Abstract Billions of reared fish are released to the wild to compensate e.g. for the loss of natural populations. However, the efficiency of the releases is low. It has been proposed that one of the factors affecting the low survival rate of reared fish is their low swimming capacity. The molecular, metabolic and structural characters of muscle fiber define the swimming capacity of fish. Swimming capacity is related to the ecological competence of the fish, including the ability to complete long migrations and catch pray. One of the aims of the current study is to compare the properties of muscles of reared and wild salmon. The second aim of the study is to alter the muscular parameters of reared fish closer to those of wild fish by means of training. The muscular differences between wild, reared and trained fish are analyzed with immunological, histochemical and electron microscopic methods. The main focus is on the dihydropyridine and ryanodine receptors. These receptors are involved for example in the initiation, force and velocity of muscle contraction. According to the results, the level of receptors is higher in the muscles of wild as compared to reared fish. The aerobic ATP production capacity is also higher in the wild fish. However, with training both the level of receptors and oxidative capacity of reared fish increase. Moreover, the swimming capacity is enhanced in trained fish, and there is a connection between the level of receptors and swimming capacity of fish. Training also affects the migration pattern of fish which starts to resemble more that of wild fish. In conclusion, the results of the current study show that the performance of fish as a whole depends on functional parameters at cellular level. For the first time, it is shown that the level of receptors involved in muscular contraction is low in muscles of reared fish. However, the muscular properties are not definite. It is now shown that with training, both the muscular and migration parameters of reared fish approach those of wild fish. This will most probably increase the survival probability of trained, reared fish in the future. / Tiivistelmä Kalojen kasvatus ja istutus takaisin luontoon on yksi tärkeimmistä keinoista säädellä ja palauttaa kalakantoja vesistöihin. Maailmanlaajuisesti puhutaan miljardien kalojen istutusmääristä vuosittain. On kuitenkin hyvin tunnettu tosiasia, että kasvatetut kalat eivät selviä luonnossa yhtä hyvin kuin villit lajikumppaninsa. On arvioitu, että vain alle 5 % istutetuista kaloista selviää lisääntymisikään asti hengissä. Eräs tekijä, joka voi vaikuttaa kalojen selviytymiseen, on kalojen lihaskunto. Kasvatettujen kalojen uintikyvyn on todettu olevan heikko villeihin lajikumppaneihin verrattuna. Luonnossa kaloilta kuitenkin vaaditaan suurta uintikykyä esim. saalistukseen, pedoilta pakenemiseen ja vaellukseen. Eräs tämän työn päätavoitteista on määrittää, miten kasvatettujen ja villien kalojen lihasten molekulaariset, aineenvaihdunnalliset ja rakenteelliset ominaisuudet poikkeavat toisistaan, jotta voidaan arvioida mitkä solutason tekijät vaikuttavat kalojen uintikykyyn ja sitä kautta selviytymiseen. Toisaalta kasvatettujen kalojen lihasten toiminnallisten tekijöiden tasoja pyritään nostamaan harjoittelun avulla lähemmäksi villien vastaavaa ja täten vaikuttamaan kasvatettujen kalojen uintikykyyn ja sitä kautta lopulta selviytymiseen. Työssä lihasten ominaisuuksia analysoidaan immunologisin, histokemiallisin ja elektronimikroskooppisin menetelmin. Tutkimuksissa keskitytään erityisesti dihydropyridiini- ja ryanodiinireseptorien suhteellisiin määriin. Nämä reseptorit osallistuvat lihasten supistumisen aikaansaatiin ja niiden määrä korreloi positiivisesti lihasten voiman ja supistumisnopeuden kanssa. Tulosten mukaan villien kalojen lihaksissa on huomattavasti enemmän reseptoreita verrattuna kasvatettujen kalojen lihaksiin. Myös aerobinen ATP:n tuottokapasiteetti on villeillä kaloilla huomattavasti tehokkaampaa. Harjoittelun jälkeen kasvatettujen kalojen lihasten reseptorimäärät ja aerobinen kapasiteetti kuitenkin kasvavat lähemmäksi villien vastaavaa. Lisäksi lihasten reseptorimäärä ja uintikapasiteetti näyttävät korreloivan keskenään. Harjoittelun seurauksena kasvatettujen kalojen vaellusnopeus, eräs kalojen selviytymiseen vaikuttavista tekijöistä, muistuttaa myös enemmän villien vastaavaa. Yhteenvetona voidaan sanoa, että kalojen koko suorituskyky riippuu lihasten solutason mekanismien tehokkuudesta. Tässä työssä todettiin ensimmäistä kertaa, että kasvatettujen kalojen lihaksissa niiden reseptoreiden määrät, jotka liittyvät itse lihassupistuksen tehokkuuteen, ovat huomattavasti alemmat kuin villeillä. Lihasten toiminnalliset ominaisuudet eivät kuitenkaan ole muuttumattomia vakioita. Tulosten perusteella harjoitettujen kalojen sekä lihas- että vaellusominaisuudet lähestyvät villien vastaavaa. Tämä harjoittelun jälkeinen muutos lisää todennäköisesti kasvatettujen kalojen selviytymismahdollisuuksia.

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.

Abstract Pancreatic cancer remains one of the deadliest malignancies, with dismal prognosis. Pancreatic cancer arises from precursor lesions called pancreatic intraepithelial neoplasia. Toll-like receptors (TLR) are receptors of the innate immunity responsible for initiating immune responses against invading pathogens. Their involvement in cancer progression is becoming evident. Hypoxia is a typical characteristic of pancreatic cancer and linked to poor prognosis. Typically, pancreatic cancer has an abundant desmoplastic stroma that contributes to the hypoxia and poor delivery of anti-tumor drugs to the cancer cells. Tenascin-C and fibronectin are proteins of the extracellular matrix. They are involved in normal organ development, but in recent years, their involvement in various cancers has become evident. This thesis examined the involvement of Toll-like receptors, hypoxia markers HIF-1alpha and Carbonic anhydrase 9 (CAIX) as well as stromal markers tenascin-C and fibronectin in pancreatic cancer. Furthermore, the prognostic effect of each protein was evaluated. The material consisted of whole section tissue samples of surgically treated patients with pancreatic ductal adenocarcinoma. The expression of the proteins was evaluated using immunohistochemical stainings. TLR, HIF-1alpha, CAIX, tenascin-C and fibronectin were all abundantly expressed in pancreatic cancer. High TLR9 associated with improved prognosis while weak HIF-1alpha indicated poor prognosis. In a subgroup analysis consisting of only T1 and T2 tumors, high tenascin-C associated with poor prognosis. There was no significant correlation between TLR and hypoxia marker expression. Based on these results, TLR2, TLR4 and TLR9 are expressed in pancreatic cancer, and high TLR9 associates with improved survival of the patients. Weak HIF-1alpha associated with poor prognosis, suggesting that other factors than hypoxia might be involved in the regulation of HIF-1alpha expression. Tenascin-C and fibronectin are not associated with patient prognosis in pancreatic cancer. / Tiivistelmä Haimasyövällä on kaikista syövistä yksi huonoimmista ennusteista. Haimasyöpä kehittyy tiehyidensisäisistä muutoksista, joita kutsutaan englanninkielisellä nimellä pancreatic intraepithelial neoplasia (PanIN). Tollin kaltaiset reseptorit (TLR) ovat luontaisen immuniteetin reseptoreja, ja niiden tehtävä on aloittaa elimistön puolustusvaste tunkeutuvia taudinaiheuttajia vastaan. Tollin kaltaisten reseptorien osuus on osoitettu eri syövissä. Hypoksia on tyypillistä haimasyövälle, ja se on yleensä yhteydessä huonontuneeseen ennusteen. Tyypillisesti haimasyövällä on voimakas sidekudosreaktio, joka osaltaan lisää kasvaimen hapenpuutetta ja vaikeuttaa sytostaattien kulkeutumista syöpäsoluihin. Tenaskiini ja fibronektiini ovat solunulkoisen tilan proteiineja, jotka osallistuvat normaaliin elimistön kehitykseen. Viime aikoina niillä on huomattu olevan osuutta myös erilaisten syöpien kehittymiseen. Tässä väitöskirjassa on tutkittu Tollin kaltaisten reseptorien, hypoksiamerkkiaineiden HIF-1alpha ja hiilihappoanhydraasi 9 (CAIX) sekä sidekudosmerkkiaineiden tenaskiini ja fibronektiini ilmentymistä haimasyövässä. Lisäksi tutkimuksessa selvitettiin näiden proteiinien osuutta haimasyövän ennusteeseen. Tutkimuksen materiaali koostuu haimasyöpäpotilaiden syöpäkudosnäytteistä. Näytteinä käytettiin kokoleikenäytteitä. Näytteille tehtiin immunohistokemialliset värjäykset, joista eri proteiinien ilmentymistä arvioitiin. Tollin kaltaiset reseptorit, HIF-1alpha, CAIX, tenaskiini ja fibronektiini ilmenivät kaikki haimasyövässä. Korkea TLR9 oli yhteydessä parantuneeseen ennusteeseen, kun taas heikko HIF-1alpha oli yhteydessä huonontuneeseen ennusteeseen. Huomioitaessa vain T1- ja T2-kasvaimet korkea tenaskiini oli yhteydessä huonontuneeseen ennusteeseen. Tollin kaltaisten reseptorien ja hypoksiamerkkiaineiden välillä ei ollut merkittävää yhteyttä. Tulosten perusteella haimasyövässä on runsaasti Tollin kaltaisia reseptoreita, ja korkea TLR9 on yhteydessä parantuneeseen ennusteeseen. Matala HIF-1alpha on yhteydessä huonoon ennusteeseen. Tenaskiinilla ja fibronektiinilla ei ole vaikutusta potilaiden ennusteeseen.

Abstract Helicobacter pylori is a Gram-negative bacterium, which infects the stomach of more than 50% of the population worldwide. In addition to being the most important risk factor for gastric cancer and peptic ulcers, H. pylori infection is a risk factor for several extra-digestive diseases including dyslipidemia. The consequences of having an H. pylori infection are significantly influenced by the inflammatory response of the host. The pattern recognition receptor Toll-like receptor 4 (TLR4) and the cytokine interleukin 6 (IL6) are important mediators of inflammation in H. pylori related diseases. We have analyzed a series of control subjects and patients with dyspepsia, peptic ulcers or gastric cancer for frequent genetic polymorphisms of the TLR4 and IL6 genes. The prevalence of H. pylori infection, the histologic features of gastritis and cancer and serum endocrine markers and lipid concentrations were also analyzed. Furthermore, the expression of TLR4 was analyzed in specific cell types of gastric mucosa by immunohistochemistry. The TLR4 wild type genotypes of polymorphisms +896 and +1196 were associated with an increased risk of peptic ulcers. The same genotypes also associated with higher serum gastrin levels, but not with atrophy or other features of gastritis. The TLR4 expression was seen in the gastrin and somatostatin secreting cells of gastric mucosa. These results suggest a regulatory link between TLR4 and gastrin secretion. Such a link indicates the presence of a novel effector mechanism for innate immunity in modifying the host endocrine function. The IL6 -174 polymorphism associated significantly with a risk of the diffuse type of gastric carcinoma but not with the intestinal type or its precursor conditions. Finally, we demonstrated that H. pylori infections modify HDL serum levels significantly only in IL6 -174 CC genotype patients, which suggests that the detrimental effects of H. pylori infections on HDL levels are transmitted through IL6. These results clarify the mechanisms of H. pylori related diseases and open new possibilities for research on peptic ulcer disease, gastric cancer and dyslipidemia. / Tiivistelmä Helicobacter pylori on yleinen ihmisen mahalaukussa esiintyvä Gram-negatiivinen bakteeri. Helikobakteeri on tärkein mahasyövän ja maha- ja pohjukaissuolihaavan riskitekijä ja se on myös muun muassa rasva-aineenvaihdunnan häiriöiden riskitekijä. Ihmisen tulehdusvaste vaikuttaa merkittävästi helikobakteeri-infektion seurauksiin. Tollin kaltainen reseptori 4 (TLR4), joka on hahmontunnistusreseptori ja tulehduksenvälittäjäaine interleukiini 6 (IL6) ovat tärkeitä ihmisen tulehdusvasteeseen osallistuvia proteiineja. Olemme tutkineet dyspepsiaa, maha- ja pohjukaissuolihaavaa ja mahasyöpää sairastavilta potilailta sekä kontrollihenkilöiltä TLR4:n ja IL6:n geenien yleisiä emäsjärjestyksen polymorfioita. Tutkimme myös helikobakteeri-infektion yleisyyttä ja histologisia piirteitä, mahasyövän histologisia piirteitä ja seerumin merkkiaineita ja lipidipitoisuuksia. Lisäksi tutkimme TLR4:n ilmenemistä mahan limakalvolla immunohistokemiallisesti. TLR4:n polymorfismien +896 ja +1196 villin tyypin genotyypit liittyivät kohonneeseen maha- ja pohjukaissuolihaavan riskiin. Samat genotyypit liittyivät myös korkeampiin gastriinitasoihin. TLR4:ä esiintyi mahalaukun limakalvolla gastriinia tai somatostatiinia ilmentävissä soluissa. Täten TLR4:n ja maha- pohjukaissuolihaavariskin yhteys näyttää välittyvän gastriinin erityksen kautta, mikä viittaa uuteen säätely-yhteyteen luontaisen immuniteetin ja mahalaukun umpieritysjärjestelmän välillä. IL6 -174 -polymorfismi yhdistyi diffuusin tyypin mahakarsinooman riskiin mutta ei intestinaalisen tyypin karsinooman riskiin. Helikobakteeri-infektio yhdistyi pienentyneisiin HDL-kolesterolipitoisuuksiin vain potilailla, joilla oli IL6 -174 CC genotyyppi, mikä viittaa helikobakteerin kolesterolitasoille haitallisen vaikutuksen välittyvän IL6:n kautta. Nämä tulokset antavat lisätietoa helikobakteerin aiheuttamien sairauksien mekanismeista ja avaavat uusia tutkimuspolkuja myös mahahaavan, mahasyövän ja rasva-aineenvaihdunnan häiriöiden kliiniseen tutkimukseen.

Abstract The opioid receptors (δ, κ and μ) are family A G protein-coupled receptors (GPCRs) that have an important role in the regulation of pain. Like all GPCRs they have a common structure that consists of seven transmembrane domains with an extracellular amino (N)-terminus and an intracellular carboxyl-terminus. The human δ opioid receptor (h(δOR) has two polymorphic variants. A single-nucleotide polymorphism causes replacement of Phe with Cys at the amino acid position 27 in the receptor N-terminus. The allelic frequency of hδORCys27, the less common variant, is about 10% in Caucasians. In this study, the two hδOR variants were expressed in heterologous expression systems and their biosynthesis was characterized in detail using various cell biological and biochemical techniques. In particular, the role of receptor heteromerization and opioid receptor pharmacological chaperones in processing, maturation and trafficking of the variants was assessed. The hδOR variants showed significant differences in maturation and trafficking. The hδORCys27 had a significantly lower maturation efficiency compared with hδORPhe27. In addition, long-term receptor expression led to the accumulation of hδORCys27 in the endoplasmic reticulum (ER) and also impaired receptor targeting to ER-associated degradation. The hδOR variants also differed at the cell surface, as the hδORCys27 variant was internalized constitutively in a faster and more extensive manner than hδORPhe27. However, the variants had similar pharmacological properties and activated G proteins in an identical manner. This study also showed that hδORCys27 acted in a dominant negative manner and redirected some hδORPhe27 precursors to degradation. This resulted in impaired plasma membrane expression of hδORPhe27 in co-transfected cells. The hδOR variants were found to form heteromers early in the secretory pathway, which is the most likely reason for the dominant negative behavior of hδORCys27 on hδORPhe27. The mechanism of action of opioid receptor pharmacological chaperones, membrane-permeable opioid ligands, was investigated in detail using hδORCys27 and its mutant form hδORCys27-(Asp95Ala) as models. Opioid antagonists were found to be able to bind to and stabilize receptor precursors in the ER and enhance their dissociation from the ER molecular chaperone calnexin. This led to an increase in the number of receptors at the plasma membrane. In addition, hδORPhe27, like hδORCys27, was responsive to antagonist treatment whether the variants were expressed together or individually. / Tiivistelmä Opioidireseptorit kuuluvat G-proteiinikytkentäisiin reseptoreihin, ja niillä on tärkeä rooli kipuaistimuksen säätelyssä. Ne ovat solukalvoproteiineja, joiden aminohappoketju läpäisee kalvon seitsemän kertaa. Reseptorien aminoterminaalipää sijaitsee solun ulkopuolella ja karboksiterminaalipää solun sisällä. Ihmisen δ-opioidireseptori esiintyy kahtena polymorfisena muotona, Phe27:nä ja Cys27:nä, joissa aminohappo 27 on joko fenyylialaniini (Phe) tai kysteiini (Cys). Cys27 on harvinaisempi muoto, ja sen yleisyys on noin 10 % eurooppalaista alkuperää olevalla väestöllä. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia δ-opioidireseptorin varianttimuotojen biosynteesiä reseptoriproteiinia tuottavissa heterologisissa solumalleissa (HEK293- ja SH-SY5Y-solut) solubiologisilla ja biokemiallisilla menetelmillä.. Väitöskirja osoittaa, että δ-opioidireseptorin varianttimuotojen välillä on eroa prosessoinnissa. Cys27-varianttia kuljetetaan endoplasmakalvostosta solun pinnalle vähemmän kuin Phe27-varianttia, ja pitkäaikainen reseptorituotanto johtaa vastasyntetisoituneiden reseptorien kerääntymiseen solun sisälle. Samalla reseptorien ohjaus proteasomihajotukseen heikkenee. Soluissa, jotka tuottavat molempia varianttimuotoja samanaikaisesti, Cys27-variantin havaittiin ohjaavan myös Phe27-varianttia proteasomihajotukseen vähentäen sen kuljetusta solun pinnalle. Tämä Cys27-variantin dominanttinegatiivinen ominaisuus johtuu todennäköisesti siitä, että variantit muodostavat dimeerisen rakenteen endoplasmakalvostossa. Havaittiin myös, että Cys27-varianttireseptorit ohjataan solun pinnalta lysosomihajotukseen tehokkaammin kuin vastaavat Phe27-varianttimuodot. Prosessointieroista huolimatta variantit eivät poikkea toisistaan farmakologisilta ominaisuuksiltaan, ja ne aktivoivat G proteiineja samalla tavalla. Väitöskirjassa tutkittiin myös farmakologisten kaperonien toimintamekanismeja käyttämällä mallina δ-opioidireseptorin Cys27-varianttia ja sen pistemutaatiota (Asp95Ala). Farmakologisten kaperonien eli reseptorispesifisten ligandien todettiin sitoutuvan reseptoreihin endoplasmakalvostossa ja stabiloivan niiden rakennetta, mikä vähentää reseptorin ja proteiinien laadunvalvontaan osallistuvan kaperonin, kalneksiinin, välistä vuorovaikutusta. Tämä johtaa reseptorien määrän kasvuun solun pinnalla.

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 Molecular oxygen is a prerequisite for essential metabolic processes in multicellular organisms. However, the supply of oxygen can be disturbed and tissue aerobic metabolism becomes compromised in several pathophysiological conditions. In prolonged hypoxia, cells initiate cell type-specific adaptation processes, which are typically mediated by alterations in gene expression. Changes are mainly driven by a transcription factor called hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1). Heart muscle is a highly oxidative tissue and HIF-1 activation turns on myocardial adaptation mechanisms for enhanced survival in oxygen-deprived conditions. The aim of this study was to characterize myocardial gene expression changes during chronic hypoxia and couple the adaptational changes to cardiomyocyte function. The role of hypoxia and HIF-1 activation was studied by using in vitro mouse and rat heart cell culture models, tissue perfusions and in vivo infarction models. In this study, apelin, sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase (SERCA2a) and G protein-coupled receptor 35 (GPR35) were characterized as novel functionally important myocardial HIF-1 target genes. Apelin and GPR35 were induced in hypoxia, while SERCA2a expression was reduced HIF-1 dependently. HIF-1 activation also altered cardiac myocyte contractility through modulation of SERCA2a and GPR35 expression, leading to impairment of the cellular calcium metabolism. Reduced contractility was suggested to serve as an adaptive mechanism for reduced aerobic ATP production in hypoxic conditions. This study presents novel information about the plasticity of myocardial adaptation to prolonged hypoxia. The role of a conserved transcription factor, HIF-1, was shown to be essential in the adaptation process in the myocardial cells. / Tiivistelmä Riittävä hapensaanti on välttämätöntä monisoluisten eliöiden elintoiminnoille. Hapensaanti voi kuitenkin häiriintyä erilaisissa tautitiloissa, jolloin happea käyttävät prosessit estyvät. Hapenpuutteen (hypoksia) pitkittyessä elimistön solut aloittavat sopeutumisen tilanteeseen muuttamalla toimintaansa geenien ilmentymismuutosten kautta. Adaptaatiota ohjaa pääasiassa hypoksia-indusoituva tekijä 1 (HIF-1). Sydän käyttää runsaasti happea energiantuotannossaan. Hapenpuutteen aikana HIF-1-transkriptiotekijä muuttaa sydämen geenien ilmentymistä siten, että sydänsolut selviävät paremmin happivajaissa olosuhteissa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli määrittää sydämen geenien ilmentymisen hapenpuutevasteita ja yhdistää muutokset sydänsolujen toiminnallisiin muutoksiin. Hapenpuutteen ja HIF-1:n merkitystä sopeutumisessa tutkittiin käyttäen malleina rotan ja hiiren sydänsoluviljelmiä, in vitro-kudosperfuusiomalleja sekä in vivo-sydäninfarktimalleja. Tässä työssä havaittiin apeliinin, sarkoplasmisen kalvoston Ca2+-ATPaasin (SERCA2a) sekä G-proteiinikytketyn reseptori 35:n olevan toiminnallisesti tärkeitä HIF-1:n säätelemiä geenejä sydämessä. Apeliinin sekä GPR35:n ilmentyminen lisääntyi hypoksian aikana, mutta SERCA2a:n ilmentyminen sen sijaan väheni HIF-1 –aktivaation seurauksena. HIF-1 –aktivaation osoitettiin myös vähentävän sydänsolujen supistustoimintaa muuttuneiden SERCA2a:n ja GPR35:n ilmentymisten kautta. Heikentynyt supistustoiminta sopeuttaa soluja vähentyneeseen aerobiseen ATP:n tuottoon hapenpuutteen aikana. Tämä tutkimus antaa lisätietoa sydämen sopeutumiskyvyn mukautumisesta pitkittyneeseen hapenpuutteeseen. Lisäksi tutkimus osoittaa HIF-1:n roolin olevan oleellinen myös sydänsolujen hypoksia-adaptaatioprosesseissa.

Abstract The delta opioid receptor (δOR) is a member of the G protein-coupled receptor family. This transmembrane receptor has an important role in the regulation of pain. The OPRD1 gene that encodes the human δOR (hδOR) contains at least 11 single-nucleotide polymorphisms (SNPs). The only nonsynonymous SNP resides in the amino-terminal (N-terminal) domain of the receptor and it replaces Phe at position 27 with Cys, thus introducing an unpaired Cys residue on the extracellular surface of the receptor. The Cys27 variant has been shown to have an allelic frequency of about 10% in Caucasian populations. The polymorphic site is flanked by two putative N-glycosylation sites at Asn18 and Asn33. In this study, the folding, maturation and trafficking of hδOR was assessed using the hδORPhe27 and hδORCys27 variants and the N-glycosylation deficient forms of the latter as models in a heterologous expression system. The effects of N-glycosylation and the unpaired Cys-residue were studied with various biochemical, pharmacological and cell biological methods. In addition, protein-protein interactions of the intracellular hδOR precursors were assessed. The hδORCys27 and hδORPhe27 variants differed significantly in their subcellular localization and maturation efficiency. The newly synthesized hδORCys27 was found to accumulate in the endoplasmic reticulum (ER) prior to its ER-associated degradation in proteasomes. Although a slow maturation rate was characteristic for both variants, only the hδORCys27 had poor maturation efficiency. The cell surface expression of hδORCys27 was further decreased because the constitutive internalization of this receptor was enhanced compared to hδORPhe27. N-linked glycosylation was not required for hδOR function or ligand binding, but was important for the expression of the correctly folded receptor species at the cell surface. The mutant non-N-glycosylated receptor was shown to traffic to the cell surface with enhanced kinetics, but some of the plasma membrane receptors were in a nonnative conformation. Also, the overall levels of the non-N-glycosylated hδORCys27 were decreased as the receptor was efficiently internalized for lysosomal degradation in a constitutive fashion. The hδORCys27 and hδORPhe27 precursors were found to interact with several ER localized proteins, such as calnexin (CNX), protein disulfide isomerase (PDI) and ERp72. The receptors also associated with the sarco(endo)plasmic reticulum calcium ATPase 2b (SERCA2b), which was shown to occur during translocation of the receptor to the ER membrane or immediately thereafter. The interaction was not receptor N-glycan dependent and the normal functional activity of SERCA2b was shown to be required for proper cell surface expression of hδOR. / Tiivistelmä δ-opioidireseptori kuuluu G-proteiinikytkentäisiin reseptoreihin, ja sillä on tärkeä rooli kivun säätelyssä. Ihmisen δ-opioidireseptoria koodaavassa OPRD1 geenissä on havaittu ainakin 11 yhden nukleotidin polymorfiaa. Vain yksi tunnetuista polymorfioista aiheuttaa muutoksen proteiinin aminohapposekvenssiin. Se sijaitsee reseptorin aminoterminaalisessa osassa ja se muuttaa fenyylialaniinin (Phe) kohdassa 27 kysteiiniksi (Cys), joka on pariton. Cys27-variantin yleisyys eurooppalaisessa väestössä on noin 10 %. Polymorfisen kohdan molemmilla puolilla on N-glykosylaatiokohdat asparagiineissa Asn18 ja Asn33. Tämän työn tavoitteena oli tutkia δ-opioidireseptorin laskostumista, maturaatiota ja kuljetusta heterologisessa solumallissa käyttämällä Phe27- ja Cys27-variantteja sekä Cys27-variantin N-glykosyloimatonta mutanttia. Cys27-polymorfian ja N-glykosylaation vaikutuksia tutkittiin useilla biokemiallisilla, farmakologisilla sekä solubiologisilla menetelmillä. Lisäksi työssä tutkittiin solunsisäisen δ-opioidireseptorin esiasteen vuorovaikutusta muiden proteiinien kanssa. Phe27- ja Cys27-varianttien sijainti solun sisällä ja maturaatiotehokkuus eroavat toisistaan merkittävästi. Vastasyntetisoitu Cys27-variantti kerääntyy endoplasmakalvostoon, josta se ohjautuu proteasomihajoitukseen. Molemmat variantit kulkeutuvat solun pintaan hitaasti. Cys27-variantin prosessointi on huomattavasti tehottomampaa ja sen määrää solun pinnalla vähentää myös lisääntynyt ohjaaminen solunsisäiseen lysosomihajotukseen. N-glykosylaatiolla ei havaittu olevan vaikutusta reseptorin toimintaan tai ligandin sitomiseen, mutta sillä on tärkeä merkitys oikein laskostuneiden reseptorien kuljetukselle solun pinnalle, koska osa pintaan päässeistä N-glykosyloimattomista reseptoreista on muodossa, johon reseptorispesifinen ligandi ei sitoudu. Vaikka mutanttireseptori kulkeutuukin solun pintaan nopeammin, sen määrä solun pinnalla on alhaisempi, koska mutanttireseptori ohjataan huomattavan nopeasti solun pinnalta lysosomihajotukseen. Phe27- ja Cys27-varianttien havaittiin olevan myös vuorovaikutuksessa eräiden endosomaalisen kalvoston proteiinien kanssa, kuten kalneksiinin, proteiinidisulfidi-isomeraasin ja ERp72-proteiinin. Kumpikin reseptori havaittiin yhteisessä rakenteessa sarko(endo)plasmakalvoston kalsium-ATPaasi 2b -pumpun (SERCA2b) kanssa N-glykosylaatiosta riippumattomalla tavalla. Nämä proteiiniryhmät muodostuvat, kun reseptori liitetään synteesin aikana endoplasmakalvostoon tai heti sen jälkeen. Vuorovaikutus toiminnallisen SERCA2b:n kanssa havaittiin tärkeäksi toimintakykyisen δ-opioidireseptorin esiintymiselle solun pinnassa.

Abstract Anti-Müllerian hormone (AMH) was identified originally in connection with its role in male sexual differentiation. In females, AMH is secreted by ovarian granulosa cells of growing follicles and its serum levels correlate well with the remaining number of follicles, thus reflecting ovarian reserve. The aim of this study was to explore the expression and secretion of AMH in human ovarian development and in various disorders resulting in decreased reproductive function. In fetal ovaries, AMH expression was found to be initiated at midgestation and it increased gradually towards term. In serum samples from infant girls, transient postnatal activation of the pituitary-ovarian axis was found and it occurred later in premature infants, reflected in lower serum AMH levels and lower numbers of growing follicles. This immaturity resulted in insufficient feedback from ovary to pituitary and may explain the higher levels of follicle-stimulating hormone (FSH) in these girls. Ovarian follicle reserve is typically diminished in women with primary ovarian insufficiency (POI). Assay of serum AMH may be used to identify women with POI and existing follicles, as women with FSH receptor mutation who were known to have follicles had serum AMH levels in low normal range and girls/women with Turner syndrome mosaicism had higher serum AMH levels compared with those with other karyotypes. The diagnostics and follow-up of ovarian granulosa cell tumors (GCTs) are challenging as a result of the rarity of the disease and late possible recurrences. Assay of serum AMH combined with assay of the currently used marker inhibin B was shown to improve follow-up of GCTs in individual patients, compared with serum inhibin B measurement alone. The analyses revealed that AMH and inhibin B assays perform similarly in detecting macroscopic tumors. Continuous use of combined hormonal contraceptives inhibited ovarian activity independently of the administration route, as serum AMH levels decreased significantly and similarly during oral, transdermal or vaginal administration. The decrease of serum AMH levels indicates that AMH is secreted partially from FSH-dependent follicles. The study provides novel information on AMH secretion in ovarian development, and the use of AMH assay in assessing ovarian reserve and detecting ovarian disorders such as ovarian insufficiency and GCTs. / Tiivistelmä Naisen munasarjassa munarakkuloiden granuloosasolut erittävät anti-Müllerian hormonia (AMH), ja sen pitoisuudet seerumissa heijastavat jäljellä olevien munarakkuloiden määrää. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin AMH:n eritystä ja ilmentymistä munasarjan kehityksen aikana ja erilaisissa munasarjan toiminnan häiriötiloissa. Tuloksina havaittiin, että AMH:a ilmentyy sikiökaudella munasarjassa jo keskiraskaudesta eteenpäin. Syntymän jälkeen otetuissa seeruminäytteissä todettiin ohimenevä aivolisäkkeen ja munasarjan aktivaatio, joka ilmeni myöhemmin ennenaikaisesti syntyneillä tytöillä. Heillä havaittiin vähemmän kasvavia munarakkuloita ja matalammat seerumin AMH-pitoisuudet syntymän jälkeen kuin täysiaikaisilla tytöillä. Tämä kypsymättömyys johtui todennäköisesti munasarjan riittämättömästä palautejärjestelmästä aivolisäkkeeseen, mikä voi selittää korkeammat follikkelia stimuloivan hormonin (FSH) pitoisuudet ennenaikaisesti syntyneillä tytöillä. Ennenaikainen munasarjojen toiminnan hiipuminen voi johtua esim. kromosomi- tai geenivirheestä. Naisilla, joilla on virheellinen FSH-reseptori, tiedetään olevan munarakkuloita jäljellä, ja tulokset osoittivat seerumin AMH-pitoisuuksien olevan lähes normaali näillä naisilla. Myös tytöillä ja naisilla, joilla on todettu Turnerin oireyhtymän mosaikismi, AMH-pitoisuudet olivat merkittävästi korkeammat verrattuna muihin karyotyyppeihin. Täten AMH-määrityksen avulla voidaan mahdollisesti löytää ennenaikaisesta munasarjojen toiminnan hiipumisesta kärsivien joukosta ne naiset, joilla on vielä jäljellä munarakkuloita. Munasarjan granuloosasolukasvaimen diagnostiikka ja seuranta ovat haastavia kasvaimen myöhäisen uusiutumistaipumuksen ja harvinaisuuden vuoksi. Tulokset osoittivat, että seerumin AMH-määrityksen yhdistäminen tällä hetkellä käytössä olevaan inhibiini B -määritykseen voisi parantaa yksittäisten potilaiden seurantaa makroskooppisen kasvaimen toteamisen osalta. Tutkimus osoitti hormonaalisten yhdistelmäehkäisyvalmisteiden jatkuvan käytön vähentävän munasarjan aktiivisuutta merkittävästi annostelureitistä riippumatta, koska seerumin AMH-pitoisuudet laskivat samalla tavalla ehkäisypilleriä, -rengasta ja -laastaria käyttävillä naisilla. Tutkimus toi uutta tietoa AMH:n erityksestä munasarjan kehityksen aikana sekä AMH-määrityksen käytön mahdollisuuksista munarakkuloiden määrän arvioinnissa ja eri häiriötilojen tunnistamisessa.

Abstract Cancers of the alimentary tract include many common cancer types, some of which have well-established treatment protocols and relatively good prognosis, such as colorectal cancer, and others, which have generally very poor prognosis. The gastrointestinal canal is colonized by a multitude of bacteria, the effects of which are currently poorly understood. Toll-like receptor 9 (TLR9) in cells of the alimentary tract recognizes the bacterial DNA-fragments and regulates immune functions in the host and the cancer. This thesis examines the function and prognostic significance of Toll-like receptor 9 in oral and esophageal squamous cell carcinoma as well as in esophageal, gastric and colorectal adenocarcinoma. The studies were made using tissue samples from patient cohorts and various cell culture techniques. Our data indicate that high expression of Toll-like receptor 9 in cancer cells associates with metastatic properties in oral and esophageal cancers and poor prognosis in esophageal adenocarcinoma and oral squamous cell carcinoma. Cell culture studies further suggest that TLR9 is functional in alimentary tract cancers and mediates cellular invasion when activated. Based on the results, TLR9 is active in alimentary tract cancers and its expression is related to poor cancer prognosis. Thus, TLR9 may represent a novel therapeutic target in alimentary tract cancers and might provide a link between bacteria and oral and gastrointestinal cancer. / Tiivistelmä Ruuansulatuskanavan syöpiin lukeutuu useita yleisiä syöpätyyppejä, kuten kohtalaisen hyväennusteinen paksusuolen syöpä, jonka hoitokäytäntö on vakiintunut. Toisissa ruuansulatuskanavan syövissä puolestaan ennuste on hyvin huono. Mahasuolikanavaa asuttavat moninaiset bakteerikannat, joiden vaikutuksia ymmärretään vielä kehnosti. Tollinkaltainen reseptori 9 (TLR9) tunnistaa näiden bakteerien DNA-rakenteita ja vaikuttaa yksilön ja syövän immuunivasteeseen. Tämä väitöstutkimus selvittää TLR9:n toimintaa ja ennustevaikutusta suun ja ruokatorven levyepiteelisyövissä, sekä ruokatorven, mahalaukun ja paksusuolen adenokarsinoomassa. Tutkimus toteutettiin käyttäen syöpäpotilaiden kudosnäytteitä sekä soluviljelytekniikoita. Tuloksemme osoittavat, että TLR9:n lisääntynyt ilmentyminen syöpäsoluissa yhdistyy metastasointiin suu- ja ruokatorvisyövissä, sekä korkeaan kuolleisuuteen suun levyepiteelisyövässä ja ruokatorven adenokarsinoomassa. Soluviljelykokeidemme tuloksiin nojaten TLR9 toimii ruuansulatuskanavan syövissä ja sen aktivaatio saa aikaan solujen invasoitumisen. Tutkimustuloksiimme vedoten TLR9 on aktiivinen ja toimiva ruuansulatuskanavan syövissä ja sen ilmentyminen liittyy huonoon ennusteeseen. TLR9 saattaa osoittautua uudeksi syöpähoitojen kohteeksi tai yhdistäväksi tekijäksi syövän ja bakteerien välillä ruuansulatuskanavan syövissä tulevaisuudessa.