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 Obesity is associated with greater risk of several diseases, such as type 2 diabetes and metabolic syndrome. Single nucleotide polymorphisms (SNP) within the fat mass- and obesity-associated gene FTO are robustly associated with increased body mass index (BMI) in several age and ethnic groups. Studies with transgenic mice support a mechanistic role for FTO protein in energy metabolism. Fto-deficient mice are leaner than wild-type and overexpression of Fto leads to obese phenotype; however, the precise mechanism of FTO action in the control of BMI has remained obscure. Fto mRNA is most abundant in the brain while high expression is present also in white and brown adipose tissues (WAT and BAT, respectively). WAT stores the nutritional energy and BAT dissipates it to produce heat. Furthermore, these organs participate in a complex endocrine network affecting the whole body metabolism, which is more or less disrupted in obesity. In the browning process, white adipocytes begin to manifest brown characteristics. MicroRNAs (miRNA) are small RNA molecules, which fine-tune post-transcriptionally the expression of genes important in several cellular processes, including WAT and BAT differentiation and browning of WAT. FTO has been shown to participate in these processes as well as miRNA regulation. The current study used a new Fto-deficient mouse model to reveal deeper insights into the role of Fto on genes affecting WAT and BAT differentiation and function, as well as WAT browning. Furthermore, the effects of Fto on the miRNA regulation in WAT browning and BAT were investigated. Our results supported a role for Fto in adipose tissue. Fto-deficient mice were resistant to diet-induced obesity and their WAT and BAT adipocytes did not become hypertrophic similar to wild-type on high-fat diet. Furthermore, the expression of genes affecting adipose tissue differentiation and function was altered in Fto-deficient WAT and BAT, especially after high-fat diet, and the changes may be mediated via altered miRNA expression. Fto-deficient WAT was more susceptible to browning, which in part contributed to the lean phenotype of these mice. Current study supported a role for Fto in whole body metabolism and adaptation of adipose tissue to changes in dietary environment. / Tiivistelmä Lihavuus on toistuvasti yhdistetty useisiin liitännäissairauksiin, kuten tyypin 2 diabetekseen ja metaboliseen oireyhtymään. FTO-geenissä (fat mass- and obesity-associated) esiintyvien yhden nukleotidin muutoksien (single nucleotide polymorphia, SNP) on useissa ikä- ja etnisissä ryhmissä raportoitu liittyvän korkeampaan painoindeksiin ihmisillä. Muuntogeenisillä hiirillä tehdyt tutkimukset tukevat FTO:n mekanistista roolia energia-aineenvaihdunnassa, sillä Fto-poistogeeniset hiiret ovat villityypin hiiriä laihempia ja sen yliekspressio johtaa ylipainoon. FTO:n tarkka rooli painon säätelyssä on kuitenkin vielä epäselvä. Fto:ta tuotetaan eniten aivoissa, mutta myös valkoisessa ja ruskeassa rasvassa. Valkoinen rasva varastoi ravinnosta saatavan energian ja ruskea hajottaa sitä lämmöntuotantoon. Näillä kudoksilla on lisäksi tärkeä rooli energia-aineenvaihdunnan monimutkaisessa verkostossa. Valkoisen rasvakudoksen ruskettumisprosessissa valkoiset rasvasolut alkavat muistuttaa ruskeita rasvasoluja. Mikro-RNA:t (miRNA) ovat pieniä RNA-juosteita, jotka hienosäätävät geenien ekspressiota transkription jälkeen ja vaikuttavat useisiin solun tärkeisiin tapahtumiin, myös valkoisen ja ruskean rasvasolun erilaistumiseen ja ruskettumiseen. FTO osallistuu näihin prosesseihin sekä miRNA-säätelyyn. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selventää Fto:n roolia valkoisen ja ruskean rasvakudoksen erilaistumisessa ja toiminnassa Fto-poistogeenisen hiirimallin avulla. Lisäksi selvitettiin Fto:n vaikutuksia valkoisen rasvan ruskettumiseen ja ruskean rasvan toimintaan osallistuvien miRNA:iden säätelyyn. Tulokset tukivat FTO:n roolia rasvakudoksessa. Fto-poistogeeniset hiiret eivät lihoneet rasvaisella ruokavaliolla eivätkä niiden rasvasolut varastoineet rasvaa yhtä paljon kuin villityypin hiirillä rasvaisen ruokavalion jälkeen. Lisäksi Fto-poistogeenisen rasvakudoksen erilaistumiseen ja toimintaan liittyvien geenien esiintyvyys muuttui erityisesti rasvaisella ruokavaliolla. Nämä muutokset voivat osittain selittyä muuttuneella miRNA-säätelyllä. Tulokset viittasivat siihen, että Fto-poistogeeninen valkoinen rasvakudos oli alttiimpaa ruskettumiselle, mikä osaltaan vaikutti Fto-poistogeenisten hiirten laihuuteen. Tutkimus tuki Fto-geenin roolia energia-aineenvaihdunnan säätelyssä sekä rasvakudoksen mukautumisessa ruokavalion muutoksiin.

Abstract Collagen XVIII is an evolutionarily conserved, ubiquitously-expressed basement membrane (BM) proteoglycan produced in three isoforms, the individual roles of which are largely unknown. The physiological in vivo roles of these collagen XVIII isoforms are studied here using novel genetically modified mouse strains deficient in either the short or the medium/long isoforms of the molecule. In addition, the effects of keratin-14-driven overexpression of the thrombospondin-1 (Tsp-1) –like domain, which is common to all three collagen XVIII isoforms, are studied. The findings underline the importance of the short collagen XVIII isoform in the eye, as its absence was sufficient to cause the aberrant vascularisation of the retina previously reported in mice lacking all isoforms of collagen XVIII. In addition, an excess of the collagen XVIII Tsp-1 domain led to serious eye abnormalities, possibly by interfering with the functions of the full-length collagen XVIII produced in mice. Collagen XVIII was also shown to contribute to adipogenesis in an isoform-specific manner, in that a lack of the medium/long isoforms of collagen XVIII led to impaired adipocyte maturation and the subsequent reduction in the adipocyte number induced liver steatosis and hypertriglyceridaemia. Hence this work establishes a new extracellular matrix ECM-directed mechanism contributing to control over the multistep adipogenesis programme and points to the functional consequences of its impairment for ectopic fat deposition. The enzymatic remodelling of ECM components results in molecules with novel biological activities. Arresten is a collagen IV(α1)-derived fragment with anti-angiogenic properties which was originally described as not having any direct anti-tumour effects on cancer cells themselves. The present data revealed novel inhibitory roles for arresten in oral squamous carcinoma cell proliferation, survival, motility and invasion. Since arresten is a potent inhibitor of angiogenesis, the data generated here further underline the possibility for using it as a therapeutic agent in cases of cancer. / Tiivistelmä Kollageeni XVIII on tyvikalvojen proteoglykaani ja yksi harvoista evoluutiossa konservoituneista kollageeneista. Se esiintyy elimistössä kolmena isomuotona, joiden biologiset tehtävät ovat vielä jokseenkin epäselviä. Tässä tutkimuksessa selvitettiin kollageeni XVIII:n isomuotojen fysiologista merkitystä hyödyntäen uusia hiirilinjoja, joilta kollageeni XVIII:n lyhyt tai kaksi pisintä varianttia oli geneettisesti inaktivoitu. Poistogeenisten hiirimallien rinnalle tehtiin kaikille varianteille yhteistä trombospondiini-1 (Tsp-1)-domeinia yli-ilmentävä hiirilinja. Tämän väitöskirjatutkimuksen avulla saatiin uutta tietoa kollageeni XVIII:n ja etenkin sen lyhimmän variantin tärkeästä roolista silmässä. Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet kollageeni XVIII:n puutteen häiritsevän silmän verkkokalvon verisuonituksen normaalia kehittymistä. Tässä työssä havaittiin, että pelkästään lyhyen isomuodon puute riitti altistamaan hiiret muutoksille verkkokalvon suonituksessa. Tsp-1-osan ylimäärän havaittiin lisäksi alistavan hiiret muutoksille silmän rakenteessa, mahdollisesti häiritsemällä silmässä jo olemassa olevan kollageeni XVIII:n toimintaa. Tässä työssä havaittiin myös uusi yhteys kollageeni XVIII:n ja rasvasolujen kypsymisen välillä. Verrokkihiiriin verrattuna muodostuvan rasvakudoksen havaittiin jäävän merkittävästi vähäisemmäksi poistogeenisillä hiirillä, joilta kollageeni XVIII:n pitkät isomuodot olivat geneettisesti inaktivoitu. Heikentynyt rasvakudoksen muodostuminen lisäsi triglyseridien kertymistä hiiren verenkiertoon ja maksaan. Tutkimustulos on merkittävä avaus soluväliaineen merkityksestä rasva-aineenvaihdunnalle ja kannustaa lisätutkimuksilla selvittämään, onko kollageeni XVIII:lla yhteys myös ihmisen metaboliseen oireyhtymään. Soluväliaineen komponenttien entsymaattinen muokkaus tuottaa usein molekyylejä, joilla on uusia isäntämolekyyleistä poikkeavia ominaisuuksia. Tässä työssä tutkittiin yhden tällaisen molekyylin, tyvikalvokollageenin IV hajoamistuotteen, arrestenin, suoria vaikutuksia syöpäsoluille. Arrestenin tiedettiin entuudestaan estävän syöpäkasvainten verisuonten uudismuodostusta koe-eläimillä. Työssä osoitettiin, että arresten vaikutti endoteelisolujen lisäksi myös itse syöpäsoluihin estäen niiden lisääntymistä ja vähentäen niiden elinkykyä ja liikkuvuutta, mikä tekee arrestenista entistä houkuttelevamman ehdokasmolekyylin lääkekehitystyöhön.