Abstract Cardiac loading induces left ventricular hypertrophy and cardiac remodeling which when prolonged, leads to heart failure, a complex syndrome affecting approximately 1-2% of the adult population of the Western world with a prevalence increasing with age. Pathological remodeling involves functional and structural changes that are associated with fetal gene expression, sarcomeric re-organization, hypertrophy of cardiomyocytes, fibrosis, inflammation, oxidative stress and impairment of metabolism. The aim of this study was to investigate the role of three novel factors during the cardiac remodeling process with different experimental models of cardiac overload. Phosphatase and actin regulator 1 (Phacr1) expression was rapidly downregulated due to myocardial infarction (MI). Adenovirus-mediated Phactr1 overexpression changed the skeletal α-actin to cardiac α-actin ratio in both healthy and infarcted rat hearts and cultured cardiomyocytes. Phactr1 could regulate the actin isoform switch via the serum response factor (SRF). The expression of transforming growth factor (TGF)- β-stimulated clone 22 (TSC-22) was rapidly induced by multiple hypertrophic stimuli and was also evident post-MI. In addition, TSC-22 could regulate collagen 3a1 expression in the heart. The expression of retinal degeneration 3-like (Rd3l) was downregulated in response to pressure overload and also downregulated post-MI. Rd3l knockout mice expressed increased myocyte hypertrophy and cardiac dysfunction in response to a transverse aortic constriction (TAC) induced pressure overload. This thesis provides novel information about Phactr1, TSC-22 and Rd3l in load-induced cardiac hypertrophy and remodeling. Collectively these studies increase our understanding of the regulatory mechanisms underlying the progression of heart failure. / Tiivistelmä Sydämen kuormitus saa aikaan vasemman kammion liikakasvun eli hypertrofian ja sydämen uudelleenmuovautumisen, mikä pitkittyessään johtaa sydämen vajaatoimintaan. Sydämen vajaatoiminta on monimutkainen oireyhtymä, josta länsimaissa kärsii noin 1-2 % aikuisväestöstä, ja esiintyvyys nousee iän myötä. Patologisessa uudelleenmuovautumisessa tapahtuu toiminnallisia ja rakenteellisia muutoksia, joihin liittyy muutoksia geenien ilmentymisessä, sarkomeerin uudelleen järjestäytymistä, sydänlihassolujen koon kasvua, fibroosia, tulehdusta, oksidatiivista stressiä ja aineenvaihdunnan huonontumista. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia kolmen uuden tekijän roolia sydämen uudelleenmuovautumisessa erilaisissa kokeellisissa sydämen kuormituksen malleissa. Fosfataasin ja aktiinin säätelijä 1:n (Phactr1) ilmentyminen väheni nopeasti infarktin seurauksena. Adenovirusvälitteinen Phactr1:n ylituotanto muutti luusto- ja sydänlihasaktiinien isomuotojen suhdetta sekä terveessä että infarktisydämessä, samoin viljellyissä sydänlihassoluissa. Phactr1 saattaa säädellä isomuotojen suhdetta seerumiresponsiivisen tekijän (SRF) avulla. Transformoituvan kasvutekijä β1:n stimuloima proteiini 22:n (TSC-22) ilmentyminen nousi nopeasti usean hypertrofisen stimuluksen seurauksena sekä infarktin jälkeen. Lisäksi TSC-22 voisi säädellä kollageeni 3a1:n ilmentymistä sydämessä. Retinan degeneroituvan proteiinin 3 kaltaisen tekijän (Rd3l) ilmentyminen väheni sekä painekuormituksen että infarktin seurauksena. Rd3l-poistogeenisillä hiirillä aortan ahtauman aiheuttama painekuormitus sai aikaan lisääntynyttä sydänlihassolujen hypertrofiaa ja sydämen toimintahäiriöitä. Tämä väitöskirjatutkimus tuo uutta tietoa Phactr1-, TSC-22- ja Rd3l-geeneistä kuormituksen aiheuttamassa sydämen hypertrofiassa ja uudelleenmuovautumisessa. Nämä tulokset auttavat osaltaan ymmärtämään monimutkaisia molekyylitason mekanismeja, jotka johtavat sydämen vaajatoiminnan kehittymiseen.

Abstract Changes in climate will impose abiotic stress on plant species, and eventually affect their distributional range. This is a particular challenge especially to tree species with long generation times and slow rates of evolution. In the boreal zone, most of these species also hold high economic value. The aim of the study was to enhance understanding of the abiotic stress coping strategies of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in its vulnerable early growth phase. In particular, the study evaluates the role of polyamine (PA) metabolism of Scots pine under abiotic stress. Polyamines (PAs) are small, ubiquitous nitrogenous compounds involved in fundamental biological processes of plants such as growth, organogenesis, embryogenesis and abiotic and biotic stress defence. The effects of different water availabilities and spring frost temperatures on shoots and roots of young seedlings were investigated in two growth chamber experiments. Proembryogenic liquid cell culture system was established and used as a controllable platform. Effects of polyethylene glycol (PEG) induced osmotic stress was investigated at the cellular level in liquid cultures. Responses to treatments were evaluated by quantifying changes in the expression of PA metabolism, stress, cell death and cell division -related genes, metabolite concentrations, as well as stress-induced physiology and morphology. The results revealed that PA metabolism is tissue specific and strictly regulated. Drought stress induced the accumulation of putrescine (Put) in photosynthesizing tissues, whereas the prime response to spring frost was a reorganization of root growth. Generally, drought and osmotic stress decreased the expression of PA catabolizing genes, leading to consistent PA levels in tissues even under severe stress. To conclude, PAs have a protective role in maintaining the growth and development of pine tissues subjected to abiotic stress. / Tiivistelmä Ilmastonmuutos vaikuttaa eri kasvilajien levinneisyyteen. Nopeasti muuttuva ilmasto on haaste erityisesti metsäpuulajeille, jotka pitkän sukupolvenvälin takia kehittyvät evolutiivisesti hitaasti. Erilaisten ympäristötekijöiden aiheuttamien puolustusaineenvaihdunnan muutosten tunteminen metsäpuilla on tulevaisuuden kannalta myös taloudellisesti tärkeää. Työn tavoitteena oli selvittää millainen merkitys polyamiineilla on metsämännyn (Pinus sylvestris L.) abioottisessa stressivasteessa. Polyamiinit (PAt) ovat pienimolekyylisiä typpiyhdisteitä, joiden tiedetään olevan mukana solujen perusaineenvaihdunnassa, kasvien kasvussa ja kehityksessä ja stressivasteissa. Tutkimus koostuu kolmesta kokeesta, joissa selvitettiin PA aineenvaihduntaa osana männyn taimien ja erilaistumattomien somaattisista alkioista peräisin olevien soluviljelmien stressivasteita. Kahdessa kokeellisessa tutkimuksessa männyn sirkkataimia altistettiin erilaisille kasvualustan vesipitoisuuksille ja keväthallan lämpötilaolosuhteille. Kolmannessa kokeessa PA aineenvaihdunnan reagointia osmoottiseen stressiin tutkittiin erilaistumattomissa somaattisissa epäkypsissä männyn alkiosta peräisin olevissa solukoissa kontrolloidussa nesteviljely-ympäristössä. Tutkimuksessa tarkastelin PA aineenvaihduntaa säätelevien geenien ilmenemistä ja PA pitoisuuksien muutoksia suhteessa kasvuun, kehitykseen ja stressissä indusoituvien geenien ilmenemiseen. Tulokset osoittavat, että PA aineenvaihdunta on tiukasti säädeltyä erilaisissa solukoissa. Taimien yhteyttävät solukot kerryttivät putreskiinia (Put) kuivuudessa. Ensimmäiset vasteet keväthallaolosuhteisiin havaittiin muutoksena juurten kasvun säätelyssä. Sekä kuivuus että osmoottinen stressi laskevat PA hajottavien geenien ilmenemistä, mikä on metsämännyn tapa ylläpitää tasaiset PA pitoisuudet solukoissa stressitekijöistä huolimatta. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että PA aineenvaihdunta on tärkeä metsämännyn kasvun ja kehityksen kannalta.

Abstract Obesity and dyslipidemia are major risk factors for type 2 diabetes, cardiovascular diseases (CVD), cancer, and musculoskeletal disorders. In prevention, the major goal is to limit calorie consumption and to reduce LDL-C and triglyceride. Dietary fiber (DF) intake is inversely related to body weight gain, insulin resistance, dyslipidemia, and CVD. This thesis investigated the effects of the DFs polydextrose (PDX) and lignin-rich insoluble residue (INS) from brewer’s spent grain (BSG) on lipid metabolism and obesity in diet-induced obese mice. In study 1, PDX was investigated on lipid metabolism in Western-diet-fed mice. We found that PDX reduced fasting plasma cholesterol and triglyceride, food intake, and increased bacteria such as Allobaculum, Bifidobacterium and Coriobacteriaceae in the gut. These changes in the gut microbiota with PDX were associated with downregulation of the genes Fiaf, Dgat1 and Cd36, and upregulation of Fxr in the intestine. We suggest that the hypolipidemic effect of PDX is exerted via diet-induced modification of gut microbiota and gene expression. In study II, INS from BSG was studied for its degradation products in mice fed with a fiber-deficient diet. We found that INS was partially degraded by gut microbiota and contributed to the phenolic pool. The major metabolite in mouse urine was 4-methylcatechol, a degradation product of lignin. In study III, the effects of INS from BSG were studied on lipid metabolism and obesity in high-fat diet-fed mice. INS showed hypocholesterolemic effects, reduced body weight and hepatic steatosis, and increased bacterial diversity, Clostridium leptum, and Bacteroides. INS increased bile acid excretion in the feces and upregulated the genes Srebp2, Hmgcr, Ldlr, Cyp7a1, Pparα, Fxr and Pxr in the liver. The present results suggest that INS from BSG induced beneficial systemic changes via bile acid and gut microbiota. In study IV, PDX was investigated for food intake and appetite-related parameters in healthy and overweight females in an acute study. A midmorning preload of 12.5 g PDX reduced hunger by 31.4% during satiation period while there was no significant change in energy intake compared to placebo. In addition, PDX lowered plasma insulin significantly, by 15.7%, and increased GLP-1 by 39.9%. PDX may reduce appetite, but a larger trial would be needed. / Tiivistelmä Liikalihavuus ja rasvatasapainon häiriöt ovat riskitekijöitä sydän- ja verisuonisairauksien, tyypin 2 diabeteksen, syövän sekä luuston ja lihaksiston sairauksien kehittymiseen. Näiden sairauksien ehkäisyssä pääasiallisena tavoitteena on vähentää energiansaantia, LDL-kolesterolia ja triglyseridejä. Ruoan ravintokuitujen saannin on osoitettu olevan yhteydessä painon ja plasman rasvatasojen laskuun sekä sydän- ja verisuonisairauksien vähenemiseen. Tässä tutkimuksessa selvitettiin ravintokuitu polydekstroosin (PDX) ja viljanjyvien prosessoinnista ylijäävän (BSG, brewer’s spent grain) ligniinipitoisen liukenemattoman sivutuotteen (INS) merkitystä rasva-aineenvaihduntaan ja aineenvaihduntasairauksiin liikalihavilla hiirillä. Tutkimuksessa I tarkasteltiin ravintokuitu PDX:n vaikutusta rasvojen aineenvaihduntaan länsimaisella ruokavaliolla ruokituilla hiirillä. Tutkimus osoitti, että ruokavalioon lisätty PDX alensi plasman kolesteroli- ja triglyseriditasoja paastossa sekä hillitsi ravinnonottoa ja lisäsi Allobaculum-, Bifidobacterium- ja Coriobacteriaceae-suolistobaktereja. Nämä suolistomikrobiston muutokset ovat yhteydessä Fiaf, Dgat1 ja Cd36 -geenien ilmentymistasojen laskuun ja Fxr -geenin ilmentymistason nousuun PDX-lisäruokittujen hiirien suolistossa. PDX:n hypolipideeminen vaikutus näyttäisi välittyvän ruokavaliosta johtuvan suoliston geenien ilmentymisen ja suolistomikrobiston muuttumisen kautta. Tutkimuksessa II tarkasteltiin runsaasti ligniiniä sisältävän INS:n hajoamistuotteiden vaikutusta aineenvaihduntaan hiirillä, joiden ruokavaliossa on vähemmän kuitua. Tutkimuksessa havaittiin, että suolistomikrobit hajottivat ravintokuitu INS:n osittain fenoliyhdisteiksi verenkiertoon. INS lisäsi virtsassa 4-metyylikatekolin määrää, joka on ligniinin hajoamistuote. Tutkimuksessa III tarkasteltiin INS-lisäyksen vaikutusta rasva-aineenvaihduntaan ja liikalihavuuteen korkearasvapitoisella ruokavaliolla ruokituilla hiirillä. Tulokset osoittivat, että INS-lisäys ruokavalioon alensi kolesterolia ja eläimen painoa sekä vähensi maksan rasvoittumista ja lisäsi vallitsevien bakteerien monimuotoisuutta, Clostridium leptum- ja Bacteroides -bakteereja. INS lisäsi sappihappojen erittymistä ulosteeseen ja Srebp2, Hmgcr, Ldlr, Cyp7a1, Pparα, Fxr ja Pxr -geenien ilmentymistä maksassa. Tuloksemme osoittivat, että BSG-ylijäämätuotteesta saatu ligniinipitoinen INS sai aikaan hyödyllisiä systeemisiä vaikutuksia suoliston mikrobiston ja sappihappojen muutosten kautta. Tutkimuksessa IV tarkasteltiin PDX:n vaikutusta ravinnonottoon ja ruokahaluun vaikuttaviin muuttujiin normaalipainoisilla ja liikalihavilla naisilla akuutissa tutkimuksessa. Tulosten mukaan ravintokuitu PDX:n nauttiminen aamiaisella vähensi näläntunnetta (31,4 %) seuraavalla aterioinnilla, kun taas plasebolla ei ollut vaikutusta. Lisäksi PDX alensi merkitsevästi insuliinitasoa (15,7 %) ja nosti GLP-1-tasoa (39,9 %). PDX vaikuttaisi vähentävän ruokahalua, mutta lisätutkimuksia tarvitaan.