Abstract Skeletal muscle cells (myofibers) are huge multinucleated cells responsible for muscle contraction and hence for the everyday movements of the joints. The structure of these voluminous cells differs greatly from that of the mononucleated cells – the characteristic features of the myofibers include dozens of peripherally located nuclei, tightly packed contractile apparatus and a sophisticatedly organized endomembrane system. The basic physiology involving myofibers is quite well known, but scarce data exist on the membrane biology of the myofibers. The purpose of this study was to examine the localization of mRNA and the site of protein synthesis in the myofibers. The characterization of the membrane dynamics in muscle cells was also performed. In this study we utilized a primary cell culture model obtained from the rat flexor digitorum brevis (FDB) muscle. Also frozen sections from the rat extensor digitorum longus muscle were used. The precursor cells of the myofibers – myoblasts and myotubes – were also utilized in some experiments. Furthermore, methods of immunohistochemistry and molecular biology were applied extensively in this study. We found that in FDB myofibers the mRNA lies just under the plasma membrane. Protein synthesis seemed to be concentrated in the vicinity of nuclei locating beneath the plasma membrane but also in interfibrillar dot-like structures. Protein products moved hundreds of micrometers away from the nuclei of origin. Moreover, there were no barriers for protein movement into the core regions of the myofibers. Movement of proteins was found to be rapid in the cytosol and in the endomembrane system, too. Interestingly, when examining exocytic trafficking we observed that ER-to-Golgi trafficking significantly differed from that of mononucleated cells. Finally, myofibers were found to be able to generate lipid bodies under stress conditions. The dynamics of lipid bodies seemed to deviate from the dynamics found in other cells types. Nowadays not much muscle research with primary myofibers is done worldwide, and therefore dilemmas involving myofibers such as insulin resistance and myotoxicity of statins are mostly unresolved. The knowledge gained from this study may be used in the future to solve clinical problems related to the cell biology of the myofibers. / Tiivistelmä Luurankolihassolut eli myofiiberit ovat jättimäisiä monitumaisia soluja, jotka vastaavat lihassupistuksen aikaansaamisesta ja siten mahdollistavat jokapäiväisen liikkumisemme. Näiden suurten solujen rakenne poikkeaa selkeästi yksitumaisten solujen rakenteesta: myofiiberien tunnusomaisia piirteitä ovat kymmenet solun reunoille sijoittuneet tumat, tiiviisti pakkautunut supistumiskoneisto ja monimutkaisesti järjestynyt solukalvostojärjestelmä. Vaikka myofiiberien perusfysiologia tunnetaankin hyvin, niin tiedetään itse myofiiberien kalvostobiologiasta sangen vähän. Kokonaisuutena tämän tutkimuksen tarkoituksena oli tarkastella mRNA:n ja proteiinisynteesin sijaintia myofiibereissä. Lisäksi selvitimme lihassolujen kalvostodynamiikkaa. Tässä tutkimuksessa käytimme rotan flexor digitorum brevis (FDB) -lihaksesta saatua primääristä soluviljelymallia. Lisäksi hyödynsimme rotan extensor digitorum longus -lihaksesta hankittuja jääleikkeitä. Joissakin kokeissa käytimme myös myofiiberien esiastesoluja (myoblasteja ja myotuubeja). Immunohistokemian ja molekyylibiologian menetelmiä sovellettiin tutkimuksessa laajasti. Havaitsimme, että FDB –myofiibereissä mRNA sijaitsee aivan solukalvon alla. Proteiinisynteesi vaikutti olevan keskittynyt solukalvon alla sijaitsevien tumien ympärille, mutta myös solusisäisiin pistemäisiin rakenteisiin. Proteiinituotteet ylsivät satojen mikrometrien päähän alkuperäisestä tumastaan. Lisäksi proteiineille ei ilmennyt leviämisestettä myofiiberin sisäosiin. Leviämisen havaittiin olevan nopeaa sekä solulimassa että solulimakalvostoissa. Tutkiessamme solun eritystoimintaa huomasimme, että kuljetus ER:stä Golgin laitteeseen eroaa huomattavasti yksitumaisten solujen vastaavasta kuljetuksesta. Lopuksi havaitsimme myofiiberien pystyvän muodostamaan rasvapisaroita rasitusolosuhteissa. Rasvapisaroiden käyttäytyminen näytti myös poikkeavan siitä, mitä muissa soluissa on havaittu. Nykyään lihastutkimusta primäärisoluilla ei juuri tehdä maailmalla, minkä vuoksi myofiibereihin liittyvät lääketieteelliset pulmat kuten insuliiniresistenssi ja statiinien lihashaitat ovat suurelta osin ratkaisematta. Tästä tutkimuksesta saatuja tuloksia voitaneen jatkossa käyttää myofiiberien solubiologiaan liittyvien kliinisten ongelmien selvittämiseen.

Abstract Cellular signaling by G protein-coupled receptors (GPCRs) governs a wide array of physiological functions throughout the body. The human δ-opioid receptor (hδOR) is a GPCR that modulates the sensation of pain and mood and has great potential for the treatment of pain and a variety of neurological disorders. A common single-nucleotide polymorphism (SNP) in the extracellular N-terminal tail of hδOR changes Phe to Cys at position 27. Using various biochemical and cell biological methods, the study demonstrates that several events during receptor biosynthesis and cell surface delivery are affected by the SNP. These events participate in the multifaceted regulation of the receptor and modulate receptor behavior at the cell surface. Two distinct pathways were shown to scrutinize the quality of the synthesized hδOR in the endoplasmic reticulum (ER) and target some for degradation in N-glycan-dependent and -independent ways. The hδORCys27 that matures inefficiently required N-glycan-mediated interactions with the lectin-chaperone calnexin to be expressed in a fully functional form at the cell surface, whereas the N-glycan-independent pathway was sufficient for hδORPhe27. For both variants, the N-glycan-independent quality control, which is likely to operate as a back-up pathway, led to a more rapid export from the ER and receptors at the cell surface that were less stable. Receptor dimerization emerged as an important regulatory step for receptor cell surface delivery. In co-transfected cells, interactions between the newly-synthesized variants led to the retention and subsequent ER-associated degradation of hδORPhe27. This dominant-negative attenuation of hδORPhe27 cell surface expression by hδORCys27 may have unpredictable consequences for opioid signaling in heterozygous individuals. Finally, the study shows that N-acetylgalactosamine (GalNAc)-type O-glycosylation catalyzed in the Golgi modulates hδOR expression at the cell surface by enhancing receptor stability and inhibiting constitutive downregulation. The modification of Ser residues in the receptor N-terminus by GalNAc-transferase 2 was affected by the SNP, which presents another distinction in the cellular processing of the two variants. The findings highlight the importance of the biosynthetic pathway in the regulation of GPCR behavior and pave way for strategies for treatments targeting GPCRs at this level. / Tiivistelmä Solujenvälisellä viestinnällä on keskeinen tehtävä kehon kaikissa toiminnoissa. δ-opioidireseptori (δOR) on solusignalointiin erikoistuneen kalvoproteiiniperheen (G-proteiiniin kytketyt reseptorit) jäsen, joka ohjaa kivuntuntemusta ja mielialoja. Sitä pidetään mahdollisena lääkekehityksen kohteena paitsi kivunlievityksen, myös useiden neurologisten häiriöiden hoidossa. δOR ilmenee kahtena polymorfisena muotona sen solunulkoisessa osassa tapahtuneen aminohappomuutoksen vuoksi (Phe27Cys). Työssä tutkittiin reseptorin glykosylaatiota ja dimerisaatiota, jotka säätelevät sen prosessointia, käyttäytymistä ja toimintaa. Käyttäen useita biokemiallisia ja solubiologisia menetelmiä työssä osoitettiin polymorfian vaikuttavan useisiin prosessointivaiheisiin ja muokkaavan siten reseptorin viestintää. Proteiinien laadunvalvontakoneiston havaittiin säätelevän reseptorin siirtymistä endoplasmakalvostolta solun pinnalle kahdella eri mekanismilla ohjaten osan reseptoreista hajotukseen. Toisin kuin Phe27-variantin, tehottomasti kypsyvän Cys27-variantin laadunvalvonta on riippuvainen reseptoriin liittyvistä N-glykaaneista ja näihin sitoutuvasta kaitsijaproteiinista, kalneksiinista. Reseptorivariantit, joista N-glykaanit puuttuvat, siirtyvät nopeammin solukalvolle, mutta ne ovat epästabiileja ja häviävät nopeasti solun pinnalta. Vaihtoehtoinen N-glykaaneista riippumaton laadunvalvontamekanismi sallii myös inaktiivisen Cys27-variantin pääsyn solun pinnalle. Varianttien dimerisoitumisen osoitettiin säätelevän niiden kuljetusta soluissa. Cys27-variantin havaittiin sitoutuvan Phe27-varianttiin aikaisessa biosynteesivaiheessa ja ohjaavan osan siitä hajotukseen. Tällä voi olla suuri merkitys opioidiviestinnässä molempia alleeleja kantavilla henkilöillä. Työssä havaittiin myös GalNAc-transferaasi-2-entsyymin ohjaavan Golgin laitteessa tapahtuvaa reseptorin O-glykosylaatiota. Se glykosyloi reseptorin solunulkoisen osan seriinitähteitä (Ser6, Ser25, Ser29), stabiloiden siten solun pinnan reseptoreita ja tehostaen niiden viestintää. Lisäksi havaittiin eroja varianttien O-glykosylaatiossa, mikä voi osaltaan selittää varianttien ilmentymisessä todettuja eroja. Tutkimus luo uutta tietoa biosynteesireitin merkityksestä G-proteiiniin kytkettyjen reseptorien säätelyssä sekä antaa pohjaa keinoille, joilla tätä voitaisiin hyödyntää farmakologisesti.