Abstract Cardiac and skeletal muscle cell contraction is a result of excitation-contraction coupling (ECC), where an electrical signal leads to a rise in intracellular calcium levels and contraction. This process is carefully regulated to meet physiological demand and heavily dependent on an adequate energy supply. Disturbed ECC can have severe consequences on muscle cell function and underlies many cardiac and skeletal muscle pathologies. Cell stress, changing intracellular Ca2+ concentrations, and calcium signal dynamics can all play a role in the transcriptional regulation of genes involved in myocyte Ca2+-handling. In this thesis project, the transcriptional control of ECC was studied in skeletal and cardiac myocytes. Skeletal myocyte calsequestrin (CASQ1) was downregulated in a mouse model of mitochondrial myopathy and it contributed to the decreased SR Ca2+ load and impaired Ca2+ handling in Tfam-/- skeletal myocytes. In cultured neonatal cardiomyocytes, mitochondrial uncoupler FCCP-induced mitochondrial dysfunction led to downregulation of cardiac calsequestrin (CASQ2) and similarly impaired Ca2+ handling. Whereas there was no increase in reactive oxygen species (ROS) levels in Tfam-/- myocytes, cultured cells exposed to FCCP did display increased ROS, an effect that was counteracted by coexposure with the ROS scavenger (NAC). NAC attenuated FCCP-induced CASQ2 downregulation and restored Ca2+ handling. Therefore, mitochondrial dysfunction led to CASQ1/2 downregulation and impaired Ca2+ handling in these two cell types, but by different mechanisms. This project also looked at the role of Ca2+ dynamics on the transcriptional regulation of Ca2+ handling genes. Increased intracellular Ca2+ levels and β-adrenergic stimulation of cardiomyocytes activate Ca2+-calmodulin kinase II (CaMKII) and can trigger hypertrophic remodeling. It was found that CaMKII downregulated expression of the L-type Ca2+ channel α1c-subunit (Cacna1c) in cultured cardiomyocytes. Analysis of the Cacna1c promoter revealed that the transcriptional repressor DREAM bound to a putative downstream regulatory element. The results shed light on the complex interplay between muscle cell energetics and transcriptional regulation of SR Ca2+ handling proteins. A unique pathway for Cacna1c transcriptional regulation by CaMKII and DREAM was also described. / Tiivistelmä Sydän- ja luustolihassolujen supistuminen on seurausta ärsytys-supistuskytkennästä (ECC), jossa sähköinen ärsytys kohottaa solunsisäistä kalsiumpitoisuutta ja aiheuttaa supistuksen. Tätä säädellään tarkasti fysiologisen tarpeen mukaan, ja se riippuu riittävästä energian saannista. Häiriintynyt ECC voi aiheuttaa vakavia seurauksia lihassolujen toiminnalle, ja se on mukana monien sydän- ja luustolihasten sairauksien synnyssä. Tässä tutkimuksessa ECC:n transkriptionaalista säätelyä tutkittiin luustolihasten ja sydämen lihassoluissa. Luustolihassolujen kalsekvestriinin (CASQ1) väheneminen pienensi SR:n Ca2+-määrää mitokondrioiden myopatian hiirimallissa ja heikensi Ca2+-tasapainon ylläpitoa Tfam-/--luustolihassoluissa. Viljellyissä vastasyntyneiden kammio-sydänlihassoluissa mitokondrio-irtikytkijän FCCP:n aiheuttama mitokondrioiden toimintahäiriö johti sydämen kalsekvestriinin (CASQ2) vähenemiseen ja heikensi samalla tavalla Ca2+-tasapainon ylläpitoa. Vaikka Tfam-/--myosyyteissä reaktiivisten happilajien (ROS) tasot eivät olleet koholla, FCCP:lle altistetuissa viljellyissä soluissa ROS kuitenkin lisääntyi. Vaikutusta esti ROS-puhdistaja NAC, joka heikensi FCCP:n aiheuttamaa CASQ2:n laskua ja palautti Ca2+-säätelyn normaaliksi. Mitokondrioiden toimintahäiriö siis johti CASQ1/2:n vähenemiseen ja Ca2+-säätelyn heikentymiseen molemmissa solutyypeissä, mutta eri mekanismeilla. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin myös Ca2+-dynamiikan osuutta Ca2+-tasapainoon osallistuvien geenien transkription säätelyssä. Lisääntynyt solunsisäinen Ca2+-taso ja sydänlihassolujen β-adrenerginen stimulointi aktivoivat Ca2+-kalmoduliinikinaasi II:n (CaMKII), ja ne voivat laukaista sydämen hypertrofisen uudelleenmuovautumisen. Havaittiin, että CaMKII vähensi L-tyypin Ca2+-kanavan a1c-alayksikön (Cacna1c) ilmentymistä viljellyissä sydänlihassoluissa. Promoottorianalyysi osoitti tämän johtuvan transkription repressorin DREAM:n sitoutumisesta oletettuun DRE:hen (alavirrassa sijaitseva säätelyelementti). Nämä tulokset tuovat uutta tietoa lihassolujen energiatalouden ja SR:n Ca2+:n vaikuttavien proteiinien transkription säätelyn vuorovaikutuksesta. Lisäksi havaittiin ainutlaatuinen Cacna1c-transkription säätelyn reitti, johon osallistuvat CaMKII ja DREAM.

Abstract Childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL) is the most common cancer in children. The overall survival rate has reached to 90%. However, ALL still presents a significant disease burden and is a major cause for deaths in children. Recently, both inherited germline variants related to ALL susceptibility and somatic genetic variants forming novel subgroups of ALL have been discovered. In this thesis two families with familial ALL were studied. Constitutional heterozygous microdeletion at chromosome 7p12.1p13, including IKZF1, was discovered in the first family with intellectual impairment, overgrowth, and susceptibility to childhood ALL. In the second family, constitutional chromosome translocation was revealed in two individuals with childhood ALL and, subsequently, in seven unaffected family members. The balanced reciprocal translocation t(12;14)(p13.2;q23.1) resulted in breakpoints on two genes; ETV6 on chromosome 12 and RTN1 on chromosome 14. Only a few familial and sporadic ALL cases with germline variants in either IKZF1 or ETV6 have been published, thus supporting the significant role of these constitutional variants in childhood ALL predisposition. Inherited bone marrow failure syndromes (IBMFS) may predispose to childhood leukemia, including ALL. Two unrelated patients were diagnosed with bone marrow failure without the symptoms of classical IBMFS. Neither patient had any signs of developmental delay or congenital anomalies. Exome sequencing revealed identical c.1457del(p.(Ile486fs)) mutation on the ERCC6L2 gene in both patients. A few patients with IBMFS and ERCC6L2 variants have been described in previous studies. Some of them also had congenital craniofacial anomalies and developmental delay that were not detected in the patients in this thesis. The ALL cohort study on genetic variation of mitochondrial DNA (mtDNA) included 36 children. Metabolic change where malignant cells uncouple energy production from oxidative phosphorylation (OXPHOS) is one of the established hallmarks of cancer. In the cohort in this study, 22% of patients harbored nonsynonymous variants on mtDNA in the protein-coding genes of OXPHOS enzyme complexes. The somatic non-neutral variants were found in patients with a poor prognosis cytogenetic marker. The results support the hypothesis that cancer cells harbor mtDNA variants that may affect the cell metabolism. / Tiivistelmä Akuutti lymfoblastileukemia (ALL) on lasten yleisin syöpä. Vaikka nykyisin noin 90 prosenttia paranee, ALL aiheuttaa huomattavan paljon sairastavuutta ja on merkittävä lasten kuolinsyy. Vastikään on löydetty perinnöllisiä geneettisiä muutoksia, jotka altistavat lapsuusiän ALL:lle. Tutkimuksen kohteena oli kaksi perhettä, joissa vähintään kaksi lasta on sairastunut ALL:aan. Ensimmäisessä perheessä havaittiin lapsuusiän ALL:aan sairastuneilla kehityshäiriöisillä sisaruksilla äidiltä periytyvä heterotsygoottinen deleetio kromosomissa 7p12.1p13, jossa sijaitsee IKZF1-geeni. Toisessa perheessä perinnöllinen kahden kromosomin translokaatio todettiin kahdella lapsuusiän ALL:aan sairastuneella sekä seitsemällä perheenjäsenellä. Balansoitu translokaatio t(12;14)(p13.2;q23.1) aiheuttaa katkaisukohdan ETV6-geeniin kromosomissa 12 ja RTN1-geeniin kromosomissa 14. Tähän mennessä on julkaistu vain muutamia tutkimuksia potilaista, joilla on ollut perinnöllinen muutos joko IKZF1- tai ETV6-geenissä. Näillä geeneillä oletetaan olevan tärkeä merkitys perinnöllisessä alttiudessa sairastua lapsuusiän ALL:aan. Perinnölliset luuytimen toimintahäiriöt voivat altistaa leukemialle, kuten ALL:lle. Kahdella lapsella todettiin luuytimen toimintahäiriö, mutta ei muita oireita, jotka voisivat liittyä tyypillisiin perinnöllisiin luuytimen toimintahäiriöihin. Eksomisekvensoinnissa todettiin identtinen, homotsygoottinen mutaatio c.1457del(p.(Ile486fs)) ERCC6L2-geenissä. Kirjallisuuslähteiden mukaan vain muutamalla potilaalla on todettu ERCC6L2-geenin muutoksesta johtuva luuytimen toimintahäiriö. Osalla heistä on ollut synnynnäisiä kallon ja kasvojen anomalioita sekä kehityshäiriö, jollaisia tähän tutkimukseen osallistuneilla potilailla ei todettu. Potilaskohorttitutkimuksessa tutkittiin mitokondriaalisen DNA:n (mtDNA) muutoksia ALL:aan sairastuneilla lapsilla. Syöpäsolut eivät hyödynnä mitokondrion elektroninsiirtoketjua energian tuotantoon, ja tämä aineenvaihdunnan muutos on tunnustettu syövän ominaisuus. Tutkimuksessa havaittiin, että 22 prosentilla potilaista ilmeni diagnoosivaiheessa poikkeavia mtDNA:n muutoksia, jotka olivat elektroninsiirtoketjun entsyymien alayksiköitä koodaavissa geeneissä. Muutoksia todettiin useimmiten potilailla, joilla oli leukemiasoluissa huonon ennusteen geneettinen tekijä. Havaitut muutokset voivat mahdollisesti vaikuttaa leukemiasolun energia-aineenvaihduntaan.

Abstract Cardiovascular abnormalities are frequent after non-traumatic intracranial hemorrhage (NT-IH). They have mainly been studied in patients with subarachnoid hemorrhage (SAH), in which they have been reported to be associated with a poorer outcome. The aim of this observational clinical study was to evaluate cardiovascular abnormalities in patients with NT-IH requiring intensive care: clinical picture, predisposing factors and impact on outcome were examined. Additionally, the validity of cardiac output (CO) monitoring via uncalibrated arterial pressure waveform analysis (APCO, FloTrac/Vigileo™) was evaluated. The thesis was comprised of retrospective (n=229) and prospective (n=108) studies. The cardiovascular abnormalities evaluated were repolarization abnormalities (RAs) in electrocardiography (ECG), myocardial injury and dysfunction, and neurogenic pulmonary edema (NPE). Cardiovascular dysfunction severity was assessed using the Sequential Organ Failure Assessment cardiovascular (SOFAcv) score. Predisposing factors for RAs and NPE were examined. The one-year mortality and functional outcome were assessed. APCO was compared with the intermittent bolus thermodilution technique (TDCO). Cardiovascular abnormalities were almost universal after NT-IH and comparable after intracerebral hemorrhage (ICH) and SAH. Each RAs (QT interval prolongation, ischemic-like ECG changes and morphological end-repolarization abnormalities) had characteristic predisposing factors. The Acute Physiology And Chronic Health Evaluation (APACHE) II score ≥20 and systemic interleukin 6 concentration >40 pg/mL were independent predictors for NPE. In the retrospective study the mortality rate was 32% after SAH and 44% after ICH. In the prospective study the rates for mortality were 18% vs. 29% and for a poor functional outcome 41% vs. 69%, respectively. Ischemic-like ECG changes were associated with a poorer functional outcome. APCO underestimated CO compared to TDCO and was biased by low systemic vascular resistance (SVR). In conclusion, cardiovascular abnormalities after NT-IH are comparable after SAH and ICH. Predisposing factors for each RAs vary. Inflammatory mechanisms play an important role in NPE development. Ischemic-like ECG changes are associated with a poorer one-year functional outcome. The validity of APCO is insufficient and biased by low SVR in patients with NT-IH. / Tiivistelmä Sydämen ja verenkierron toimintahäiriöt ovat yleisiä ei-traumaattisen aivoverenvuodon (NT-IH) jälkeen. Niitä on tutkittu lähinnä lukinkalvonalaisvuotopotilailla (SAV), joilla niiden on todettu olevan yhteydessä huonompaan ennusteeseen. Tässä havainnoivassa kliinisessä tutkimuksessa selvitettiin tehohoidettujen NT-IH -potilaiden sydämen ja verenkierron toimintahäiriöiden kliinistä oirekuvaa, altistavia tekijöitä ja vaikutusta ennusteeseen. Tutkimuksessa arvioitiin myös valtimopainekäyräanalyysiin perustuvan monitorointimenetelmän (APCO, FloTrac/Vigileo™) luotettavuutta mitattaessa sydämen minuuttitilavuutta. Väitöskirjatyö koostui retrospektiivisesta (n=229) ja prospektiivisesta (n=108) tutkimuksesta. Tutkittavia toimintahäiriöitä olivat elektrokardiografiassa (EKG) nähtävät repolarisaatiohäiriöt (RAs), sydänlihaksen vaurio ja supistumishäiriö sekä keuhkopöhö. Sydämen ja verenkierron toimintahäiriön yleistä vaikeusastetta arvioitiin SOFAcv -pisteytyksellä. RAs:lle ja keuhkopöhölle altistavia tekijöitä määritettiin. Potilaiden kuolleisuus ja toiminnallinen ennuste selvitettiin vuoden seuranta-aikana. APCO:a verrattiin lämpölaimennusmenetelmään (TDCO). Sydämen ja verenkierron toimintahäiriöitä esiintyi lähes kaikilla, eivätkä ne oirekuvaltaan eronneet aivokudoksen sisäistä vuotoa (ICH) ja SAV:a sairastavilla potilailla. Eri RAs:llä (QT-ajan pidentyminen, iskeemistyyppiset EKG-muutokset ja loppurepolarisaation morfologiset poikkeavuudet) oli kullekin ominaiset altistavat tekijät. APACHE II –pisteet ≥20 ja veren interleukiini 6 –pitoisuus >40 pg/ml ennustivat keuhkopöhön kehittymistä. Retrospektiivisessä aineistossa kuolleisuus oli 32 % SAV-potilailla ja 44 % ICH-potilailla. Prospektiivisessa aineistossa kuolleisuus ja huono toiminnallinen ennuste olivat vastaavasti 18 % vs. 29 % ja 41 % vs. 69 %. Iskeemistyypiset EKG-muutokset olivat yhteydessä huonompaan toiminnalliseen ennusteeseen. APCO aliarvioi TDCO:a matalan systeemiverenkierron vastuksen (SVR) kasvattaessa harhaa. Yhteenvetona todettakoon, että sydämen ja verenkierron toimintahäiriöt eivät eroa SAV- ja ICH-potilailla. Eri RAs:lle altistavat kullekin ominaiset tekijät. Tulehdukselliset mekanismit ovat keskeisiä keuhkopöhön kehittymisessä. Iskeemistyyppiset EKG-muutokset ovat yhteydessä huonompaan toiminnalliseen ennusteeseen. APCO:n luotettavuus NT-IH -potilailla on riittämätön, ja harhaa lisää matala SVR.