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 Bronchiolitis is an infection of the small airways of the lung and is a common reason for infant hospitalizations. The most common causative pathogen is the respiratory syncytial virus (RSV). Genetic factors are thought to influence the risk of bronchiolitis, and better knowledge of bronchiolitis genetics will likely help to elucidate the disease process. Severe bronchiolitis in childhood may predispose to asthma. Therefore, an effective treatment of bronchiolitis may affect the present-day as well as lifelong respiratory health. In this project, we aimed to identify genetic loci of bronchiolitis susceptibility by a genome-wide association study (GWAS) and suitable follow-up studies, and to study a previously asthma-associated CDHR3 variant for association across five bronchiolitis populations by meta-analysis. We performed the GWAS on a Finnish-Swedish case-control population and identified several loci below the suggestive genome-wide significance level. Of these, three variants showed nominal associations in a replication population from the Netherlands. One of the loci affected KCND3 expression, and two others were intergenic variants with putative regulatory potential. In a follow-up study conducted on a GWAS sub population, we identified the NKG2D locus as a candidate of susceptibility to bronchiolitis. The genomic region encompassing NKG2D variants was reportedly associated with NKG2D mRNA and protein abundance. We validated the association between NKG2D genotypes and protein expression with flow cytometry. The association between NKG2D and bronchiolitis was supported by a Finnish replication study. The meta-analysis was performed on populations from Denmark, Finland, Sweden, Germany, and the Netherlands. A potential virus-specific role for the CDHR3 variant was detected in a population that comprised mostly RSV-negative cases. In conclusion, we identified new candidates of bronchiolitis susceptibility in GWAS and subsequent studies. We found the CDHR3 variant was a potential susceptibility factor in severe non-RSV bronchiolitis and asthma. Our preliminary results provide interesting starting points for further studies. In the future, better understanding of the disease mechanisms and the relationship of bronchiolitis and asthma could provide means to design new therapeutic options. / Tiivistelmä Bronkioliitti on viruksen aiheuttama alahengitystieinfektio, joka usein johtaa pienten lasten sairaalahoitoon. Yleisin bronkioliitin aiheuttaja lapsilla on respiratory syncytial -virus (RSV). Perintötekijöiden arvellaan altistavan bronkioliitille, joten uusi tieto altistavista geeneistä voi auttaa ymmärtämään taudin taustalla olevia biologisia mekanismeja. Lapsuusiän bronkioliitin ajatellaan voivan altistaa astmalle, joten bronkioliitin tehokas hoito voi vaikuttaa merkittävästi hengitysterveyteen myös pitkällä aikavälillä. Työssä pyrittiin selvittämään lapsuusajan bronkioliitille altistavia geneettisiä tekijöitä genominlaajuisella assosiaatiokartoituksella, joka toteutettiin suomalais-ruotsalaisessa tapaus-verrokkiväestössä. Löydökset pyrittiin varmentamaan soveltuvilla jatkotutkimuksilla. Lisäksi tarkastelimme astmalle altistavaa CDHR3-geenin polymorfismia viidessä eurooppalaisessa bronkioliittikohortissa käyttäen meta-analyysia. Assosiaatiokartoituksessa havaittiin useita mahdollisia bronkioliittialttiuteen vaikuttavia geenikohtia. Näistä kolme sai tukea hollantilaisessa väestössä tehdyssä assosiaatioanalyysissä, jossa testattiin assosiaatiokartoituksen lupaavimmat löydökset. Yksi altistavista polymorfismeista vaikutti KCND3-geenin ilmentymiseen, ja kaksi muuta olivat geenien välisiä, mahdollisesti geeninsäätelyyn osallistuvia variantteja. Assosiaatiokartoituksen osa-analyysissä NKG2D tunnistettiin mahdolliseksi bronkioliitille altistavaksi geeniksi. NKG2D-immuunireseptorin alentunut ilmentyminen voi tulostemme perusteella altistaa vakavalle bronkioliitille. Meta-analyysissä, jonka tutkimuskohortit olivat peräisin Tanskasta, Suomesta, Ruotsista, Saksasta ja Hollannista, todettiin mahdollinen yhteys CDHR3-geenin polymorfismin ja muun viruksen kuin RSV:n aiheuttaman bronkioliitin välillä. Toteutimme tässä työssä ensimmäisen genominlaajuisen bronkioliittialttiutta koskevan assosiaatiokartoituksen. Assosiaatiokartoituksessa, sitä seuranneissa jatkotutkimuksissa ja meta-analyysissä tunnistimme useita lupaavia alttiusgeenejä, mutta tuloksemme vaativat varmentamista suuremmissa tutkimusväestöissä.

Abstract Incidence of esophageal adenocarcinoma is rising rapidly in Western countries. The main risk factor for esophageal adenocarcinoma is Barrett’s esophagus. Barrett’s esophagus results from long-term gastroesophageal reflux disease. The gastrointestinal tract is colonized by bacteria, fungi and viruses forming the alimentary tract microbiome. Microbiome transformation is involved in pathogenesis of alimentary tract cancer and also in the development of Barrett’s metaplasia. Toll-like receptors (TLR) are molecules of the innate immune system and they are involved in bacterial and viral recognition and regulation of immune functions in the host and cancer cells. This thesis examined the effect of alimentary tract microbiome and cancer- on the function of TLRs in normal gastrointestinal epithelial cells. An additional focus of the thesis was also to assess the carcinogenetic effect of TLRs 1–9 in Barrett’s esophagus metaplasia – dysplasia – carcinoma sequence. Study material consisted of: a patient cohort, organ donors, conventional and germ-free mice. TLRs are expressed also in a “microbe-free” gut. There were significant differences in all TLRs between small- and large intestine of conventional mice and in humans. In germ-free mice that difference was not observed. Normal tissue sampled adjacent to the tumors of cancer patients can be used as controls in immunohistochemical TLR studies in gastrointestinal cancer Clinical data indicate that TLRs linearly increase toward dysplasia in Barrett’s esophagus. High cytoplasmic and nuclear TLR4 expression and TLR1 and 8 nuclear immunoreactivity in esophageal adenocarcinoma are associated with metastatic disease and poor prognosis. Based on our results, bacteria seem to downregulate TLR expression of the intestine. TLRs 1–9 apparently have a role in malignant progression of Barrett’s dysplasia. TLR1, TLR4 and TLR8 may represent a novel therapeutic target in esophageal adenocarcinoma. / Tiivistelmä Ruokatorven adenokarsinooma on länsimaissa nopeasti yleistyvä syöpätyyppi. Tämän syöpätyypin tärkein riskitekijä on Barrettin ruokatorvi, joka kehittyy pitkään jatkuneen gastroesofageaalisen refluksitaudin pohjalta. Ruuansulatuskanavassa on suuri määrä bakteereja, sieniä ja viruksia, jotka muodostavat yhdessä ruuansulatuskanavan mikrobiomin. Normaalin mikrobiomin muutokset ovat yhteydessä usean eri ruuansulatuskanavan syövän patogeneesiin ja myös Barrettin ruokatorven muodostumiseen. Tollin kaltaiset reseptorit ovat luontaisen immuniteetin molekyylejä, jotka osallistuvat bakteerien ja virusten tunnistukseen ja sääntelevät immuunivastetta sekä normaalitilanteessa että syövissä. Väitöskirjassa tutkitaan ruuansulatuskanavan mikrobiomin ja syövän vaikutuksia normaalien epiteelisolujen TLR:ien toimintaan. Lisäksi selvitetään TLR:ien karsinogeneettisiä vaikutuksia Barrettin ruokatorven metaplasia- dysplasia -adenokarsinoomasekvenssissä. Tutkimusmateriaalina käytetään potilaskohortista ja elinluovutuksista peräisin olevia potilasnäytteitä sekä normaalien ja bakteerittomien hiirien näytteitä. Tuloksemme osoittavat, että TLR:t ilmentyvät myös bakteerittomassa ruuansulatuskanavassa, ja TLR:en ilmentyminen oli merkittävästi voimakkaampaa ohutsuolessa kuin paksusuolessa normaaleilla hiirillä ja ihmisillä. Tätä eroa ei havaittu bakteerittomilla hiirillä. Ruuansulatuskanavan syöpien viereistä ja sen altistamaa tervettä kudosta voidaan käyttää terveenä kontrollina immunohistokemiallisissa TLR- tutkimuksissa. Kliinisessä aineistossa TLR:ien ilmentyminen kasvaa lineaarisesti kohti dysplasiaa Barrettin ruokatorvessa. TLR4:n korkea ilmentyminen solulimassa ja tumassa sekä TLR8:n ilmentyminen tumassa ovat yhteydessä metastaattiseen tautiin ja huonoon ennusteeseen. Tulosten perusteella bakteerit näyttävät heikentävän TLR:ien toimintaa suolistossa. Lisäksi kaikilla tutkituilla TLR:illä (1–9) näyttää olevan osuutta Barrettin dysplasian etenemisessä kohti syöpää. TLR1, TLR4 ja TLR8 ovat mahdollisia terapeuttisia kohteita ruokatorven adenokarsinoomassa.

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.