Abstract Cardiac hypertrophy is an adaptive response to increased cardiac workload. It is initially beneficial, since it helps to maintain cardiac output, but ultimately it is considered as an independent predictor for heart failure and sudden cardiac death. The cardiac hypertrophic response is triggered by mechanical and neurohumoral stimuli and is associated with the activation of complex changes in gene programming and intracellular signaling pathways. The purpose of this study was to investigate the expression of some novel load-induced factors i.e. melusin, thrombospondin (TSP)-1 and -4 and LIM and cysteine-rich domains protein 1 (LMCD1)/dyxin during the hypertrophic response. Melusin was expressed in cardiac tissue both in the atria and ventricles, furthermore its expression was very rapidly activated in response to multiple hypertrophic stimuli predominantly in the left atria. Melusin gene expression was activated when cultured cardiac myocytes were subjected to mechanical stretch or hypertrophic agonists such as endothelin-1 or angiotensin (Ang II). TSP-1 and TSP-4 gene expressions were rapidly activated at an early stage of pressure overload. Myocardial infarction (MI) induced the expression of both TSP-4 and TSP-1 mRNA in the heart. TSP-4 may also be an endothelial cell-specific marker of pressure overload since its expression was limited to endothelial cells in the adult heart. The expression of LMCD1/dyxin was found to be induced during the cardiac hypertrophic response and after MI. By itself, mechanical load was a critical regulator of LMCD1/dyxin gene expression. LMCD1/dyxin is a putative novel p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) target since adenovirus-mediated overexpression of p38 MAPK upregulated LMCD1/dyxin expression. In addition, during the Ang II-induced pressure overload p38 MAPK phosphorylation levels correlated with the early induction of LMCD1/dyxin expression. In conclusion, this study provides new information on the expression of melusin, TSP-1 and -4 and LMCD1/dyxin in the cardiac hypertrophic response. Early induction of their gene expression may represent an initial step in the adaptive and protective remodeling processes following increased workload in the heart. / Tiivistelmä Sydänlihas mukautuu lisääntyneeseen kuormitukseen lihassolujen koon kasvun eli hypertrofian avulla. Pitkittyessään hypertrofinen kasvu on kuitenkin tärkeä sydämen vajaatoimintaa ja äkkikuolemaa ennakoiva riskitekijä. Hypertrofisessa vasteessa mekaaninen venytys sekä neurohumoraaliset tekijät saavat aikaan solunsisäisten signaalinvälitysreittien aktivoitumisen, mikä johtaa lisääntyneeseen geenien luentaan ja proteiinituotantoon. Väitöskirjassa tutkittiin uusien kuormitusaktivoituvien tekijöiden, melusiinin, trombospondiini (TSP) -1:n ja -4:n sekä dyksiinin ilmentymistä hypertrofisen vasteen aikana. Melusiinia ilmentyy sydämessä sekä kammioissa että eteisissä, mutta painekuormituksen myötä se aktivoituu nopeasti pääasiassa vasemmassa eteisessä. Sydänlihassolujen soluviljelymallissa melusiinin luenta lisääntyy suoraan mekaanisen venytyksen ja hypertrofisten agonistien vaikutuksesta. Painekuormitus aktivoi nopeasti myös TSP-1:n ja -4:n luentaa sydämessä. TSP-1:n ja -4:n geeniluenta lisääntyy myös kokeellisessa sydäninfarktimallissa. Lisäksi sydämessä TSP-4:ää havaittiin olevan ensisijaisesti endoteelisoluissa. Dyksiinin ilmentyminen lisääntyi sekä painekuormituksen että sydäninfarktin aiheuttaman sydänlihaksen uudelleenmuovautumisen aikana. Mekaaninen kuormitus riitti jo yksinään aktivoimaan dyksiinin geeniluentaa sydämessä. Lisäksi mitogeeni-aktivoituvan p38-proteiinikinaasin havaittiin säätelevän dyksiinin ilmentämistä. Väitöskirjatyössä saatiin uutta tietoa sydänlihaksen kuormituksen aikaisista muutoksista geenien luennassa sydänlihaksessa. Työssä osoitettiin, että painekuormitus aktivoi sydämessä aiemmin vähän tutkittujen geenien, melusiinin, TSP-1:n ja -4:n sekä dyksiinin, ilmentymistä. Näiden tekijöiden aktivoituminen hypertrofisen vasteen alkuvaiheessa antaa viitettä siitä, että tekijät osallistuvat kuormittuneen sydänlihaskudoksen uudelleenmuovautumiseen. Melusiini voi toimia erityisesti eteiskudosta kuormitukselta suojaavissa mekanismeissa, kun taas TSP-4 osoittautui aktivoituvan painekuormituksessa nimenomaan endoteelisoluissa.

Abstract The eutrophication of the Baltic Sea continues despite decrease of the external phosphorus load by as much as 80% of the target confirmed by HELCOM. The aim of this thesis is to investigate this paradox, critically evaluate previous explanations for the persistent eutrophication, and to introduce a new diagnosis and paradigm for the causes and processes behind eutrophication of the Baltic Sea. According to the current consensus, anthropogenic nutrient loading is nearly the sole cause of eutrophication and regular cyanobacterial blooms. However, this study shows that the areal phosphorus loading rate, when modeled properly, is surprisingly low, and unlikely to be the primary cause of eutrophication. Instead, the frequency of the salt water pulses has decreased dramatically during the past 40 years. This is the root cause of eutrophication, via the hyper-vicious cycle of the hypoxic and finally anoxic conditions of the deeps causing internal phosphorus loading, denitrification, and nitrogen and carbon fixation. Furthermore, this work confirms that nitrogen fixation increases in low nitrogen conditions, further increasing eutrophication and cyanobacterial blooms. Thus, the most effective way to break the cycle of eutrophication is to improve the oxygen conditions of the deeps, which really is impossible to achieve by decreasing external loading alone. A key result of this work is that natural processes, rather than human activity, plays a decisive role in the eutrophication process – a perspective that typically faces substantial resistance. This thesis discusses how sociological and political views have affected the scientific community and its pursuit to model the mechanisms of eutrophication of the Baltic Sea. In conclusion, this study leads to important novel insights by providing new models for calculating the external and internal phosphorus loads of the Baltic Sea, with results highlighting the importance of natural processes of internal loading from the anoxic deeps. Altogether, this thesis introduces a new a paradigm for eutrophication of the Baltic Sea. / Tiivistelmä Itämeri rehevöityy edelleen, vaikka fosforikuormitusta on vähennetty 80 % tavoitellusta. On siis syytä tutkia miksi Itämeren tila ei ole parantunut. Syntyneen ristiriidan ratkaisemiseksi tarkoituksena on etsiä aiemmista tulkinnoista ristiriitoja, korjata ne ja uudistaa tietopohja uudeksi ja toimivammaksi paradigmaksi. Virhetulkintojen tunnistamiseen sovelletaan Popperin falsifikaatiomenettelyn periaatteita. Konsensuksen mukaan ihmisperäinen kuormitus on lähes yksinomainen syy (sinilevä)rehevyyteen. Kuitenkin Vollenweiderin mallin mukaan tehty, hydrologialla painotettu fosforin pintakuormitus on ollut 1970 - 1980-luvuilla vain lievää rehevyyttä edellyttävällä tasolla. Ulkoinen kuormitus ei siten voi olla suurin rehevyyden aiheuttaja. Sinilevärehevyyttä ylläpitävänä päätekijänä on syvävesiin happea tuovien suolavesipulssien toistuvuuden romahtaminen. Siitä syntyneet syvävesien ja -pohjien hapettomuudet aiheuttavat Gotlanninmeressä sekä sisäistä kuormitusta että lisärehevöittävää typen- ja hiilensidontaa. Yhdessä näitä prosesseja nimitetään nyt supernoidankehäksi. Johtopäätöksiä: • Ihmistieteelliset ja ympäristöpoliittiset näkemykset vaikuttavat luonnontieteellisiin tulkintoihin luultua enemmän. • Suolavesipulssien harventuminen on hapettomuus- ja rehevyyskierteen perussyy. • Syvänteiden hapettomuus on kaikkialle negatiivisesti säteilevä keskeistekijä. • Itämeren supernoidankehä on purettava saattamalla syvänteet hapellisiksi. • Hapellisuutta ei voida saada aikaan ulkoisen kuormituksen vähentämisellä. • Jäljelle jäävät siten teknologiset keinot, joista toteutuskelvollisimmalta näyttää Itämeren hapellisimman ja kylmimmän veden pumppaus 30 metrin syvyydestä syvänteisiin, mikä tehostaa myös pulssivesien virtausta syvänteiden pohjalle. Tämä väitöskirja sisältää viisi vallitsevasta paradigmasta poikkeavaa tulosta: 1. Itämerelle on kehitetty rehevyyden uusi diagnoosi ja paradigma, 2. Luonto dominoi Itämeren tilaa, ei ihminen, 3. Typensidonnalla on lisärehevöittävä mekanismi, 4. Itämerelle on kehitetty uusi fosforin sisäkuormituksen laskentamenetelmä, 5. Virtuaalisen fosforikuormituksen laskenta. Ilman Gotlanninmeren syvänteiden hapellisuutta Itämeri on tuomittu pysymään rehevyyden supernoidankehässä, ’kaksinkertaisessa takalukossa’.