Abstract Heart failure (HF) is a complex pathological state, involving simultaneous alterations in several signalling pathways and changes in gene programming. In HF, activation of the neurohumoral factors and renin-angiotensin-aldosterone (RAA) system occurs as a compensatory mechanism to combat the abnormal ventricular function. Developments in cardiac gene delivery methods have exerted a significant impact to treat HF and to discover the novel molecular mechanisms associated with HF and other cardiac diseases. This study demonstrated that adenovirus–mediated gene delivery of B-type natriuretic peptide (BNP) into the anterior wall of the left ventricle decreased myocardial fibrosis and increased capillary density. Post-infarction BNP improved systolic function associated with normalization of cardiac sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase (SERCA) 2 expression and phospholamban phosphorylation at Thr17. On the other hand, (Pro)renin receptor ([P]RR) gene delivery resulted deleterious effects on cardiac function and (P)RR activation induced distinct angiotensin II (Ang II)-independent extracellular matrix remodelling and worsening of cardiac function. (P)RR gene delivery resulted in Ang II-independent activation of extracellular-signal regulated (ERK1/2) phosphorylation and increased myocardial fibrosis. In conclusion, the present study indicates that myocardial BNP gene delivery can achieve pleiotropic, context-dependent, favourable effects on cardiac function and that BNP can act locally as a mechanical load–activated regulator of angiogenesis and fibrosis. These results also implicate that (P)RR blockers may display additional cardiac effects in addition to its ability to evoke effective RAA system blockade. Overall, the findings of this study provide a better understanding of the molecular mechanisms involved in the biological actions of BNP and (P)RR, and identify BNP and (P)RR as potential novel drug targets for the treatment of HF. / Tiivistelmä Neuroendokriinisellä aktivaatiolla, jonka seurauksena aiheutuu muun muassa verisuonten supistumista ja laajenemista sekä nesteen kertymistä elimistöön, on tärkeä merkitys sydämen vajaatoiminnan kehittymisessä. Neuroendokriininen aktivaatio kompensoi sydämen vajaatoiminnan seurauksena tapahtuvaa kammioiden poikkeavaa toimintaa. Yksi keskeisimmistä verisuonia supistavista tekijöistä on reniini-angiotensiini-aldosteroni (RAA) -järjestelmä, ja verisuonia laajentaviin tekijöihin kuuluvat muun muassa natriureettiset peptidit, kuten B-tyypin natriureettinen peptidi (BNP) ja A-tyypin natriureettinen peptidi. Geeninsiirtomenetelmillä on ollut merkittäviä vaikutuksia uusien hoitomenetelmien kehittämisessä, sydämen vajaatoiminnan syiden selvittämisessä ja uusien kohdegeenien tunnistamisessa sydämen vajaatoiminnan hoitoon. Väitöskirjan tutkimustulokset osoittivat, että suora adenovirusvälitteinen geeninsiirto rotan sydämen vasemman kammion etuseinään on toimiva menetelmä uusien kohdegeenien löytämiseksi sydämen vajaatoiminnan hoitoon. BNP:n geeninsiirto vähensi merkitsevästi fibroosin muodostumista ja lisäsi verisuonten uudismuodostumista sydämessä. Sydäninfarktin jälkeen BNP paransi sydämen systolista toimintaa, johon liittyi aktiivisen kalsiumpumpun, SERCA2:n ja fosfolambaani-proteiinin fosforylaation normalisoituminen. (Pro)reniini reseptorin ([P]RR) geeninsiirto aiheutti angiotensiini II:sta riippumatonta solunulkoisen matriksin uudelleenmuotoutumista ja sydämen toiminnan huonontumista sekä lisääntynyttä sydämen fibroosia. Väitöskirjatutkimus antaa uutta tietoa solunsisäisistä molekulaarisista mekanismeista sydänsoluissa. BNP geeninsiirto aiheutti sydämen tautitilasta riippuvia suotuisia tapahtumia, ja se toimi paikallisesti muun muassa fibroosia ehkäisevänä tekijänä. (P)RR geeninsiirtotulosten perusteella voidaan olettaa, että (P)RR:n salpaus saattaa olla uusi tehokas hoitokeino sydämen vajaatoiminnan hoitoon.

Abstract Cardiovascular diseases are the leading causes of death in the developed countries and their incidence is not expected to decrease in the future. There is a lifetime risk of one in five of developing heart failure, which still has poor prognosis and current treatments only cover part of the pathophysiology behind this syndrome. Pathological processes contributing to heart failure include cardiac hypertrophy and remodeling, which involves neurohumoral activation, reactivation of fetal genes, impaired Ca2+ cycling, increased apoptosis, and increased fibrosis. Intracellular signalling pathways and transcription factors mediating the response to various extracellular stresses have a key role in the regulation of myocardial remodeling and they are investigated in order to develop new approaches for the treatment of heart failure. The aim of this thesis was to elucidate roles of mitogen-activated protein kinases (MAPKs) and transcription factor GATA-4 in the regulation of cardiomyocyte function in cell cultures, and in hearts ex vivo and in vivo. The main findings were that (i) Inhibition of p38α MAPK enhanced function of sarco/endoplasmic reticulum Ca2+ -ATPase and thus cardiac contractility by increasing phosphorylation of protein phosphatase inhibitor-1 and phospholamban, (ii) p38 MAPK isoforms p38α and p38β regulated promoter activity of B-type natriuretic peptide via distinct pathways, (iii) p38α and p38β MAPKs also had different effects on gene expressions related to fibrosis and hypertrophy, and (iv) p38 and ERK1/2 MAPKs mediated stretch-induced activation of GATA-4 by phosphorylation at Ser 105. GATA-4 also seems to be regulated by ubiquitination. This study provides novel data of p38 MAPK and GATA-4 in the regulation of cardiomyocyte function. Inhibition of p38α MAPK could be beneficial in the treatment of heart failure. Also GATA-4 is a potential target for treatment of cardiovascular diseases. / Tiivistelmä Sydän- ja verisuonisairaudet ovat yleisin kuolinsyy länsimaissa, eikä niiden ilmaantuvuus tule vähenemään lähitulevaisuudessa. Elinikäinen riski sairastua sydämen vajaatoimintaan on 20 %, ja sydämen vajaatoiminnan ennuste on edelleen huono. Nykyisillä hoitomuodoilla voidaan puuttua vain osittain sydämen vajaatoiminnan patofysiologisiin mekanismeihin. Sydämen vajaatoiminnan kehittymiseen liittyvät sydänlihaksen liikakasvu ja uudelleenmuovautumisprosessi, johon liittyy neurohumoraalinen aktivaatio, sikiöaikaisten geenien uudelleenilmentyminen, häiriöt solunsisäisessä Ca2+-viestinnässä sekä lisääntynyt ohjelmoitu solukuolema ja sidekudoksen muodostuminen sydämeen. Solunsisäisillä viestinvälitysketjuilla sekä transkriptiotekijöillä, jotka vastaavat solunulkoisten ärsykkeiden välittämisestä solun sisällä, on keskeinen rooli edellämainittujen prosessien säätelyssä. Uusien lähestymistapojen kehittäminen sydämen vajaatoiminnan hoitoon edellyttää myös solunsisäisen viestinvälityksen ja geenien säätelyn mekanismien selvittämistä. Tämän väitöstyön tavoite oli selvittää p38 mitogeeniaktivoituvan proteiinikinaasin (p38 MAPK) ja transkriptiotekijä GATA-4:n merkitystä sydämen vajaatoiminnan patogeneesissä soluviljelymalleissa. Päälöydöksiä olivat: (i) p38α MAPK -isoformin estäminen paransi kalsiumia solulimakalvostoon pumppaavan SERCA2a:n toimintaa ja sydänlihassolun supistumiskykyä lisäämällä fosfolambaanin ja proteiinifosfataasi-inhibiittori-1:n fosforylaatiota. (ii) p38 MAPK isoformit p38α ja p38β säätelivät B-tyypin natriureettisen peptidin geenin promoottorialuetta erillisten reittien kautta. (iii) p38α ja p38β isoformit vaikuttivat myös eri tavoin sydämen sidekudoksen muodostumiseen ja hypertrofiaan liittyvien geenien ilmentymiseen. (iv) p38 ja ERK1/2 välittävät venytyksen aiheuttaman GATA-4:n aktivaation fosforyloimalla seriini-105 fosforylaatiopaikan. Lisäksi GATA-4:n toimintaa säädellään ubiquitinaation avulla. Tämä tutkimus tuo uutta tietoa p38 MAPK:n ja GATA-4:n rooleista sydämen vajaatoiminnan kehittymisessä. p38α-isoformin toiminnan estäminen voisi olla hyödyllinen hoitomuoto sydämen vajaatoiminnassa. Myös GATA-4 on potentiaalinen lääkehoidon kohde sydänsairauksien hoidossa.

Abstract Melatonin is an important modulator of several physiological and behavioural processes, and it influences the function of many different tissues. Melatonin has effective antioxidative properties, but some of its actions in mammals are also mediated through the MT1 and MT2 melatonin receptors. Antioxidative properties are seen especially when the melatonin concentration is high (≥ nM), and melatonin's affinity for its receptors appears at lower concentrations (pM). Recently, the involvement of melatonin in protecting the heart against cardiac diseases, including myocardial infarction (MI), has been brought out. MI alters the structure and function of myocardium, attenuating for example cardiac contractility by affecting the amount and function of the essential Ca2+ handling proteins, dihydropyridine receptor (DHPR), ryanodine receptor (RyR2) and sarco-endoplasmic reticulum (SR) Ca2+-ATPase2 (SERCA2). MI also evokes many adaptive responses in organisms, such as elevated production of atrial and brain natriuretic peptides (ANP and BNP). In this thesis, the expression of MT1 and MT2 receptor mRNAs was investigated in several rat tissues. Furthermore, the effect of MI and exogenous melatonin on the rat endogenous melatonin and on the expression of cardiac MT1, MT2, DHPR, RyR2 and SERCA2 proteins was evaluated. The concentrations of ANP and BNP were also measured after post-MI melatonin administration. The results show the expression of MT1 and/or MT2 receptor mRNAs in the hypothalamus, retina, small intestine, liver and heart, which indicates that at least some effects of melatonin could be mediated through the receptors in these tissues. Melatonin synthesis in the pineal gland increased rapidly in response to MI, supporting an important role of endogenous melatonin in protecting the heart after MI. Furthermore, exogenous melatonin altered the mRNA expression of DHPR, RyR2 and SERCA2 after MI, suggesting that melatonin might contribute to the post-infarction cardiac contractile function. The results also revealed a novel, positive relationship between melatonin and ANP, and thereby bring out one more possible way of melatonin to protect the heart against MI-induced injuries. Taken together, the present thesis (i) supports the notion that melatonin is an important endogenous protective agent of the organism, and (ii) extends our knowledge of melatonin's post-infarction cardioprotective actions. / Tiivistelmä Melatoniini osallistuu monien fysiologisten toimintojen ja käyttäytymisen säätelyyn sekä vaikuttaa useiden eri kudosten toimintaan. Melatoniini on tehokas antioksidantti, mutta jotkut sen vaikutuksista välittyvät myös MT1 ja MT2 melatoniini reseptorien kautta. Antioksidatiiviset vaikutukset tulevat esiin erityisesti silloin, kun melatoniinin pitoisuus on korkea (≥ nM). Alhaisemmilla pitoisuuksilla (pM) on puolestaan havaittavissa melatoniinin sitoutuminen reseptoreihinsa. Viime aikoina on tullut esille melatoniinin mahdollinen suojavaikutus sydänsairauksia, kuten sydäninfarkteja, vastaan. Sydäninfarkti muuttaa sydänlihaksen rakennetta ja toimintaa esimerkiksi vaikuttamalla supistuksen kannalta välttämättömien proteiinien, dihydropyridiini reseptorin (DHPR), ryanodiini reseptorin (RyR2) ja sarko-endoplasmakalvoston Ca2+-ATPaasi2:n (SERCA2) lukumääriin ja toimintaan, ja sitä kautta muun muassa heikentää sydämen supistuvuutta. Sydäninfarkti laukaisee elimistössä myös monia adaptiivisia vasteita, kuten eteispeptidin (ANP) ja aivojen natriureettisen peptidin (BNP) lisääntyneen erityksen. Tässä väitöstyössä tutkittiin MT1 ja MT2 reseptorien mRNAn ilmentymistä useissa rotan eri kudoksissa. Lisäksi tutkittiin sydäninfarktin ja eksogeenisen melatoniinin vaikutuksia rotan endogeeniseen melatoniiniin sekä sydämen MT1, MT2, DHPR, RyR2 ja SERCA2 proteiinien ekspressioon. Myös ANP ja BNP pitoisuudet mitattiin. Tulokset osoittivat MT1 ja/tai MT2 reseptori mRNAn ilmentymisen hypotalamuksessa, silmän verkkokalvolla, ohutsuolessa, maksassa ja sydämessä, minkä perusteella ainakin osa melatoniinin vaikutuksista saattaisi olla reseptorivälitteisiä näissä kudoksissa. Tulosten mukaan käpyrauhasen melatoniinisynteesi lisääntyi nopeasti sydäninfarktin jälkeen, mikä tukee käsitystä endogeenisen melatoniinin tärkeästä roolista infarktin jälkeisessä sydämen suojauksessa. Lisäksi eksogeeninen melatoniini muutti DHPR:n, RyR2:n ja SERCA2:n mRNA ekspressiota infarktin jälkeen, mikä voisi merkitä, että melatoniini saattaa vaikuttaa infarktin jälkeiseen sydämen supistuvuuteen. Tulosten osoittama positiivinen riippuvuus melatoniinin ja ANP:n välillä tuo puolestaan esille yhden uuden mahdollisen keinon, jonka kautta melatoniini voisi suojata sydäntä infarktin aiheuttamia vaurioita vastaan. Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä väitöstyö (i) tukee käsitystä, että endogeenisella melatoniinilla on tärkeä merkitys elimistön suojaamisessa, ja (ii) laajentaa tietämystämme infarktin jälkeisistä melatoniinin sydäntä suojaavista vaikutuksista.