Abstract Non-pathological change in body weight and adiposity is one distinct adaptive feature that seasonal species undergo, and it can offer a novel way to study the mechanisms underlying body weight regulation and energy homeostasis. Changes in the expression and activity of metabolic enzymes are essential for the physiological adaptation seasonal species exhibit. AMP-activated protein kinase (AMPK) is a key regulatory enzyme that controls the energy homeostasis both on cellular and whole-body level. In this thesis, the main focus was to clarify how seasonal adaptation affects AMPK and its downstream target in lipid metabolism, acetyl-CoA carboxylase (ACC), in different metabolic tissues of two model species with diverse wintering strategies: the raccoon dog and the Djungarian hamster. In addition, the effect of periodic fasting on the raccoon dog skeletal muscle was studied. It was observed that seasonal differences in AMPK and ACC expression were evident mainly in adipose tissues of both species. AMPK was down-regulated in white adipose tissue (WAT) of the winter-adapted raccoon dog, whereas in the Djungarian hamster WAT, the abundance of AMPK increased in response to winter acclimatization. ACC expression was maintained or increased in winter in both species. The seasonal changes in AMPK and ACC expression observed, in particular, in adipose tissues reflects the wintering strategy of the species and presumably facilitates the lipid usage and/or preservation during wintertime scarcity. Raccoon dogs were quite resistant to the prolonged wintertime fast, as no changes were observed in AMPK and ACC expression levels in the WAT, liver or hypothalamus between the fasted and fed groups. Skeletal muscle function also appears to be well preserved, as there were no changes in the expression of proteins involved in insulin signaling, and the fiber type composition and muscle energy reserves were not affected. This thesis offers novel information on protein level changes in metabolic adaptation. / Tiivistelmä Useat luonnonvaraiset eläinlajit ovat fysiologisesti sopeutuneet ravinnonsaannin vuodenaikaisiin vaihteluihin. Vuodenaikaisrytmiin kytketty rasvakudoksen määrän vaihtelu ja siihen liittyvät aineenvaihdunnalliset muutokset tarjoavat mielenkiintoisen tutkimuskohteen ruumiinpainon säätelyn ja energiatasapainon ylläpidon molekulaaristen mekanismien selvittämiseen. Oleellinen osa fysiologista sopeutumista ovat muutokset energia-aineenvaihduntaa säätelevien proteiinien ekspressio- ja aktiivisuustasoissa. Yksi keskeinen elimistön energiatasapainoa kontrolloiva entsyymi on AMP-aktivoituva proteiinikinaasi (AMPK). AMPK toimii solunsisäisenä energiasensorina ja säätelee energiametaboliaa koko kehon tasolla. Tässä väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin talviadaptaation vaikutusta AMPK:n ja sen kohdemolekyylin, rasvahappojen biosynteesiä säätelevän asetyyli-CoA karboksylaasin (ACC), ilmenemiseen ja aktiivisuuteen eri kudoksissa. Mallieläiminä käytettiin kahta eri talvehtimisstrategian omaavaa ja eri lailla ruumiinpainoaan säätelevää lajia, kääpiöhamsteria ja supikoiraa. Lisäksi tutkittiin pitkäaikaisen talvipaaston vaikutusta supikoiran luustolihakseen. Tulokset osoittivat, että molemmilla lajeilla AMPK- ja ACC-pitoisuuksissa on vuodenaikaisia eroja erityisesti rasvakudoksessa. Supikoiralla AMPK:n määrä väheni talviadaptaation seurauksena, kun taas kääpiöhamstereilla talviakklimatisaatio johti korkeampaan AMPK-pitoisuuteen rasvakudoksissa. ACC-pitoisuus puolestaan säilyi samana tai oli korkeampi talviadaptoituneilla yksilöillä. Havaitut muutokset AMPK:n ja ACC:n ilmenemisessä kuvastavat supikoiran ja kääpiöhamsterin eroja talvehtimisessa ja havainnollistavat entsyymien oleellista osaa rasvavarastojen vuodenaikaisessa säätelyssä ja käytössä, mikä on edellytys eläinten selviämiselle yli talven niukkuuden. Lisäksi havaittiin talviadaptoituneen supikoiran olevan melko resistentti 10 viikon paastolle tutkittujen parametrien suhteen. AMPK- ja ACC-pitoisuus tai aktiivisuus ei muuttunut aineenvaihdunnallisesti oleellisissa kudoksissa (rasvakudos, maksa, hypotalamus) paasto- ja kontrolliryhmän välillä. Supikoiran lihasten toimintakyky vaikuttaisi säilyvän, sillä insuliinisignalointiin liittyvien entsyymien pitoisuus, lihasten solutyyppikoostumus tai energiavarastot eivät muuttuneet paaston myötä. Tämä tutkimus tarjoaa uutta tietoa proteiinitason muutoksista osana fysiologista sopeutumista.

Abstract In Finland there is a food monitoring program which has found elevated dioxin and polychlorinated biphenyl concentrations in the muscle of semi-domesticated reindeer (Rangifer tarandus tarandus) calves. This led to further research on the concentrations of persistent organic pollutants in reindeer muscle, liver, and other internal organs. The research was further expanded on wild moose (Alces alces) muscle and liver. The main objective of this thesis is to increase knowledge of polychlorinated dibenzo-p-dioxin (PCDD), polychlorinated dibenzofuran (PCDF), polychlorinated biphenyl (PCB), and polybrominated diphenyl ether (PBDE) pollution levels in the Finnish terrestrial environment, and in semi-domesticated reindeer and wild moose in particular. The research gives information of exposure conditions in the reindeer’s food chain, as well as species differences and individual variation in accumulation and distribution of pollutants in reindeer and moose. Local differences between the contaminant concentrations were explored. Toxic equivalencies (TEQs) set by the World Health Organization (WHO) of PCDD/Fs and PCBs were calculated in order to assess the validity of selling reindeer and moose tissue. It was observed that there is a species-, individual-, and tissue-specific accumulation of dioxins, dioxin-like PCB, and PBDE compounds in reindeer and moose. Varying exposure conditions mainly explain the differences, although taking into account the age of an individual animal, its metabolic patterns have a role, too. Reindeer placenta and milk proved to be important factors in the transporting of compounds from hind to calf. The highest PCDD/F and PCB concentrations (as WHO-TEQs) were observed in reindeer calves in the study area in which animals are fed in natural pastures only. Despite the findings, it was concluded that it is safe to eat reindeer and moose meat since the concentrations of dioxins and dioxin-like PCBs in the muscle are relatively low, and because of the low fat content in these animals. Reindeer liver, for its part, had quite a lot of dioxin-like compounds that may compromise its safety as food, at least on a regular basis. The study shows that Finnish semi-domesticated reindeer and wild moose are good indicator species of POP contamination in a terrestrial environment, reindeer describing the situation in northern parts of the country especially. / Tiivistelmä Suomalaisessa ruokamonitorointitutkimuksessa löydettiin kohonneita dioksiinien ja polykloorattujen bifenyylien pitoisuuksia puolivillin poron vasojen lihaksista. Se johti lisätutkimuksiin pysyvien orgaanisten yhdisteiden pitoisuuksista poron lihaksessa, maksassa ja muissa sisäelimissä. Tutkimus laajeni koskemaan myös hirven (Alces alces) lihasta ja maksaa. Väitöskirjatyö lisää tietämystä polykloorattujen dibentso-p-dioksiinien (PCDD), polykloorattujen dibentsofuraanien (PCDF), polykloorattujen bifenyylien (PCB) ja polybromattujen difenyylieettereiden (PBDE) pitoisuuksista suomalaisessa maaympäristössä ja erityisesti porossa ja hirvessä. Tutkimus antaa tietoa yhdisteille altistumisesta sekä viitteitä lajien- ja yksilöiden välisistä eroavai¬suuksista yhdisteiden kertymisessä ja niiden jakaantumisessa eri kudosten välillä. Alueellista vaihtelua yhdisteiden pitoisuuksissa selvitettiin myös. Maailman terveysjärjestön (WHO) asettamia PCDD/F- ja PCB-yhdisteiden toksisuusekvivalenttiarvoja (TEQ) tarkasteltaessa pystyttiin arvioimaan kemiallista elintarvikekelpoisuutta suhteessa EU:n antamiin sallittuihin pitoisuuksiin. Työssä havaittiin laji-, yksilö-, ikä- ja kudosspesifistä dioksiinien, dioksiinienkaltaisten PCB- ja PBDE-yhdisteiden kerääntymistä porossa ja hirvessä. Tämä on todennäköisimmin seurausta vaihtelevasta altistumisesta yhdisteille, mutta myös lajien metabolisissa toiminnoissa yksilön eri ikäkausina voi olla eroavaisuuksia. Poron istukan ja maidon havaittiin olevan tärkeitä yhdisteiden kulkeutumisessa emolta sikiölle ja vasalle. Korkeimmat dioksiinien ja dioksiinien kaltaisten PCB-yhdisteiden konsentraatiot (WHO-TEQ-pitoisuuksina) havaittiin poron vasoilla tutkimusalueella, jossa eläimet olivat laiduntaneet ainoastaan luonnonlaitumilla. Huolimatta havaituista haitta-ainepitoisuuksista todettiin, että sekä luonnostaan vähärasvaisen poron että hirvenlihan syönti on turvallista suhteellisen alhaisten dioksiinien ja dioksiininkaltaisten PCB-yhdisteiden pitoisuuksien perusteella. Poron maksa puolestaan sisälsi melko korkeita dioksiinien kaltaisten yhdisteiden pitoisuuksia, mikä voi vaikuttaa sen turvalliseen käyttöön elintarvikkeena ainakin usein syötynä. Suomalainen puolivilli poro ja villi hirvi sopivat hyvin POP-kontaminoitumisen indikaattoreiksi maaympäristössä; poron erityisesti kuvaten tilannetta maan pohjoisosissa.