Abstract Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α (PGC-1α) is a master regulator of energy metabolism and mitochondrial biology in high-energy cell types and tissues. The regulation of PGC-1α is versatile, and both transcriptional and post-transcriptional mechanisms play major roles. External stimuli affect PGC-1α-regulation which in turn adapts cellular signals to meet them. For example, conditions like fasting and diabetes mellitus (DM) are known to activate PGC-1α expression in the liver, resulting in enhanced de novo glucose production, gluconeogenesis. In the present study, the mechanisms of hepatic PGC-1α regulation and PGC-1α-regulated functions were elucidated. We found that PGC-1α was induced by oral type 2 diabetes therapeutic metformin, via AMPK and SIRT1, regulating the mitochondrial gene response, against previous assumptions. Simultaneously, gluconeogenesis was repressed by other means. Furthermore, PGC-1α upregulated the anti-inflammatory interleukin 1 receptor antagonist (IL1Rn). PGC-1α also diminished interleukin 1β-mediated inflammatory response in hepatocytes. Novel, xenobiotic and endobiotic metabolizing Cytochrome P450 enzymes regulated by PGC-1α were also identified in this thesis. CYP2A5 was induced by PGC-1α through hepatocyte nuclear factor 4α (HNF-4α) coactivation. Also, vitamin D metabolizing CYP2R1 and CYP24A1 were identified as novel genes regulated by PGC-1α, suggesting a role for PGC-1α in the regulation of active vitamin D levels. The findings presented in this thesis provide insight into the pathology of glucose perturbations such as type 2 diabetes, and stimulate discovery of therapeutic agents to treat this disease. Furthermore, the findings suggest that vitamin D metabolism and energy metabolism are tightly linked, with PGC-1α emerging as a novel mediator. / Tiivistelmä Peroksisomiproliferaattori-aktivoituvan reseptori γ:n koaktivaattori 1α (PGC-1α) on merkittävä glukoosiaineenvaihdunnan ja mitokondrioiden toiminnan säätelijä korkeaenergisissä soluissa ja kudoksissa. PGC-1α:a säädellään monin tavoin: sekä transkriptionaalisella säätelyllä että transkription jälkeisellä muokkauksella on merkittävä rooli. Monet ulkoiset tekijät säätelevät PGC-1α:n aktiivisuutta, joka puolestaan säätelee solunsisäisiä signaalireittejä vastaamaan tähän signaaliin. Esimerkiksi paasto ja diabetes mellitus (DM) ovat fysiologisia tiloja, jotka lisäävät voimakkaasti PGC-1α:n ilmentymistä maksassa, jolloin glukoosin uudistuotanto eli glukoneogeneesi kiihtyy. Tässä väitöskirjassa tutkittiin PGC-1α:n säätelyä sekä PGC-1α -säädeltyjä signaalireittejä maksassa. Osoitimme, että tyypin 2 diabeteslääke metformiini indusoi PGC-1α:n ilmentymistä maksassa, vastoin aikaisempia käsityksiä. PGC-1α indusoitui AMPK:n ja SIRT1:n välityksellä, säädelleen edelleen mitokondriaalisten geenien aktiivisuutta. Samalla glukoneogeneesi kuitenkin repressoitui muilla mekanismeilla. Lisäksi osoitimme, että PGC-1α indusoi tulehdusreaktiota vaimentavaa interleukiini 1 reseptorin antagonistia (IL1Rn). PGC-1α esti interleukiini 1β:n aiheuttamaa tulehdusvastetta hepatosyyteissä. Lisäksi väitöskirjassa tunnistettiin uusia, PGC-1α -säädeltyjä lääkeaineita ja elimistön sisäisiä yhdisteitä metaboloivia sytokromi P450 -entsyymejä (CYP). Hiiren CYP2A5:n ilmentymisen osoitettiin olevan PGC-1α- ja HNF4α-välitteistä. Lisäksi osoitettiin, että D-vitamiinia metaboloivat CYP2R1 ja CYP24A1 ovat uusia PGC-1α -säädeltyjä geenejä. Tämä löydös viittaa siihen, että PGC-1α:lla on rooli aktiivisen D-vitamiinin säätelyssä. Tämän väitöskirjan löydökset lisäävät tietoa glukoosiaineenvaihdunnan häiriöiden kuten tyypin 2 diabeteksen molekulaarisista mekanismeista, joita voidaan hyödyntää mahdollisten uusien lääkeaineiden kehittämisessä. Lisäksi väitöskirjassa osoitettiin, että D-vitamiinimetabolia on kytköksissä energia-aineenvaihduntaan ja että PGC-1α:lla on tässä rooli, jota ei aiemmin ole tunnettu.

Abstract Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC-1α) and AMP-activated protein kinase (AMPK) are major factors regulating energy homeostasis. In this study, we aimed to investigate how energy flux affects several hepatic functions mediated by these factors. We define a novel role of PGC-1α and AMPK as modulators of the immune system in the liver. We show that PGC-1α is involved in the regulation of a cluster of genes related to the immune system, most importantly Interleukin 1 receptor antagonist (IL1Rn). Since PGC-1α is responsive to energetic stress associated with fasting or physical exercise, the same stimuli promote IL1Rn in hepatocytes. We identify AMPK as an independent inducer of IL1Rn and hypothesise that it could account for the anti-inflammatory effect of the antidiabetic drug metformin. We also demonstrate that metformin reduces expression of Sirtuin 3 (SIRT3) in hepatocytes and promotes acetylation of mitochondrial protein. We suggest that this mechanism, in spite of increased mitochondrial biogenesis, contributes to reduced ATP synthesis in metformin-treated samples. In addition, we demonstrate that Pregnane X receptor (PXR) is induced in the liver during fasting and by PGC-1α in hepatocytes. Furthermore, we describe a negative regulatory mechanism involving SIRT1, activated by pyruvate and interfering with PXR signaling. We show that SIRT1 attenuates PGC-1α-mediated co-activation of PXR and its target genes, i.e. Cyp3a11, with possible implications for drug and xenobiotic metabolism. In conclusion, we demonstrate how energetic stress affects various hepatic functions mediated by PGC-1α and AMPK. Moreover, we describe SIRT1 and metformin as factors capable of modulating this response. / Tiivistelmä Peroksisomiproliferaattori-aktivoituvan reseptori gamman koaktivaattori 1α (PGC-1α) ja AMP:n aktivoima proteiinikinaasi (AMPK) ovat keskeisiä energiametabolian säätelijöitä. Tässä tutkimuksessa oli tavoitteena selvittää kuinka energiataso vaikuttaa useisiin, näiden tekijöiden säätelemiin maksan toimintoihin. Osoitamme että PGC-1α ja AMPK tekijöillä on ennestään tuntematon merkitys immuunijärjestelmän säätelyssä maksassa. Näytämme myös, että PGC-1α säätelee joukkoa geenejä, joiden tehtävä liittyy immuunijärjestelmään, tärkeimpänä Interleukiini 1 reseptori antagonistia (IL1Rn). Paastoon ja fyysiseen aktiivisuuteen liittyvä energiastressi aktivoi PGC-1α:aa ja näiden samojen stimuluksien havaittiin lisäävän myös IL1Rn tasoa hepatosyyteissä. Havaitsimme AMPK:n olevan itsenäinen IL1Rn indusori ja hypoteesimme mukaan tämä voi välittää diabeteslääkkeenä käytettävän metformiinin anti-inflammatorisia vaikutuksia. Osoitamme myös, että metformiini alentaa Sirtuiini (SIRT) 3:n ekspressiota maksasoluissa ja lisää mitokondriaalisten proteiinien asetylaatiota. Uskomme tämän mekanismin, huolimatta lisääntyneestä mitokondrioiden biogeneesistä, myötävaikuttavan vähentyneeseen ATP synteesiin metformiinikäsitellyissä näytteissä. Lisäksi osoitamme, että paasto ja PGC-1α indusoivat Pregnaani X reseptorin (PXR) ilmentymistä maksasoluissa. Kuvaamme myös PXR signalointiin vaikuttavan ja pyruvaatin aktivoiman, SIRT1:n välitteisen, negatiivisen säätelymekanismin. SIRT1 estää PGC-1α välitteistä PXR koaktivaatiota ja kohdegeenien, kuten Cyp3a11, aktivaatiota, millä voidaan olettaa olevan merkitystä lääkeaineiden ja vierasaineiden metaboliaan. Yhteenvetona osoitamme, että energiastressi PGC-1α:n ja AMPK:n välittämänä vaikuttaa useisiin maksan toimintoihin. Lisäksi näytämme, että SIRT1 ja metformiini voivat moduloida näitä vaikutuksia.