Abstract Flocculation plays a critical role in the activated sludge process, where flocs are removed by settling and where unsatisfactory flocculation is resulting in poor effluent quality. Control and operation of the process is also challenging as it is sensitive to external and internal disturbances. Furthermore, stricter environmental demands are also being placed on wastewater treatment and discharge quality thus solutions are needed to improve the current systems. A novel optical monitoring method employing a tube flow and a CCD camera was developed to characterize the flocs and filaments of the sludge, and the method was tested on samples from full-scale activated sludge plants. An online device operating on the same principle was also developed and this was tested over a period of eight months at municipal wastewater treatment plant. Optical monitoring was employed in the laboratory to study the breakage of activated sludge flocs. Based on the image analysis data, in the industrial plant the major breakage process was large-scale fragmentation. In the two municipal plants, it was surface erosion. The flocs had more filaments and were more irregular in shape in the industrial plant, which could be the reason for the large-scale fragmentation. The effect of floc morphology on the effluent clarity of the activated sludge process was studied in the industrial and municipal activated sludge plants by optical monitoring over periods of three months and eight months, respectively. The changes in floc morphology took place slowly in both plants. Four major factors that correlated with the purification results were the size and shape of the flocs and the quantities of small particles and filaments. The image analysis results suggested that the settling problem that occurred during the test periods in the industrial plant was caused by dispersed growth, whereas that in the municipal plant was caused by filamentous bulking. In conclusion, it is possible to use the developed method online in order to analyse the state of flocculation. Thus the method could be useful when developing online monitoring applications for quantifying floc characteristics and for diagnosing the causes of settling problems in the wastewater treatment plants. / Tiivistelmä Aktiivilieteprosessissa flokkulaatiolla on merkittävä rooli, sillä muodostuneet flokit poistetaan prosessista laskeutuksen avulla. Siten huono flokkulaatio johtaa puhdistetun jäteveden kiintoainemäärän lisääntymiseen. Prosessin säätö ja operointi on kuitenkin hankalaa, sillä aktiivilieteprosessi on herkkä ulkoisille ja sisäisille häiriöille. Jätevedenpuhdistukseen liittyvät ympäristövaatimukset ja päästöehdot vesistöihin ovat myös tiukentuneet, joten uusia menetelmiä tarvitaan parantamaan nykyisiä prosesseja. Tässä työssä kehitettiin uusi, optinen kuvantamismenetelmä karakterisoimaan flokkeja ja rihmoja. Menetelmä hyödyntää putkivirtausta ja CCD-kameraa ja sitä testattiin aktiivilietelaitosten näytteillä. Lisäksi kehitettiin samaa periaatetta noudattava online-laitteisto, jota testattiin kahdeksan kuukauden ajan. Optista kuvantamista testattiin laboratoriossa flokkien hajoamistutkimuksessa. Kuva-analyysitulosten perusteella kahden kunnallisen aktiivilietelaitoksen flokit hajosivat pintaeroosioon perustuvan mallin mukaan ja teollisen aktiivilietelaitoksen flokit hajosivat fragmentaatiomallin mukaan. Teollisen aktiivilietelaitoksen flokeissa oli enemmän rihmoja ja ne olivat epäsäännöllisemmän muotoisia, mikä voi olla syynä flokkien fragmentaatioon. Flokkien morfologian vaikutus jäteveden puhdistustuloksiin tutkittiin teollisessa (kolmen kuukauden ajan) ja kunnallisessa (kahdeksan kuukauden ajan) aktiivilietelaitoksessa optisella kuvantamismenetelmällä. Molemmissa laitoksessa muutokset flokkien morfologiassa tapahtuivat hitaasti. Neljä tärkeintä tekijää, jotka korreloivat puhdistustulosten kanssa, olivat flokkien koko ja muoto sekä pienten partikkelien ja rihmojen määrä. Kuva-analyysitulosten perusteella laskeutumisongelma teollisessa jätevesilaitoksessa johtui flokinmuodostajabakteerien liian pienestä määrästä ja kunnallisessa jätevesilaitoksessa rihmamaisten bakteerien liikakasvusta. Yhteenvetona voidaan todeta, että kehitettyä menetelmää on mahdollista käyttää online-mittarina sekä sen avulla voidaan arvioida flokkulaation tilannetta. Siten menetelmää on mahdollista hyödyntää flokkien ominaisuuksien karakterisoinnissa ja arvioidessa jätevedenkäsittelylaitoksen laskeutumisongelmien aiheuttajaa.

Abstract The chemicals currently used for wastewater treatment are mainly based on synthetic inorganic or organic compounds. Oil-derived polyelectrolytes are used for the removal of colloidal solids from wastewater by flocculation and coagulation, for example, while activated carbon adsorbents are typically used to remove soluble impurities such as heavy metals and recalcitrance organic matter. Many of these chemicals have associated negative health impacts, and use of activated carbon has proved to be expensive. Moreover, the present synthetic chemicals are not readily biodegradable or renewable. Thus there is a high demand for “green” water chemicals which could offer a sustainable solution for achieving high-performance, cheap water purification. Water chemicals of a new type based on nano-scale particles (nanofibrils) derived from cellulose, i.e. nanocelluloses, are examined as possible bio-based chemicals for wastewater treatment. Two anionic nanocelluloses (dicarboxylic acid, DCC, and sulphonated ADAC) were tested as flocculants in the coagulation-flocculation treatment of municipal wastewater, while the flocculation performance of cationic nanocellulose (CDAC) was studied with model kaolin clay suspensions, and nanocelluloses produced from sulphonated wheat straw pulp fines (WADAC) were tested for the adsorption of lead (Pb(II)). The anionic nanocelluloses (DCC and ADAC) showed good performance in treating municipal wastewater in a combined coagulation-flocculation process with a ferric coagulant. In the case of both anionic nanocelluloses the combined treatment resulted in a lower residual turbidity and COD in a settled suspension with highly reduced total chemical consumption relative to coagulation with ferric sulphite alone. Likewise, the CDACs resulted in powerful aggregation of kaolin colloids and maintained effective flocculation performance over wide pH and temperature ranges. The capacity of the nanofibrillated and sulphonated fines cellulosics (WADAC) for the adsorption of Pb(II) was 1.2 mmol/g at pH 5, which is comparable to the capacities of commercial adsorbents. / Tiivistelmä Jätevesien kemiallinen käsittely pohjautuu pääsääntöisesti synteettisten epäorgaanisten ja orgaanisten kemikaalien käyttöön. Öljypohjaisia polyelektrolyytteja käytetään kolloidisten partikkeleiden poistamiseen jätevesistä koaguloimalla ja flokkuloimalla, kun taas liuenneita epäpuhtauksia, kuten raskasmetalleja, poistetaan useimmiten adsorboimalla ne aktiivihiileen. Synteettiset vesikemikaalit valmistetaan uusiutumattomista luonnonvaroista ja niiden hajoaminen luonnossa voi olla hidasta, minkä lisäksi monet näistä käytetyistä synteettisistä vesikemikaaleista ovat terveydelle haitallisia. Aktiivihiilen käyttö puolestaan on kallista, johtuen sen korkeista valmistus- ja käyttökustannuksista. Uusille ”vihreille vesikemikaaleille, jotka tarjoavat ympäristöystävällisempiä, halpoja sekä tehokkaita ratkaisuja vedenpudistukseen, onkin suuri kysyntä. Tässä työssä selluloosasta valmistettuja nanokokoisia partikkeleita, eli nanoselluloosia, on tutkittu yhtenä varteenotettavana biovaihtoehtona uusiksi kemikaaleiksi jätevesien puhdistukseen. Kahden anionisen nanoselluloosan (dikarboksyyli, DCC, ja sulfonoitu, ADAC) flokkauskykyä testattiin koagulointi-flokkulointi reaktioissa kunnallisen jäteveden puhdistuksessa. Kationisen nanosellun (CDAC) flokkauskykyä tutkittiin puolestaan kaoliinisaven malliliuoksilla ja vehnän korsisellun hienoaineista nanofibrilloimalla sekä sulfonoimalla valmistetuilla (WADAC) nanoselluloosamateriaaleilla testattiin lyijyn (Pb(II)) adsorptiota vesiliuoksista. Anioniset nanoselluloosat (DCC ja ADAC) toimivat tehokkaasti kunnallisen jäteveden flokkauksessa ferri-sulfaatin kanssa yhdistetyissä koagulointiflokkulointi reaktioissa. Yhdistetyissä reaktioissa molemmat anioniset nanoselluloosat vähensivät sameutta sekä COD pitoisuutta laskeutetuissa jätevesinäytteissä huomattavasti pienemmillä kemikaalikulutuksilla paremmin kuin pelkästään ferri-sulfaatilla koaguloitaessa. Myös CDAC:t toimivat tehokkaasti flokkauksessa keräten tehokkaasti kaoliinin kolloidipartikkeleita yhteen laajalla pH- ja lämpötila-alueella. Nanofibrilloidun ja sulfonoidun vehnäsellun hienoaineen (WADAC) adsorptiokapasiteetti lyijylle Pb(II) oli 1.2 mmol/g pH:ssa 5, mikä on verrannollinen kaupallisten adsorptiomateriaalien kapasiteettiin.

Abstract Community assembly results from a combination of deterministic and stochastic mechanisms, whose relative effects can vary in response to environmental heterogeneity, connectivity, disturbance regimes and anthropogenic stressors. Understanding how community assembly mechanisms vary in response to environmental changes and connectivity is crucial for the management and conservation of river ecosystems. In this thesis, I tested the effects of connectivity and natural flow disturbances on riverine invertebrate communities by assessing assembly mechanism changes in response to (I) habitat connectivity, (II) seasonal flow intermittency and (III) inter–annual hydrological variability. I also conducted a field experiment to test for (IV) the effects of human–induced nutrient enrichment on community assembly of microorganisms (diatoms and aquatic fungi) and stream ecosystem functioning under different environmental settings. Invertebrate community assembly changed gradually with habitat connectivity. While limited dispersal resulted in higher community variability in the most isolated streams, mass effects caused community homogenization in the most connected ones. Natural and human induced disturbances lead to changes in the relative importance of deterministic and stochastic factors but often through different, or even opposite, mechanisms depending on the natural background of the ecosystem and organism type considered. For instance, seasonal drying and high–flow periods in intermittent Mediterranean rivers promoted deterministic and stochastic assembly processes respectively, whereas environmental sorting and stochastic processes respectively dominated during high and low flow years in boreal streams. Diatom and fungal communities responded differently to nutrient enrichment, with detrital processes and fungal communities responding more in naturally acidic than in circumneutral streams. The results of this thesis highlight the complexity of community assembly mechanisms: they tend to be highly context dependent and temporally variable. Therefore, stream bioassessment and conservation will benefit from explicitly incorporating connectivity and natural disturbance regimes. Assessing the interactive effects of connectivity and disturbances at the river network scale would provide a greater understanding of community assembly mechanisms and river ecosystem functioning. / Tiivistelmä Eliöyhteisöjen koostumus heijastelee determinististen ja stokastisten mekanismien vuorovaikutusta. Niiden suhteellinen merkitys vaihtelee suhteessa yhteisöjen kytkeytyneisyyteen sekä luontaisiin ja ihmisen aiheuttamiin häiriöihin. Yhteisöjen säätelymekanismit vaihtelevat jokiverkoston eri osissa ja tietoa tästä vaihtelusta tarvitaan jokiekosysteemien hoidon kehittämiseksi. Tässä tutkielmassa testasin elinympäristöjen kytkeytyneisyyden ja luontaisten häiriöiden (virtaamavaihtelut) vaikutuksia jokien selkärangatonyhteisöihin. Suoritin myös kenttäkokeen, jossa testattiin ihmisen aiheuttaman rehevöitymisen vaikutuksia mikro–organismeihin (piilevät, mikrobit) ja ekosysteemitoimintoihin erilaisissa ympäristöoloissa (luontaisesti happamat vs. neutraalit purot). Selkärangattomien yhteisökoostumus muuttui asteittain jokiverkostossa. Yhteisökoostumuksen vaihtelu oli suurinta eristäytyneimmissä latvapuroissa, kun taas isommissa, uomaston keskivaiheilla sijaitsevissa koskissa voimakas levittäytyminen eri suunnista (ns. massatekijät) aiheutti yhteisöjen rakenteen homogenisoitumista. Kuivuusjaksot ja niitä seuraavat korkean virtaaman jaksot edistivät determinististen prosessien merkitystä Välimeren alueen joissa, kun taas boreaalisissa puroissa Pohjois–Suomessa äärevät virtaamaolot, erityisesti poikkeuksellisen kuivat kesät, edistivät satunnaismekanismien vaikutusta. Perustuottajat (piilevät) ja hajottajat (akvaattiset sienet) vastasivat eri tavoin ravinnelisäykseen. Sienten hajotustoiminta nopeutui ravinnelisäyksen myötä, mutta vain luontaisesti happamissa puroissa. Tämän opinnäytetyön tulokset korostavat yhteisön kokoonpanomekanismien monimutkaisuutta: ne ovat usein erittäin tilanneriippuvaisia ja ajallisesti vaihtelevia. Siksi jokien ekologisen tilan arvioinnissa tulisi huomioida tutkimuspaikkojen kytkeytyneisyys jokimaisemassa.

Abstract The effect of biodiversity loss and change on the functioning of ecosystems is one of the key questions in ecological research. For stream ecosystems, compelling evidence indicates that species diversity may enhance ecosystem functions. However, ecosystem functions are often regulated by the same environmental factors that also shape diversity; thus, a major challenge for ecologists is to separate the effects of biodiversity loss on the ecosystem functions from the direct effects of human induced disturbance. In this doctoral thesis, I studied how decomposer communities and ecosystem functions respond to human disturbances (nutrient enrichment, acidification) and a natural stressor (naturally low water pH). I also studied how human disturbances and natural stressors affect the phylogenetic structure of stream fungal communities. I showed that human disturbance had a strong impact on species dominance patterns by reducing species evenness. Species dominance patterns also explained the variation in decomposition rates. Changes in abiotic variables also had a direct effect on leaf decomposition rates. In the naturally acidic sites, human impact (land drainage) further decreased water pH and increased metal concentrations, thereby reducing leaf decomposition rates, whereas high nutrient concentrations enhanced leaf decomposition. Naturally low pH had no effect on decomposition rates. Decomposer community similarity was higher in drainage-impacted sites, but only in naturally acidic, not in circumneutral, streams. Human induced disturbance also modified the phylogenetic similarity of fungal decomposer communities, with communities in disturbed sites consisting of more closely related species when compared to those in circumneutral reference sites. Leaf litter decomposition showed greater temporal variation in human disturbed sites than in reference sites, whereas fungal community variability was similar in disturbed and reference sites. Thus, temporally replicated monitoring may be needed for a reliable assessment of human disturbance in streams. My thesis emphasizes that using both functional and taxonomic measures allows a more comprehensive assessment of biological responses to human disturbance. / Tiivistelmä Biodiversiteetin väheneminen ja siitä seuraava ekosysteemin toiminnan heikkeneminen on eräs keskeisimmistä ekologisista kysymyksistä. Ekosysteemin toiminnot ovat kuitenkin monesti yhteydessä ympäristöolosuhteisiin, joten on vaikea erottaa vähentyneen biodiversiteetin ja ympäristöolojen suhteellista merkitystä ekosysteemien toimintoihin. Tässä väitöskirjatyössäni tutkin, kuinka virtavesien hajottajayhteisöt ja ekosysteemin toiminnot (lehtikarikkeen hajotus) muuttuvat valuma-alueen ihmistoimintojen myötä. Tutkin myös, kuinka luontainen stressi (matala pH) vaikuttaa yhteisöihin ja ekosysteemin toimintoihin. Tarkastelen myös akvaattisten sienten fylogeneettistä rakennetta ihmistoiminnan muuttamissa vesiympäristöissä. Osoitan tutkimuksissani, että ihmistoiminnoilla on vaikutuksia hajottajayhteisöiden kokonaisrunsauden jakautumiseen lajien kesken. Muutamien runsaiden lajien dominoimissa yhteisöissä lehtikarikkeen hajoaminen on tehokkaampaa kuin yhteisöissä, joissa lajien runsauserot ovat pienempiä. Myös ympäristöoloilla on vaikutus lehtikarikkeen hajotukseen. Luontaisesti happamissa puroissa metsäojituksen seurauksena lisääntynyt veden metallipitoisuus ja alhainen pH vähentävät hajotuksen määrää. Toisaalta joen korkea ravinnepitoisuus lisää hajotusta. Lehtikarikkeen hajotus vaihtelee enemmän vuosien välillä ihmistoimintojen muuttamissa virtavesissä kuin luonnontilaisissa vesissä. Toisaalta sieniyhteisöt pysyvät koostumukseltaan samankaltaisina vuosien välillä ihmistoiminnan muuttamissa paikoissa ja referenssipaikoissa. Tämä työ osoittaa, että toiminnallisten ja yhteisöihin perustuvien indikaattorien yhteiskäyttö antaa kokonaisvaltaisimman kuvan ihmistoimintojen vaikutuksesta virtavesien ekosysteemeihin.

Abstract As human activities are increasingly affecting natural communities, many communities are impacted by multiple stressors and their interactions. Understanding how natural and anthropogenic stressors act individually and in concert is essential for managing and conserving natural ecosystems efficiently. In this thesis I studied how geology-related natural acidity, land drainage and their interaction affect biological communities and leaf decomposition in boreal headwater streams. I further assessed the concordance of communities along natural and anthropogenic stressor gradients. As model organisms, I used benthic diatoms, bryophytes, invertebrates and leaf-decomposing fungi. I showed that geology-related natural acidity constitutes a strong environmental filter for stream communities, reducing species richness and changing community composition. Community concordance was also generally strongest along the natural acidity gradient. However, natural acidity mostly did not homogenize communities nor did it affect leaf decomposition by fungi. Effects of peatland drainage differed between the two stream types, being mainly sedimentation in the circumneutral streams and increasing metal concentrations in the acid streams. Overall, changes in community composition were better able than pure species richness to track single stressor impacts. Furthermore, fungal assemblages were more homogeneous and decomposition rates slower in drained acidic sites than in any other stream type. Thus the drainage-induced shift in water chemistry in the acidic streams seems to constitute an even stronger environmental filter than sedimentation. Conservation planning needs to give special attention to these vulnerable, naturally stressful ecosystems. / Tiivistelmä Ihmistoiminnan vaikuttaessa yhä enemmän luonnon elinympäristöihin eliöyhteisöihin kohdistuu usein samanaikaisesti monenlaisia paineita. Ekosysteemien tehokas hoitaminen ja suojelu edellyttävät tarkkaa tietoa siitä, miten luonnollinen stressi ja ihmistoiminta yhdessä ja erikseen vaikuttavat ekosysteemeihin. Väitöskirjassani tutkin, kuinka geologiasta johtuva luonnollinen happamuus ja metsäojitus vaikuttavat boreaalisten purojen eliöyhteisöihin ja lehtikarikkeen hajotukseen. Tarkastelin myös eliöryhmien yhdenmukaisuutta ihmistoimintagradientilla ja luonnollisella stressigradientilla. Malliorganismeinani olivat piilevät, vesisammalet, pohjaeläimet ja hajottajasienet. Väitöskirjassani osoitan, että geologiasta johtuva puroveden happamuus toimii merkittävänä ympäristösuodattimena purojen eliöyhteisöille vähentäen lajirunsautta ja muokaten lajistoa. Myös eliöryhmien lajistovaihtelu oli yhdenmukaisinta luonnollisella happamuusgradientilla. Toisaalta luonnollinen happamuus ei vaikuttanut merkittävästi lehtikarikkeen hajotukseen tai purojen väliseen sieniyhteisöjen monimuotoisuuteen. Metsäojituksen fysikaalis-kemiallinen vaikutus erosi purotyypeittäin: pH-neutraaleissa puroissa ojitus pääosin lisäsi pohjan hiekoittumista, kun taas happamissa puroissa veden metallipitoisuudet kasvoivat entisestään. Yleisesti ottaen sekä luonnollisen happamuuden että metsäojituksen vaikutukset näkyivät parhaiten muutoksina eliöyhteisöjen lajikoostumuksessa. Lisäksi ojitetuissa happamissa puroissa hajottajasieniyhteisöjen lajistot olivat keskenään samankaltaisempia ja lehtikarikkeen hajotus hitaampaa kuin muissa purotyypeissä. Metsäojituksen aikaansaama muutos luonnollisesti happamien purojen vesikemiassa näyttää siis olevan jopa merkittävämpi ympäristösuodatin kuin pohjan hiekoittuminen. Luonnollisesti stressattujen elinympäristöjen herkkyys maankäytön muutoksille tulisikin huomioida ympäristön hoidon suunnittelussa nykyistä paremmin.

Abstract Cancer progression is a multistep process dependent on tumour-stroma interactions. Various cell types, such as fibroblasts, endothelial, inflammatory and stem cells, as well as extracellular matrix (ECM) proteins, such as collagens, contribute to the tumour outcome. Tumour growth and invasion is accompanied by the proteolysis of ECM components mediated by various enzymes, such as matrix metalloproteases (MMPs). Proteolytic fragments released into the circulation may reflect cancer progression. The aim of this study was to develop novel in vitro methods for investigating cell invasion and for measuring cancer-associated collagen degradation. Human carcinoma cell invasion studies in vitro are often performed in organotypic cell culture models, mainly composed of rat or mouse ECM proteins. To create a human microenvironment for invasion studies, a novel organotypic model based on human uterine myoma (benign tumour) tissue was developed. Compared to the conventional collagen-based organotypic model, in the myoma model the carcinoma cell invasion depth was about eightfold and the invasion resembled, to a greater degree, the invasion pattern of dissected tissue samples of cancer patients. In addition, the invasion was easily quantified with a novel radioimmunoassay measuring type III collagen degradation products from the organotypic culture media. As human mesenchymal stem cells (MSCs) are one of the stromal cell types that may affect tumour progression, the mechanisms of stem cell invasion were also studied. On the surface of MSCs, Toll-like receptor 9 (TLR9) functions in immune defence against microbes. The activation of TLR9 with microbial DNA-resembling molecules induced human MSC invasion into the myoma tissue in a MMP-13-mediated fashion. To analyse cancer-associated soft tissue degradation, a novel enzyme immunoassay was developed. This novel assay enabled, for the first time, the measurement of type III collagen degradation products from human serum samples. In head and neck cancer patient sera, high levels of type III and type I collagen degradation products were shown to predict poor survival. In conclusion, the novel myoma model showed that the tumour microenvironment crucially affects carcinoma cell invasion. In addition, cancer-associated type III collagen degradation was successfully measured in cell cultures and in human sera by novel immunoassays. / Tiivistelmä Syövän eteneminen on monivaiheinen tapahtuma, jossa syöpäsolut ovat vuorovaikutuksessa lähiympäristönsä kanssa. Ympäristön eri solutyypit, kuten kantasolut ja sidekudoksen fibroblastit sekä soluväliaineen proteiinit kuten kollageenit, vaikuttavat syöpäsolujen invaasioon eli tunkeutumiseen ympäröivään kudokseen. Syövän invaasiossa useat entsyymit, mm. matriksin metalloproteaasit (MMP:t), hajottavat soluväliainetta. Kasvaimen kehittymisen aikana verenkiertoon vapautuu soluväliaineen hajoamistuotteita, joiden määrä voi kuvastaa sairauden etenemistä. Väitöstutkimuksen tarkoituksena oli kehittää uusia menetelmiä solujen invaasion ja syöpään liittyvän kollageenin hajoamisen tutkimiseen. Ihmisen karsinoomasolujen invaasion tutkimuksessa on perinteisesti käytetty kolmiulotteisia soluviljelymalleja, jotka koostuvat pääasiassa rotan tai hiiren soluväliaineproteiineista. Työssä kehitettiin uusi viljelymalli, jossa soluja kasvatettiin ihmisen hyvälaatuisen kohtukasvainkudospalan eli myooman päällä. Perinteiseen kollageenimalliin verrattuna myoomamallissa karsinoomasolut tunkeutuivat noin kahdeksan kertaa syvemmälle, ja solujen kasvu muistutti enemmän potilaiden syöpäkudosnäytteissä havaittua kasvutapaa. Invaasion voimakkuuden määrittämiseen kehitettiin vasta-aineisiin perustuva menetelmä, jolla mitattiin soluviljelmän kasvatusliuokseen myoomakudoksesta vapautuneiden tyypin III kollageenin hajoamistuotteiden määrää. Koska kantasolujen tiedetään voivan vaikuttaa syöpäkasvaimen leviämiseen, tutkimme myös ihmisen luuytimen kantasolujen invaasiota. Kantasolujen pinnalla TLR9-reseptori osallistuu immuunipuolustukseen mikrobeja vastaan. Kun reseptoria aktivoitiin mikrobi-DNA:ta muistuttavilla molekyyleillä, kantasolut alkoivat invasoitua myoomakudokseen ja MMP-13:n aktiivisuus soluissa lisääntyi. Syöpään liittyvän pehmytkudoksen hajoamisen tutkimiseksi kehitettiin vasta-ainemenetelmä, jolla onnistuttiin ensi kertaa mittaamaan potilaiden seeruminäytteistä tyypin III kollageenin hajoamistuotteita. Pään ja kaulan alueen syöpäpotilailla korkean tyypin III kollageenin hajoamistuotepitoisuuden todettiin liittyvän huonoon ennusteeseen. Tutkimus osoitti, että kasvaimen ympäristö vaikuttaa olennaisesti syöpäsolujen leviämiseen. Syöpään liittyvää tyypin III kollageenin hajoamista pystyttiin työssä kehitetyillä menetelmillä mittaamaan sekä soluviljelmistä että potilaiden seeruminäytteistä.

Abstract Cellular signaling by G protein-coupled receptors (GPCRs) governs a wide array of physiological functions throughout the body. The human δ-opioid receptor (hδOR) is a GPCR that modulates the sensation of pain and mood and has great potential for the treatment of pain and a variety of neurological disorders. A common single-nucleotide polymorphism (SNP) in the extracellular N-terminal tail of hδOR changes Phe to Cys at position 27. Using various biochemical and cell biological methods, the study demonstrates that several events during receptor biosynthesis and cell surface delivery are affected by the SNP. These events participate in the multifaceted regulation of the receptor and modulate receptor behavior at the cell surface. Two distinct pathways were shown to scrutinize the quality of the synthesized hδOR in the endoplasmic reticulum (ER) and target some for degradation in N-glycan-dependent and -independent ways. The hδORCys27 that matures inefficiently required N-glycan-mediated interactions with the lectin-chaperone calnexin to be expressed in a fully functional form at the cell surface, whereas the N-glycan-independent pathway was sufficient for hδORPhe27. For both variants, the N-glycan-independent quality control, which is likely to operate as a back-up pathway, led to a more rapid export from the ER and receptors at the cell surface that were less stable. Receptor dimerization emerged as an important regulatory step for receptor cell surface delivery. In co-transfected cells, interactions between the newly-synthesized variants led to the retention and subsequent ER-associated degradation of hδORPhe27. This dominant-negative attenuation of hδORPhe27 cell surface expression by hδORCys27 may have unpredictable consequences for opioid signaling in heterozygous individuals. Finally, the study shows that N-acetylgalactosamine (GalNAc)-type O-glycosylation catalyzed in the Golgi modulates hδOR expression at the cell surface by enhancing receptor stability and inhibiting constitutive downregulation. The modification of Ser residues in the receptor N-terminus by GalNAc-transferase 2 was affected by the SNP, which presents another distinction in the cellular processing of the two variants. The findings highlight the importance of the biosynthetic pathway in the regulation of GPCR behavior and pave way for strategies for treatments targeting GPCRs at this level. / Tiivistelmä Solujenvälisellä viestinnällä on keskeinen tehtävä kehon kaikissa toiminnoissa. δ-opioidireseptori (δOR) on solusignalointiin erikoistuneen kalvoproteiiniperheen (G-proteiiniin kytketyt reseptorit) jäsen, joka ohjaa kivuntuntemusta ja mielialoja. Sitä pidetään mahdollisena lääkekehityksen kohteena paitsi kivunlievityksen, myös useiden neurologisten häiriöiden hoidossa. δOR ilmenee kahtena polymorfisena muotona sen solunulkoisessa osassa tapahtuneen aminohappomuutoksen vuoksi (Phe27Cys). Työssä tutkittiin reseptorin glykosylaatiota ja dimerisaatiota, jotka säätelevät sen prosessointia, käyttäytymistä ja toimintaa. Käyttäen useita biokemiallisia ja solubiologisia menetelmiä työssä osoitettiin polymorfian vaikuttavan useisiin prosessointivaiheisiin ja muokkaavan siten reseptorin viestintää. Proteiinien laadunvalvontakoneiston havaittiin säätelevän reseptorin siirtymistä endoplasmakalvostolta solun pinnalle kahdella eri mekanismilla ohjaten osan reseptoreista hajotukseen. Toisin kuin Phe27-variantin, tehottomasti kypsyvän Cys27-variantin laadunvalvonta on riippuvainen reseptoriin liittyvistä N-glykaaneista ja näihin sitoutuvasta kaitsijaproteiinista, kalneksiinista. Reseptorivariantit, joista N-glykaanit puuttuvat, siirtyvät nopeammin solukalvolle, mutta ne ovat epästabiileja ja häviävät nopeasti solun pinnalta. Vaihtoehtoinen N-glykaaneista riippumaton laadunvalvontamekanismi sallii myös inaktiivisen Cys27-variantin pääsyn solun pinnalle. Varianttien dimerisoitumisen osoitettiin säätelevän niiden kuljetusta soluissa. Cys27-variantin havaittiin sitoutuvan Phe27-varianttiin aikaisessa biosynteesivaiheessa ja ohjaavan osan siitä hajotukseen. Tällä voi olla suuri merkitys opioidiviestinnässä molempia alleeleja kantavilla henkilöillä. Työssä havaittiin myös GalNAc-transferaasi-2-entsyymin ohjaavan Golgin laitteessa tapahtuvaa reseptorin O-glykosylaatiota. Se glykosyloi reseptorin solunulkoisen osan seriinitähteitä (Ser6, Ser25, Ser29), stabiloiden siten solun pinnan reseptoreita ja tehostaen niiden viestintää. Lisäksi havaittiin eroja varianttien O-glykosylaatiossa, mikä voi osaltaan selittää varianttien ilmentymisessä todettuja eroja. Tutkimus luo uutta tietoa biosynteesireitin merkityksestä G-proteiiniin kytkettyjen reseptorien säätelyssä sekä antaa pohjaa keinoille, joilla tätä voitaisiin hyödyntää farmakologisesti.