alkyltransferase (MGMT) from representative classical Hodgkin lymphoma (cHL) patient samples. Low-level expression of 8-OHdG was associated with poorer relapse-free survival (RFS) in advanced-stage HL and a high extent of MnSOD predicted early relapse in the whole HL cohort. Strong expression of PHD1, KDM4B and KDM4D predicted dismal RFS in radiotherapy-treated cHL patients. The results also showed that strong expression of HIF-1α, SIRT6 and Rif1, and SIRT6 together with Rif1, were associated with prolonged RFS, especially in advanced-stage radiotherapy-treated cHL patients. In multivariate analysis, PHD1, MnSOD, 8-OHdG and Rif1 separately and together with SIRT6 were statistically significant predictors of RFS. The results reflect the significance of the studied biomarkers in HL, especially in radiotherapy-treated patients. This might be beneficial when individualizing treatment strategies, avoiding overtreatment and controlling long-term treatment-related toxicity. Further research, however, is needed to confirm these preliminary findings. / Tiivistelmä Hodgkinin lymfooma (engl. HL) kuuluu heterogeeniseen imukudossyöpien eli lymfoomen ryhmään. Yli 80 % lymfoomapotilaista voidaan parantaa solunsalpaaja- ja sädehoidon avulla. Hyvän ennusteen takia HL- tutkimuksen tärkeä painopiste on säde- ja solunsalpaajahoidon pitkän ajan haittavaikutukset. Huomattava määrä potilaista kärsii tai jopa kuolee hoitoon liittyvistä pitkäaikaishaitoista johtuen. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli löytää uusia mahdollisia biologisia tekijöitä, jotka ennakoisivat taudin huonoa ennustetta ja samalla antaa uusia näkökulmia HL potilaiden hoidon yksilöllistämiseen. Tämä retrospektiivinen tutkimus käsitti vuosina 1997-2015 samanlaisesti hoidettuja Hodgkinin lymfooma -potilaita. Immunohistokemiallisilla värjäyksillä määritettiin biologisten merkkiaineiden, mukaan lukien oksidatiivisen stressin markkereiden 8- hydroksideoksiguanosiinin (8-OHdG) ja nitrotyrosiinin, sekä antioksidanttientsyymien mangaanisuperoksidi-dismutaasin (MnSOD) sekä peroksiredoksiinien (Prx II, Prx III, Prx V, Prx VI) ilmentymistä HL -potilasnäytteissä. Määrittelimme myös immunohistokemiallisilla värjäyksillä epigeneettisten säätelijöiden lysiinin spesifisen demetylaasientsyymin 4 (KDM4A, KDM4B, KDM4D) sekä sirtuiinien (SIRT1, SIRT4, SIRT6), hypoksiaa indusoivien tekijöiden (HIF-1α, HIF-2α), prolyylihydroksylaasientsyymien (PHD1, PHD2, PHD3) ja DNA:ta korjaavien proteiinien Rap1 vaikuttuvan tekijä 1 (Rif1) ja O6-metyyliguaniini-DNA metyylitransferaasin (MGMT) ilmentymistä edustavissa klassista Hodgkinin lymfoomaa sairastavien potilaiden (engl. cHL) näytteissä. Heikko 8-OHdG värjäytyminen ennusti ennenaikaista taudin uusiutumaa levinneessä HL:ssa ja korkea MnSOD ilmaantuvuus ennusti ennenaikaista taudin uusiutumaa koko HL -ryhmässä. Sädehoidetuilla cHL potilailla voimakas PHD1, KDM4B ja KDM4D värjäytyminen ennusti ennenaikaista taudin uusiutumaa. Tulokset osoittivat myös, että erityisesti sädehoidetuilla levinneen taudin cHL potilailla voimakas HIF-1α, SIRT6, Rif1 ja SIRT6 yhdessä Rif1:n kanssa oli yhteydessä pidentyneeseen uusiutumavapaaseen aikaan. Monimuuttuja-analyysissä PHD1, MnSOD, 8-OHdG ja Rif1 itsenäisenä ja yhdessä SIRT6 kanssa ennustivat tilastollisesti merkitsevästi taudin ennenaikaista uusiutumaa. Tulokset osoittavat näiden eri biomarkkereiden merkittävyyden HL:ssä, erityisesti sädehoitoa saaneilla potilailla. Tuloksista voi olla hyötyä, kun hoitokäytäntöjä yksilöidään, mikä voisi helpottaa välttämään liiallista hoitoa ja hallitsemaan pitkäaikaisiin hoitoihin liittyviä haittoja. Näiden alustavien havaintojen vahvistamiseksi tarvitaan kuitenkin lisätutkimuksia.

Abstract Skin is the largest organ in our body protecting us from ultraviolet radiation and xenobiotics. UV-radiation is a common cause of squamocellular carcinoma and melanoma of the skin that cause morbidity and mortality world wide. Reactive oxygen species are constantly formed by, for example, cellular respiration and UV-radiation, and they can readily react with virtually any macromolecule within cell structures causing damage to DNA, proteins and lipids. Oxidative stress (OS) is a homeostatic process that is dysregulated in cancer cells to their benefit. Nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2) is the main regulator of antioxidant response and it has been shown to be upregulated in various cancers enabling their survival and growth. By using immunohistochemistry we studied the change and prognostic significance of OS markers in melanoma from paraffin embedded patient samples. Nrf2 expression is increased in melanoma, associating with deeper invasion and a worse melanoma-specific outcome. In addition, epithelial-to-mesenchymal transition markers Slug, Twist and Zeb1 showed altered expression levels in relation to invasion and metastasis associating also with Nrf2. With the help of target inhibition molecules Vemurafenib and MEK-inhibitor CI-1040, In vitro study showed that BRAF- and NRAS-mutations might activate Nrf2. Furthermore, Nrf2-regulated antioxidant enzyme peroxiredoxin I showed decreased expression in malignant melanomas and metastases compared to benign naevi. Intriguing findings were made from the surrounding structures of melanomas e.g. loss of expression of an oxidative lesion marker 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine in adjacent endothelial cells associated with worse melanoma-specific survival. Changes in the expression of adhesion molecules claudins 1-5 and 7 were studied in the progression of cutaneous squamous cell carcinomas and preneoplastic lesions. Change in claudin composition can alter epidermal permeability and cell polarity. Efficiency of oncological treatment modalities is frequently based on oxidative stress damage. Nrf2-inhibition could offer the means to increase the sensitivity of cancerous tissue to oxidative insults and hinder proliferative and survival signalling. Later research should focus on the relation of Nrf2 with other signalling and observations made from the tumour microenvironment. / Tiivistelmä Iho on elimistön suurin elin, ja se suojaa meitä auringon ultravioletti (UV)-säteilyltä ja muilta ulkoisilta tekijöiltä. UV-säteily on yhteinen etiologinen tekijä ihon levyepiteelikarsinoomalle ja melanoomalle, jotka aiheuttavat maailmanlaatuisesti paljon sairastavuutta ja kuolleisuutta. Reaktiivisia happiradikaaleja muodostuu esimerkiksi soluhengityksestä ja UV-säteilystä, ja ne voivat reagoida minkä tahansa makromolekyylin kanssa aiheuttaen vaurioita solun perimäainekseen, proteiineihin ja lipidirakenteisiin. Oksidatiivisen stressin (OS) säätely on tärkeä homeostaattinen prosessi, joka vinoutuu syöpäsolujen hyödyksi. Nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2) on antioksidanttivasteen pääsäätelytekijä, ja sen ilmentyminen on lisääntynyt useissa syövissä lisäten syöpäsolun selviytymistä ja kasvua. Tutkimme potilasaineiston ja immunohistokemian avulla OS:n merkkiaineiden muutoksia melanoomassa ja niiden merkitsevyyttä taudin ennusteelle. Nrf2:n ilmentyminen on lisääntynyt melanoomassa liittyen syvempään invaasioon ja huonompaan tautispesifiseen ennusteeseen. Lisäksi epiteliaali-mesenkymaalitransition merkkiaineiden, Slug, Twist ja Zeb1 ekspression muutoksia havaittiin syvyyskasvun ja metastasoinnin yhteydessä assosioituen myös Nrf2 ilmentymiseen. In vitro- tutkimus osoitti spesifisten inhibiittoreiden avulla, että BRAF- ja NRAS-mutaatiot saattavat aktivoida Nrf2 melanoomassa. Myös Nrf2:n säätelemän entsyymin peroksiredoksiini I:n ilmentyminen on vähentynyt melanoomassa ja metastaaseissa verrattuna hyvänlaatuisiin pigmenttiluomiin. Merkittäviä muutoksia havaittiin myös melanoomaa ympäröivistä rakenteista, esimerkiksi OS:n vauriomarkkerin 8-hydroksi-2’-deoksiguanosiinin vähentynyt ilmentyminen endoteelisoluissa liittyi huonompaan tautispesifiseen ennusteeseen. Lisäksi tutkimme soluväliliitosproteiinien klaudiinien 1–5 sekä 7 ilmentymistä levyepiteelikarsinoomissa ja niiden esiasteissa. Klaudiinien muutokset voivat vaikuttaa ihon permeabiliteettiin ja solujen polarisaatioon. Onkologisten hoitomuotojen teho perustuu usein happiradikaalien aiheuttamiin vaurioihin. Nrf2-inhibitio voisi tarjota keinon lisätä syöpäkudoksen herkkyyttä näille vaurioille sekä estää syöpäsolun selviytymissignalointia. Tulevat tutkimukset tulisivat keskittyä Nrf2 signaloinnin ja muun solusignaloinnin välisiin suhteisiin sekä havaintoihin kasvaimen mikroympäristön muutoksista.

Abstract Lymphomas are a group of more than 70 different malignancies arising from lymphoid tissues and diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) is the most common subtype of lymphoma. More than 70% of DLBCL patients can be cured with modern therapy, but some patients still die of the disease. The recognition of patients with adverse prognosis, justifying deviation from standard treatment and risking severe side effects, is problematic. The aim of this study was to identify potential biological factors for the prediction of poor treatment response and central nervous system (CNS) relapse in DLBCL patients. The study included 263 lymphoma patients. 205 patients had a DLBCL, and 37 of these represented primary CNS lymphoma (PCNSL). Immunohistochemistry was used to determine the expression of oxidative stress markers 8-hydroxydeoxyguanosine (8-OHdG) and nitrotyrosine, as well as antioxidant enzymes manganese superoxide dismutase (MnSOD), thioredoxin (Trx) and gamma cysteine ligase (GCL) from samples representing reactive lymphoid tissue and B-cell derived lymphomas. From DLBCL samples staining was also conducted for cell cycle regulating proteins p16, p53, p21 and p27 and chemokine receptors CXCR4, CXCR5 and CCR7. Immunoelectron microscopy (IEM) for CXCR4 and CXCR5, and their ligands CXCL12 and CXCL13 was performed on additional samples from reactive lymphoid tissue, nodal DLBCL, secondary CNS lymphoma and PCNSL. Factors associated with adverse prognosis included expression of nitrotyrosine, Trx and GCL. A prognostic score reflecting the degree of cell cycle dysregulation within each patient’s tumour identified 3 distinct prognostic groups among DLBCL patients. High cytoplasmic CXCR5 expression was associated with CNS involvement, whereas nuclear CXCR4 expression correlated with nodal disease. These results demonstrate the considerable biological heterogeneity seen within DLBCL, but further research is needed to confirm them. High antioxidant activity and the accumulation of damage to cell cycle regulating pathways separated patient groups with a poor prognosis that might benefit from new types of treatment. Chemokine receptor expression seems to play a role in the CNS tropism of DLBCL, and, if confirmed, could in the future contribute to more effective targeting of CNS prophylactic therapies. / Tiivistelmä Lymfoomat ovat yli 70 erilaisen maligniteetin muodostama ryhmä imukudoksen syöpiä, ja diffuusi suurisoluinen B-solulymfooma (engl. DLBCL) on yleisin lymfoomatyyppi. Yli 70 prosenttia DLBCL-potilaista pystytään parantamaan nykyaikaisilla hoidoilla, mutta osa potilaista kuolee edelleen tautiin. Nämä potilaat tarvitsisivat tehokkaampia hoitoja vakavien haittavaikutusten riskistä huolimatta, mutta huonon ennusteen potilaiden tunnistaminen etukäteen on vaikeaa. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää biologisia tekijöitä DLBCL-potilaiden hoitovasteen ja taudin keskushermostossa (engl. CNS) uusiutumisen ennustamiseen. Aineisto sisältää 263 lymfoomapotilasta. 205 potilaalla on DLBCL, ja 37:llä näistä primaari aivolymfooma (PCNSL). Immunohistokemiallisilla värjäyksillä määritettiin oksidatiivisen stressin markkereiden 8-hydroksideoksiguanosiinin (8-OHdG) ja nitrotyrosiinin, sekä antioksidanttientsyymien mangaanisuperoksidi-dismutaasin (MnSOD), tioredoksiinin (Trx) ja gammakysteiiniligaasin (GCL) ilmentyminen reaktiivista imukudosta sekä B-soluperäisiä lymfoomia edustavissa näytteissä. DLBCL-näytteistä määritettiin lisäksi solusykliä säätelevien proteiinien p16, p53, p21 ja p27 sekä kemokiinireseptorien CXCR4, CXCR5 ja CCR7 ilmentyminen. Lisäksi reaktiivista imukudosta, imusolmuke-DLBCL:aa, sekundaarista CNS-lymfoomaa ja PCNSL:aa edustavista näytteistä määritettiin immunoelektronimikroskooppisesti reseptorien CXCR4 ja CXCR5 sekä ligandien CXCL12 ja CXCL13 ilmentyminen. Tulosten mukaan voimakas nitrotyrosiini-, Trx- ja GCL-positiivisuus ovat yhteydessä huonoon ennusteeseen. Solusyklin säätelyhäiriön vaikeusastetta kuvaava ennusteellinen pisteytys jaotteli DLBCL-potilaat kolmeen ennusteelliseen ryhmään. Runsas sytoplasminen CXCR5-positiivisuus oli yhteydessä CNS-tautiin, kun taas tumapositiivisuus CXCR4:lle korreloi imusolmuketautiin. Tutkimustulokset kuvaavat DLBCL:n merkittävää biologista heterogeenisyyttä, mutta tulosten varmistamiseksi tarvitaan lisää tutkimuksia. Korkea antioksidanttiaktiivisuus ja solusyklin säätelyhäiriöiden kasautuminen erottivat huonoennusteisia potilasryhmiä, jotka voisivat hyötyä uudenlaisista hoidoista. Kemokiinireseptorien ilmentyminen vaikuttaisi olevan yhteydessä DLBCL:n CNS-hakuisuuteen, ja tulosten varmistuessa ekspressioprofiilien analysointia voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää ennaltaehkäisevien hoitojen tehokkaammassa kohdentamisessa.

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.