Search

In the 21st century, human-induced global climate change has been highlighted as one of the most serious threats to ecosystems worldwide. According to global climate scenarios, the mean temperature in Finland is expected to increase by 1.8 4.0°C by the end of the century. The regional and seasonal change in temperature has predicted to be spatially and temporally asymmetric, where the High-Arctic and Antarctic areas and winter and spring seasons have been projected to face the highest temperature increase. To understand how species respond to the ongoing climate change, we need to study how climate affects species in different phases of their life cycle. The impact of climate on breeding and migration of eight large-sized bird species was studied in this thesis, taking food availability into account. The findings show that climatic variables have considerable impact on the life-history traits of large-sized birds in northern Europe. The magnitude of climatic effects on migration and breeding was comparable with that of food supply, conventionally regarded as the main factor affecting these life-history traits. Based on the results of this thesis and the current climate scenarios, the following not mutually exclusive responses are possible in the near future. Firstly, asymmetric climate change may result in a mistiming of breeding because mild winters and early spring may lead to earlier breeding, whereas offspring are hatching into colder conditions which elevate mortality. Secondly, climate induced responses can differ between species with different breeding tactics (income vs. capital breeding), so that especially capital breeders can gain advantage on global warming as they can sustain higher energy resources. Thirdly, increasing precipitation has the potential to reduce the breeding success of many species by exposing nestlings to more severe post-hatching conditions and hampering the hunting conditions of parents. Fourthly, decreasing ice cover and earlier ice-break in the Baltic Sea will allow earlier spring migration in waterfowl. In eiders, this can potentially lead to more productive breeding. Fifthly, warming temperatures can favour parents preparing for breeding and increase nestling survival. Lastly, the climate-induced phenological changes in life history events will likely continue. Furthermore, interactions between climate and food resources can be complex and interact with each other. Eiders provide an illustrative example of this complexity, being caught in the crossfire between more benign ice conditions and lower salinity negatively affecting their prime food resource. The general conclusion is that climate is controlling not only the phenology of the species but also their reproductive output, thus affecting the entire population dynamics. Globaali ilmastonmuutos on nostettu 2000-luvulla yhdeksi suurimmista uhkista maailman ekosysteemeille. Ilmastoennusteiden perusteella maapallon keskilämpötilan on ennustettu nousevan 1.8 4.0 astetta kuluvan vuosisadan loppuun mennessä. Muutosten on esitetty olevan ajallisesti ja paikallisesti epäsymmetristä: lämpötilan nousu on voimakkainta napa-alueilla sekä talvi- ja kevätkuukausina. Ymmärtääksemme, miten lajit pystyvät vastaamaan muuttuviin ilmasto-oloihin, on tutkittava miten ilmastotekijät vaikuttavat lajeihin eri elinkierron vaiheissa. Tässä tutkimuksessa selvitettiin, miten ilmasto vaikutti muuton ajoittumiseen ja pesintään kahdeksalla suurikokoisella lintulajilla ottaen ravinto-olosuhteet huomioon. Tulokset osoittavat, että ilmastomuuttujilla on useilla lajeilla yhtä suuri merkitys pesintään kuin ravinnolla, jota on perinteisesti pidetty keskeisenä lisääntymiseen vaikuttavana tekijänä. Tulosten ja vallitsevien ilmastoskenaarioiden perusteella muuttuvan ilmaston on ennustettavissa vaikuttaa Pohjois-Euroopan lintulajeihin seuraavilla tavoilla. Lämpenevä lopputalvi ja alkukevät aikaistavat kevätmuuttoa ja pesintää. Toiseksi, lämpimämpi alkukesä parantaa ja sateisempi alkukesä heikentää pesimämenestystä. Kolmanneksi, voimakkaasti lämmennyt alkukevät voi johtaa yhä aikaisempaan pesimäkauden aloitukseen. Koska epäsymmetrisen ilmastonmuutoksen myötä loppukevät ja alkukesä eivät kuitenkaan ole lämmenneet yhtä voimakkaasti kuin alkukevät, saattavat jälkeläiset kuoriutua aikaistuneen pesinnän takia yhä kylmempiin olosuhteisiin, mikä voi heikentää pesimämenestystä. Neljänneksi, lajit, jotka kartuttavat lisääntymistä varten tarvitsemansa vararavintonsa pitkällä aikavälillä ennen pesintää (ns. capital breeder lajit, kuten haahka, viirupöllö), saattavat hyötyä lämpenemisestä, koska lämpimän talven ja kevään aikana vararavinnon kartuttaminen ja ylläpitäminen on helpompaa kuin kylminä kausina. Viidenneksi, vähenevä jääpeite ja aikaisempi jäänlähtö mahdollistaa aikaisemman vesilintujen kevätmuuton, mikä haahkalla voi johtaa parantuneeseen pesimämenestykseen. Ilmaston ja ravinto-olosuhteiden väliset yhteisvaikutukset ovat kuitenkin usein monimutkaisia. Tästä erinomainen esimerkki on Itämeren haahkakanta, joka saattaa hyötyä leudommista jääoloista. Toisaalta lisääntyvän talvisateisuuden takia Itämeren suolapitoisuuden on ennustettu laskevan heikentäen haahkan pääravintokohteen sinisimpukan elinolosuhteita, mikä voi supistaa haahkan levinneisyysaluetta. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että ilmasto säätelee niin lajien fenologiaa kuin myös lisääntymismenestystä vaikuttaen siten lajien kannankehitykseen.

Co-stimulatory signals are essential for the activation of naïve T cells and productive immune response. Naïve T cells receive first, antigen-specific signal through T cell receptor. Co-stimulatory receptors provide the second signal which can be either activating or inhibitory. The balance between signals determines the outcome of an immune response. CD28 is crucial for T cell activation; whereas cytotoxic T lymphocyte associated antigen 4 (CTLA4) mediates critical inhibitory signal. Inducible co-stimulator (ICOS) augments cytokine expression and plays role in immunoglobulin class switching. Programmed cell death 1 (PDCD1) acts as negative regulator of T cell proliferation and cytokine responses. The co-stimulatory receptor pathways are potentially involved in self-tolerance and thus, they provide a promising therapeutic strategy for autoimmune diseases and transplantation. The genes encoding CD28, CTLA4 and ICOS are located adjacently in the chromosome region 2q33. The PDCD1 gene maps further, to the region 2q37. CTLA4 and PDCD1 are associated with the risk of a few autoimmune diseases. There is strong linkage disequilibrium (LD) on the 2q33 region; the whole gene of CD28 exists in its own LD block but CTLA4 and the 5' part of ICOS are within a same LD block. The 3' part of ICOS and PDCD1 are in their own separate LD blocks. Extended haplotypes covering the 2q33 region can be identified. This study focuses on immune related conditions like coeliac disease (CD) which is a chronic inflammatory disease with autoimmune features. Immunoglobulin A deficiency (IgAD) belongs to the group of primary antibody deficiencies characterised by reduced levels of immunoglobulins. IgAD co-occurs often with coeliac disease. Renal transplantation is needed in the end stage kidney diseases. Transplantation causes strong immune response which is tried to suppress with drugs. All these conditions are multifactorial with complex genetic background and multiple environmental factors affecting the outcome. We have screened ICOS for polymorphisms by sequencing the exon regions. We detected 11 new variants and determined their frequencies in Finnish population. We have measured linkage disequilibrium on the 2q33 region in Finnish as well as other European populations and observed conserved haplotypes. We analysed genetic association and linkage of the co-stimulatory receptor gene region aiming to study if it is a common risk locus for immune diseases. The 2q33 region was replicated to be linked to coeliac disease in Finnish population and CTLA4-ICOS haplotypes were found to be associated with CD and IgAD being the first non-HLA risk locus common for CD and immunodeficiencies. We also showed association between ICOS and the outcome of kidney transplantation. Our results suggest new evidence for CTLA4-ICOS gene region to be involved in susceptibility of coeliac disease. The earlier published contradictory association results can be explained by involvement of both CTLA4 and ICOS in disease susceptibility. The pattern of variants acting together rather than a single polymorphism may confer the disease risk. These genes may predispose also to immunodeficiencies as well as decreased graft survival and delayed graft function. Consequently, the present study indicates that like the well established HLA locus, the co-stimulatory receptor genes predispose to variety of immune disorders. Ko-stimuloivien reseptoreiden välittämät signaalit ovat välttämättömiä naiivien T-solujen aktivoimiseksi. T-soluilla on tärkeä tehtävä immuunijärjestelmässä elimistön puolustautuessa taudinaiheuttajia vastaan. Oleellista on, että T-solut tunnistavat omat solut vieraista. Elinsiirtojen yhteydessä tarvitaankin voimakas lääkitys heikentämään immuunivastetta, joka kohdistuu elimistölle vieraita, siirrettyjä soluja vastaan. Pääsääntöisesti T-solut eivät reagoi omiin soluihin, mutta verenkiertoon pääsee joskus T-soluja, jotka hyökkäävät omaa elimistöä vastaan ja puhkeaa autoimmuunitauti kuten keliakia. Naiivit, eli antigeeniä aiemmin kohtaamattomat, T-solut tarvitsevat kaksi signaalia aktivoituakseen tehokkaiksi toimijoiksi. Ensimmäinen signaali on antigeenispesifinen ja välittyy varsinaisen T-solureseptorin kautta. Toinen, epäspesifinen signaali välittyy ko-stimuloivien reseptorien kautta. Ko-stimuloivia reseptoreita ovat mm CD28, CTLA4, ICOS ja PDCD1. Näitä reseptoreita koodittavat geenit kuuluvat samaan geeniperheeseen; ne ovat keskenään samankaltaisia ja ne sijaitsevat lähekkäin kromosomissa 2. Geeneissä on polymorfisia kohtia, joten eri yksilöillä esiintyy hieman eri muotoja samasta geenistä. Nämä periytyvät muutokset geeneissä voivat esimerkiksi altistaa yksilön keskimääräistä suuremmalle riskille sairastua autoimmuunitautiin tai siirretyn elimen hylkimiselle. Geenien eri muodot vaikuttavat siihen, miten paljon geenien koodittamia reseptoreita tuotetaan. Reseptorien muoto ja määrä puolestaan saattavat vaikuttaa siihen miten T-soluja aktivoidaan. Väitöskirjassa tutkittiin ko-stimuloivien T-solureseptoreiden geenien polymorfioita ja niiden yhteyttä keliakiaan, IgA-vasta-aineen puutokseen ja munuaissiirteen hylkimiseen. Tässä työssä etsittiin ICOS-geenistä ennen tuntemattomia polymorfisia kohtia ja määritettiin niiden yleisyys suomalaisilla. CTLA4 ja ICOS -geenien todettiin olevan hyvin läheisesti kytkeytyneet toisiinsa. Väitöskirjassa havaittiin CTLA4-ICOS-geenialueen tiettyjen polymorfoiden altistavan osaltaan keliakian puhkeamiselle. Lisäksi ICOS geenin tietyt muodot nostavat riskiä munuaissiirteen hitaalle käynnistymiselle. ICOS toimii myös immunoglobuliinien (Ig) luokanvaihdossa ja siten mahdollisesti IgA vasta-aineen puutoksen kehittymisessä. IgA-puutos ja keliakia esiintyvät usein samalla yksilöllä tai samassa perheessä. Tässä työssä havaittiin yhteinen perinnöllinen riskitekijä keliakialle ja IgA-puutokselle CTLA4-ICOS-geenialueella. Keliakian ja IgA puutoksen puhkeamiseen sekä munuaissiirteen toimivuuteen vaikuttavat useat eri geenit sekä lisäksi monet ympäristötekijät. Siten niiden ilmenemiseen vaikuttavien perinnöllisten tekijöiden tutkiminen on vaikeaa ja tulokset ovat usein tulkinnanvaraisia. CTLA4-geeniä on tutkittu paljon eri autoimmuunitauteihin liittyen. Aiemmin julkaistut ristiriitaiset tulokset voisivat selittyä sillä, että usea CTLA4-ICOS geenialueen polymorfia yhdessä (yksittäisen sijaan) lisää sairastumisriskiä.

The composition of the carnivore community influences the different forms of inter-specific interactions. Furthermore, inter-specific interactions of carnivores have important implications for intra-guild competition, epidemiology and strategies of species-specific population management. Zoonooses, such as rabies, are diseases that can be transmitted from wildlife to people. Knowing the ecological characteristics of the species helps us to choose the right preventive actions and to time them accurately. In this thesis, I have studied how raccoon dogs Nyctereutes procyonoides, European badgers Meles meles, red foxes Vulpes vulpes and domestic cats Felis silvestris catus act as members of carnivore community, and how these interactions relate to the transmission risk of rabies. In the study area, these species form a community of medium-sized and rather generalist predators. They live in the same areas, in spatially and temporally overlapping home ranges and use the same habitats and dens and even have similar diets. However, there is no direct evidence of competition. Shared dens point to good tolerance of other species. Numerous observations of animals moving in each other’s proximity give similar clues. However, overlapping home ranges and similar habitat preferences lead to frequent inter-specific contacts, which increase the risk of possible rabies transmission. Also, the new insight of habitat use gained by this study illustrates the similar favouring of deciduous forests and fields by these sympatric medium-sized carnivores, creating a basis for contact zones, i.e. risky habitats for rabies transmission and spread. This study is so far the only simultaneous radio tracking study of raccoon dogs, badgers, foxes and cats. These results give new insight of the interactions in the carnivore community, as well as of the behaviour of each individual species. Also, these results have significant implications for the planning of rabies control. In order to reach viable management decisions, not only one or two species should be taken into consideration, but the whole community. In particular, this changes the perspective to inter-specific contacts, animal densities, densities of individuals susceptible to diseases and the magnitude of preventive actions. Rabies should be considered as a multi-vector disease, at least in Finland and the Baltic states. It is of interest for disease management to be able to model an epizootic with local parameters to reflect the real situation and also to suite best the local management needs. Samalla alueella yhtä aikaa esiintyvät pedot muodostavat yhteisön. Petoyhteisön koostumus vaikuttaa petojen välisen vuorovaikutuksen muotoihin. Samankokoiset pedot hyödyntävät todennäköisesti samantapaisia resursseja ja siten niiden välillä voi esiintyä kilpailua. Kilpailu taas vaikuttaa petojen väliseen käyttäytymiseen. Yhteisössä esiintyvät petolajit ja niiden välinen käyttäytyminen vaikuttavat tautien, kuten rabies, leviämiseen lajista toiseen sekä tautien leviämiseen lajin sisällä. Supikoira, mäyrä ja kettu muodostavat keskikokoisten nisäkäspetojen yhteisön, johon oman lisänsä tuo myös vapaana liikkuva kotikissa. Kissa myös yhdistää ihmisen kotieläimineen tähän petoyhteisöön. Tämä väitöskirja käsittelee supikoiran, mäyrän, ketun ja kissan elinympäristön käyttöä ja yksilöiden välisiä vuorovaikutuksia. Tulkitsen saamiamme tuloksia erityisesti rabieksen tarttumisen ja epidemian syntymisen näkökulmasta. Eläinten radiolähetinseurantaa suoritettiin Kaakkois-Suomessa, Virolahdella vuosien 2000 – 2004 aikana. Väitöskirjani ensimmäisessä osatutkimuksessa tarkastelimme villieläinrabieksen ja mahdollisten isäntäeläinten ekologian nykytietämystä Euroopassa. Lisäksi pohdimme uuden isäntäeläimen, supikoiran, merkitystä torjuntatoimenpiteiden ja tautimallinnuksen kannalta. Toisessa osatutkimuksessa tarkastelimme supikoirien, mäyrien, kettujen ja kissojen elinpiirien kokoa ja päällekkäisyyttä, sekä eläintiheyksiä ja nuorten eläinten laskennallisia dispersaalimatkoja (liikkumista omalle elinalueelle). Kolmannessa osatutkimuksessa tutkimme yhtäaikaisten radiopaikannusten perusteella laskettuja eläinyksilöiden välisiä etäisyyksiä. Neljännessä osatutkimuksessa tarkastelimme supikoiran, mäyrän, ketun ja kissan elinpiirien sijoittumista maisemassa ja eri elinympäristötyyppien esiintymistä sekä kokonaiselinpiireillä että ydinalueilla. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että pienpetoyhteisössä esiintyy tiiviitä vuorovaikutussuhteita; eri lajit elävät päällekkäisillä elinpiireillä, kohtaavat usein öisillä kulkumatkoillaan ja suosivat samoja elinympäristötyyppejä, mutta eivät vältä toisiansa. Erityisiksi riski-elinympäristöiksi eläinten kohtaamisten suhteen osoittautuivat lehtimetsät ja pellot, sekä rehevät sekametsälaikut ja pihat. Tästä seuraa, että rabiesepidemian sattuessa rabiestartunnan todennäköisyys sekä lajin sisällä että lajien välillä on erittäin suuri. Tutkimus lisää tietämystä kyseisten lajien ekologiasta ja lajien välisistä suhteista. Tuloksia voidaan hyödyntää mm. luotaessa Suomen oloihin soveltuvaa ennustamismallia rabiesepidemialle. Lajien välinen tiivis vuorovaikutus ja yhteistiheydet tulisi huomioida sekä suunniteltaessa rabieksen torjuntatoimenpiteitä että mallinnettaessa rabiesta. Tulevaisuuden haasteisiin jää mm. suomalaisten mäyrien sosiaalisen järjestelmän ja kettujen elinympäristön käytön laajempi selvittäminen.

Stem cells are responsible for tissue turnover throughout lifespan. Only highly controlled specific environment, the stem cell niche , can sustain undifferentiated stem cell-pool. The balance between maintenance and differentiation is crucial for individual s health: uncontrolled stem cell self-renewal or proliferation can lead to hyperplasia and mutations that further provoke malignant transformation of the cells. On the other hand, uninhibited differentiation may result in diminished stem cell population, which is unable to maintain tissue turnover. The mechanisms that control the switch from maintenance to differentiation in stem cells are not well known. The same mechanisms that direct the self-renewal and proliferation in normal stem cells are likely to be also involved in maintenance of cancer stem cell . Cancer stem cells exhibit stem cell like properties such as self-renewal- and differentiation capacity and they can also regenerate the tumor tissue. In this thesis, I have investigated the effect of classical oncogenes E6/E7 and c-Myc, tumor suppressors p53 and retinoblastoma (pRb) family, and vascular endothelial growth factor (VEGF) subfamily and glial cell line-derived neurothropic factor (GDNF) family ligands on behavior of embryonic neural stem cells (NSCs) and progenitors. The study includes also the characterization of cytoskeletal tumor suppressor neurofibromatosis 2 (NF2) protein merlin and ezrin-radixin-moesin (ERM) protein ezrin expression in neural progenitors cells and their progeny. This study reveals some potential mechanisms regarding to NSCs maintenance. In summary, the studied molecules are able to shift the balance either towards stem cell maintenance or differentiation; tumor suppressor p53 represses whereas E6/E7 oncogenes and c-Myc increase the proportion of self-renewing and proliferating NSCs or progenitors. The data suggests that active MEK-ERK signaling is critical for self-renewal of normal and oncogene expressing NSCs. In addition, the results indicate that expression of cytoskeletal tumor suppressor merlin and ERM protein ezrin in central nervous system (CNS) tissue and progenitors indicates their role in cell differentiation. Furthermore, the data suggests that VEGF-C a factor involved in lymphatic system development, angiogenesis, neovascularization and metastasis but also in maintenance of some neural populations in brain is a novel thropic factor for progenitors in early sympathetic nervous system (SNS). It seems that VEGF-C dose dependently through ERK-pathway supports the proliferation and survival of early sympathetic progenitor cells, and the effect is comparable to that of GDNF family ligands. Kantasolut ovat erilaistumattomia soluja, jotka pystyvät tuottamaan uusia kudosten toiminalle välttämättömiä erilaistuneita soluja. Hermokudoksen kantasolut erilaistuvat joko hermosoluiksi tai kahdeksi eri hermotukisoluiksi: astrosyyteiksi ja oligodendrosyyteiksi. Kantasolujen säätely on erityisen tärkeää, sillä näiden liiallinen määrä voi johtaa kudoksen kontrolloimattomaan kasvuun ja lisätä siten syöpäriskiä. Toisaalta, liian vähäinen määrä kantasoluja ei kykene ylläpitämään kudoksen normaalia uusiutumista. Kantasolujen uusiutumisen- ja erilaistumisen säätelymekanismit ovat suurelta osin tuntemattomia. Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu muutamia mahdollisia hermokantasolujen ylläpitoon vaikuttavia mekanismeja. Myös syöpäkasvaimista on löydetty kantasolun kaltaisia soluja. Samoin kuin normaalit kantasolut myös nämä ns. syöpäkantasolut kykenevät erilaistumaan ja uusiutumaan, ja luultavasti ne hyödyntävät samoja säätelymekanismeja kuin mitä normaalit kantasolut. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin kuinka tietyt solujen hallitsematonta kasvua edistävät tekijät eli onkogeenit ja solujen kasvua hillitsevät tekijät kuten tuumorisuppressorit vaikuttavat normaalien hiiren sikiöstä eristettyjen hermokantasolujen toimintaan. Tutkimustulokset osoittavat että tuumorisuppressorit, kuten p53 ja pRb proteiiniperheiden jäsenet, ovat todennäköisesti kantasolujen uusiutumista kontrolloivia tekijöitä. Virusperäisten onkogeenien mallina käytetyt HPV 16 E6/E7 onkogeenit ja normaaliin kehitykseen liittyvän c-Myc onkogeenin yli-ilmentyminen puolestaan lisää hermokantasolujen uusiutumista ja jakautumista sekä ylläpitää solujen kantasoluominaisuuksia. Tutkimus osoittaa myös, että solun sisäinen MEK/ERK signaalireitti on luultavasti yksi hermokantasolujen uusiutumiselle tärkeä säätelytekijä. Tutkimuksessa selvitettiin myös NF2 geenin ilmentämän tuumorisuppressoriproteiinin merlinin ja ERM-proteiinin ezrinin ilmentymistä keskushermostossa ja hermokantasoluissa. Tulokset viittaavat siihen, että myös nämä soluntukirankaan liittyvät proteiinit osallistuvat keskushermoston kehitykseen ja hermokantasolujen erilaistumiseen. Viimeiseksi vaitöskirjatyössä selvitettiin VEGF-C-kasvutekijän osuutta sympaattisen hermorungon kehitykseen. VEGF-C on imusuonten kehittymiselle välttämätön kasvutekijä, joka vaikuttaa myös verisuonten ja syövän etäispesäkkeiden kasvuun. Tulokset osoittavat, että sympaattisen hermorungon kehitys Vegf-c-poistogeenisillä hiiren sikiöillä on häiriintynyt, ja että VEGF-C lisää sympaattisen hermorungon kantasolujen jakautumista ja elinkykyä kasvatusolosuhteissa. Tämä viittaa siihen, että VEGF-C on uusi varhaisen sympaattisen hermorungon kasvutekijä.

Many species inhabit fragmented landscapes, resulting either from anthropogenic or from natural processes. The ecological and evolutionary dynamics of spatially structured populations are affected by a complex interplay between endogenous and exogenous factors. The metapopulation approach, simplifying the landscape to a discrete set of patches of breeding habitat surrounded by unsuitable matrix, has become a widely applied paradigm for the study of species inhabiting highly fragmented landscapes. In this thesis, I focus on the construction of biologically realistic models and their parameterization with empirical data, with the general objective of understanding how the interactions between individuals and their spatially structured environment affect ecological and evolutionary processes in fragmented landscapes. I study two hierarchically structured model systems, which are the Glanville fritillary butterfly in the Åland Islands, and a system of two interacting aphid species in the Tvärminne archipelago, both being located in South-Western Finland. The interesting and challenging feature of both study systems is that the population dynamics occur over multiple spatial scales that are linked by various processes. My main emphasis is in the development of mathematical and statistical methodologies. For the Glanville fritillary case study, I first build a Bayesian framework for the estimation of death rates and capture probabilities from mark-recapture data, with the novelty of accounting for variation among individuals in capture probabilities and survival. I then characterize the dispersal phase of the butterflies by deriving a mathematical approximation of a diffusion-based movement model applied to a network of patches. I use the movement model as a building block to construct an individual-based evolutionary model for the Glanville fritillary butterfly metapopulation. I parameterize the evolutionary model using a pattern-oriented approach, and use it to study how the landscape structure affects the evolution of dispersal. For the aphid case study, I develop a Bayesian model of hierarchical multi-scale metapopulation dynamics, where the observed extinction and colonization rates are decomposed into intrinsic rates operating specifically at each spatial scale. In summary, I show how analytical approaches, hierarchical Bayesian methods and individual-based simulations can be used individually or in combination to tackle complex problems from many different viewpoints. In particular, hierarchical Bayesian methods provide a useful tool for decomposing ecological complexity into more tractable components. Ekologisten ja evolutiivisten prosessien mallinnus tilarakenteisissa populaatioissa Monet lajit asuttavat maisemia joiden rakenne on pirstoutunut joko luonnostaan tai ihmisen toimesta. Tällaisia maisemia asuttavien populaatioden ekologiseen ja evolutiiviseen dynamiikkaan vaikuttaa hyvin monenlaisten tekijöiden vuorovaikutus, ja niiden tutkimus on siten haastavaa. Väitöskirjassani olen kehittänyt matemaattisia ja tilastotieteellisiä menetelmiä tilassa pirstoutuneiden populaatioiden ekologian ja evoluutiobiologian tarkasteluun. Olen testannut ja soveltanut kehittämiäni menetelmiä käyttäen empiirisiä aineistoja kahdesta mallisysteemistä, jotka ovat Ahvenanmaan täpläverkkoperhonen ja Tvärminnen saarten kirvapopulaatiot. Molemmat systeemit ovat rakenteeltaan hierarkisia, eli lajeille sopiva elinympäristö esiintyy pienten laikkujen muodostamina verkostoina, ja yksittäiset osaverkostot ovat osa laajempaa kokonaisuutta. Tällaisista systeemeistä kerättyjä aineistoja on luontevaa analysoida käyttäen hierarkisia Bayesilaisia malleja, ja väitöskirjatyöni keskeinen osa on näiden mallien kehittämisessä ja parametrisoinnissa. Pirstouneiden maisemien populaatiodynamiikka riippuu yksilöiden kyvystä liikkua elinympäristölaikulta toiselle, ja väitöskirjatyöni toinen painopistealue on yksilöiden liikkumisen matemaattisessa mallintamisessa.

Forkhead box class O (FoxO) transcription factors are members of the forkhead box transcription factor superfamily, with orthologues in various species such as human, worm and fly. FoxO proteins are key regulators of growth, metabolism, stress resistance and, consequently, life span. FoxOs integrate signals from different pathways, e.g. the growth controlling Insulin-TOR signaling pathway and the stress induced JNK and Hippo signaling pathways. FoxO proteins have evolved to guide the cellular response to varying energy and stress conditions by inducing the expression of genes involved in the regulation of growth and metabolism. This work has aimed to deepen the understanding of how FoxO executes its biological functions. A particular emphasis has been laid to its role in growth control. Specifically, evidence is presented indicating that FoxO restricts tissue growth in a situation when TOR signaling is high. This finding can have implications in a human condition called Tuberous sclerosis, manifested by multiple benign tumors. Further, it is shown that FoxO directly binds to the promoter and regulates the expression of a Drosophila Adenylate cyclase gene, ac76e, which in turn modulates the fly s development and growth systemically. These results strengthen FoxOs position among central size regulators as it is able to operate at the level of individual cells as well as in the whole organism. Finally, an attempt to reveal the regulatory network upstream of FoxO has been carried out. Several putative FoxO activity regulators were identified in an RNAi screen of Drosophila kinases and phosphatases. The results underscore that FoxO is regulated through an elaborate network, ensuring the correct execution of key cellular processes in metabolism and response to stress. Overall, the evidence provided in this study strengthens our view of FoxO as a key integrator of growth and stress signals. Forkhead box class O (FoxO) geenienluennan säätelijä on konservoitunut proteiini, jonka toiminta liittyy mm. energia-aineenvaihduntaan, kasvun säätelyyn sekä solun suojeluun stressin aiheuttamilta vaurioilta. FoxO-proteiinit muodostavat perheen, jonka jäseniä esiintyy lähes kaikissa monisoluisissa. Näihin kuuluvat mm. ihminen, sukkulamato ja banaanikärpänen. FoxO-proteiinin tärkeimpänä tunnettuna tehtävänä voidaan pitää sen osallistumista aineenvaihdunnan ja kasvun mukauttamiseen ravinnon saatavuuteen. Sen säätelijöinä toimivat mm. ravinnetasoon reagoiva insuliini/TOR signalointiverkosto sekä solustressin aktivoimat JNK- ja Hippo-signaalinvälitysreitit. Kasvulle suotuisissa olosuhteissa FoxO-proteiinin aktiivisuus estetään insuliinisignaloinnin välityksellä. Kun ravinteita on vähän tai kun solun stressitaso kasvaa, esim. lisääntyneiden happiradikaalien seurauksena, FoxO siirtyy solulimasta tumaan, jossa se säätelee useiden eri geenien luentaa. Tällaisiin lukeutuvat mm. glukoosin uudismuodostuksessa oleellisten entsyymien pepck- ja g6pase-geenit, sekä solun jakautumisen negatiivisina säätelijöinä toimivat p27kip1- ja p21cip1-geenit. FoxO toimii sekä koko elimistön, että yksittäisen solun tasolla. Esimerkiksi maksassa FoxO-proteiinin tehtävänä on säädellä veren sokeritasoa, glukoosin uudismuodostuksen kautta. Energiaa kuluttavissa ja varastoivissa kudoksissa, kuten lihaksissa ja rasvakudoksessa, FoxO hidastaa kasvua ja aktivoi energiavaraston käyttöönottoa. Näiden prosessien säätely on elimistön aineenvaihdunnan tasapainon kannalta oleellista. Häiriöt FoxO-proteiinin säätelyssä onkin yhdistetty aineenvaihdunnan sairauksiin kuten insuliiniresistenssiin ja syövän syntyyn. Tässä työssä on tutkittu FoxO-proteiinin aktiivisuuden säätelyä sekä toimintaa, erityisesti kasvun säätelyn mekanismeja joissa FoxO on osallisena. Tutkimus on jaettu osajulkaisuihin, joiden tuloksena (1) on identifioitu uusia FoxO-proteiinin aktiivisuuden säätelijöitä (mm. PKC-, GSK-3β- ja POLO-kinaasit), (2) selvitetty FoxO-proteiinin roolia kudoksen kasvun säätelyssä tilanteessa, jossa TOR signalointireitti on yliaktiivinen, mm. perinnöllisessä sairaudessa nimeltään tuberoosiskleroosi, sekä (3) karakterisoitu uusi FoxO-proteiinin säätelemä geeni, ac76e, sekä selvitetty sen toimintaa banaanikärpäsen kasvun säätelyssä. Tämän tutkimuksen tulokset auttavat ymmärtämään kasvun säätelyn biologiaa sekä syventävät tietämystämme FoxO-proteiinin merkityksestä solun energiatasapainolle. Tulokset ovat askel kudosten kasvun ja aineenvaihdunnan säätelyn parempaan ymmärtämiseen.

Meckel syndrome (MKS, MIM 249000) is a severe developmental disorder that leads to death already in utero or shortly after birth. MKS diagnosis can be established by a careful ultrasound examination already at 11-14 weeks of gestation. The main features of MKS are occipital meningoencephalocele, cystic kidney dysplasia and fibrotic changes of the liver. In addition, polydactyly is frequently reported in the cases. The aim of the study was to characterize the molecular and functional defects in MKS. In this study we were able to identify two major MKS mutations in Finnish population, which cover over 90% of the cases. The first mutation is a 29 bp intronic deletion in the MKS1 gene (c.1483-7_35del) that is found in 70% of the families and the second is a C>T substitution in the coding region of CC2D2A (c.1762C>T), that is found in 20% of the MKS families. Both of these mutations result in abnormal splicing. The discovery of the disease genes has revealed that MKS is caused by primary cilia dysfunction. MKS1 gene has a conserved B9 domain, and it is found in the predicted ciliary proteome. CC2D2A protein is also found in the predicted ciliary proteome and it has a Ca2+ binding domain. The number of genes behind MKS has increased rapidly in the past years and to date, mutations have been identified in five genes (MKS1, TMEM67/MKS3, CEP290/MKS4, RPGRIP1L/MKS5 and CC2D2A/MKS6). Identification of the disease genes mutations has also revealed that MKS is an allelic disorder with other syndromes with overlapping phenotypes. Disorders that are caused by primary cilia dysfunction are collectively known as ciliopathies. Sequence analysis of all the known MKS genes in Finnish and non-Finnish families available to us, where the mutation was still unknown, revealed mutations in 14 out of the 30 families included in the study. When we collected all the reported mutations in MKS genes in different syndromes we could see that there was clearly a genotype-syndrome correlation between the mutations and the syndromes, since the same pair of mutations has never been reported in different syndromes. The basic molecular events behind MKS will not only give us information of this syndrome, but also significant novel information on early fetal development in general. Meckelin oireyhtymä (MKS) on peittyvästi periytyvä monioireinen sairaus, joka johtaa kuolemaan jo sikiökaudella tai pian syntymän jälkeen. Taudin keskeisimmät löydökset ovat suuret rakkulaiset munuaiset, fibroottiset muutokset maksassa ja keskushermoston sulkeutumishäiriö. Näitä löydöksiä pidetäänkin diagnoosin vähimmäisvaatimuksina. Lisäksi ylimääräiset sormet ja varpaat ovat tyypillinen löydös MKS-tapauksissa. MKS voidaan todeta luotettavasti ultraäänikuvauksessa jo 11. - 14. raskausviikolla. Tässä tutkimuksessa löydettiin kaksi Meckelin oireyhtymää aiheuttavaa geenivirhettä suomalaisväestössä. Ensimmäinen suomalainen valtamutaatio on MKS1-geenissä ja se selittää taudin 70 %:ssa suomalaisperheistä. Toinen valtamutaatio suomalaisväestössä löydettiin CC2D2A-geenistä (MKS6). Tämä mutaatio selittää taudin esiintymisen 20 %:lla MKS-perheistä. Nämä kaksi tunnistettua valtamutaatiota aiheuttavat Meckelin oireyhtymän yli 90 %:ssa suomalaisista MKS-tapauksista, mikä mahdollistaa taudille luotettavan DNA-pohjaisen diagnostiikan, jota voidaan käyttää yhdessä ultraäänikuvauksen kanssa. Meckelin oireyhtymää aiheuttavien geenivirheiden löytyminen on tuonut tietoa myös aineenvaihduntareiteistä, jotka ovat häiriintyneet taudissa, sillä MKS1-geenin koodaamassa proteiinissa on B9-domeeni, joka yhdistää sen toiminnan solun värekarvojen eli cilioiden toimintaan. CC2D2A-geenin koodaamassa proteiinissa on kalsiumia (Ca2+) sitova domeeni ja myös tämän proteiinintoiminta liittyy cilioihin. Tällä hetkellä MKS:ää aiheuttavia geenivirheitä on maailmanlaajuisesti löydetty viidestä eri geenistä. Tunnettujen MKS-geenien tutkiminen sellaisissa suomalaisissa ja ulkomaalaisissa MKS-tapauksissa, joissa ei ollut MKS1- tai MKS6-geenien valtamutaatioita paljasti useita uusia mutaatioita neljästä tunnetusta MKS-geenistä. Tautigeenien tunnistaminen on paljastunut, että MKS-geenien virheet aiheuttavat myös muita oireyhtymiä, joissa on samankaltaisia löydöksiä kuin Meckelin oireyhtymässä. Tauteja, jotka aiheutuvat primaaricilioiden toimintahäiriöstä kutsutaan yleisesti ciliopatioiksi. Geenivirheiden ja molekyylitaustan selvittäminen ei ole tuonut pelkästään tietoa tutkittavasta oireyhtymästä, vaan se on tuonut mukanaan myös uutta ja arvokasta tietoa sikiön kehityksestä sekä cilioiden toiminnasta ja merkityksestä yleensä.

Although changes in urban forest vegetation have been documented in previous Finnish studies, the reasons for these changes have not been studied explicitly. Especially, the consequences of forest fragmentation, i.e. the fact that forest edges receive more solar radiation, wind and air-borne nutrients than interiors have been ignored. In order to limit the change in urban forest vegetation we need to know why it occurs. Therefore, the effects of edges and recreational use of urban forests on vegetation were investigated together in this thesis to reveal the relative strengths of these effects and to provide recommendations for forest management. Data were collected in the greater Helsinki area (in the cities of Helsinki, Vantaa and Espoo, and in the municipalities of Sipoo and Tuusula) and in the Lahti region (in the city of Lahti and in the municipality of Hollola) by means of systematic and randomized vegetation and soil sampling and tree measurements. Sample plots were placed from the forest edges to the interiors to investigate the effects of forest edges, and on paths of different levels of wear and off these paths to investigate the effects of trampling. The natural vegetation of mesic and sub-xeric forest site types studied was sensitive both to the effects of the edge and to trampling. The abundances of dwarf shrubs and bryophytes decreased, while light- and nitrogen-demanding herbs and grasses - and especially Sorbus aucuparia – were favoured at the edges and next to the paths. Results indicated that typical forest site types at the edges are changing toward more nitrophilic vegetation communities. Covers of the most abundant forest species decreased considerably – even tens of percentages – from interiors to the edges indicating strong edge effects. These effects penetrated at least up to 50 m from the forest edges into the interiors, especially at south to west facing open edges. The effects of trampling were pronounced on paths and even low levels of trampling decreased the abundances of certain species considerably. The effects of trampling extended up to 8 m from path edges. Results showed that the fragmentation of urban forest remnants into small and narrow patches should be avoided in order to maintain natural forest understorey vegetation in the urban setting. Thus, urban forest fragments left within urban development should be at least 3 ha in size, and as circular as possible. Where the preservation of representative original forest interior vegetation is a management aim, closed edges with conifers can act as an effective barrier against solar radiation, wind and urban load, thereby restricting the effects of the edge. Tree volume at the edge should be at least 225-250 m3 ha-1 and the proportion of conifers (especially spruce) 80% or more of the tree species composition. Closed, spruce-dominated edges may also prevent the excessive growth of S. aucuparia saplings at urban forest edges. In addition, closed edges may guide people’s movements to the maintained paths, thus preventing the spontaneous creation of dense path networks. In urban areas the effects of edges and trampling on biodiversity may be considerable, and are important to consider when the aim of management is to prevent the development of homogeneous herb-grass dominated vegetation communities, as was observed at the investigated edges. Taajama-alueilla sijaitsevien metsien aluskasvillisuuden muuttumista on selitetty tähän asti lähinnä virkistyskäytön aiheuttamalla tallauksella. Kuitenkin auringonvalo, tuuli ja ilman epäpuhtaudet pääsevät helposti tunkeutumaan metsään reunojen kautta, mikä muuttaa metsälajiston elinympäristöä valoisammaksi, kuivemmaksi ja ravinteikkaammaksi. Tämän ilmiön vaikutuksia taajamametsien aluskasvillisuuteen ei ole tutkittu aiemmin Suomessa, vaikka taajamametsät ovat usein kooltaan pieniä ja reuna-alueiden osuus koko metsän pinta-alasta on suuri. Jotta laajamittaista taajamametsien kasvillisuuden muuttumista voitaisiin välttää, olisi tunnettava syyt, jotka muuttumista aiheuttavat. Tässä väitöskirjassa tutkittiin samanaikaisesti sekä reunan että tallauksen vaikutuksia, jotta saataisiin selville näiden tekijöiden suhteellinen merkitys aluskasvillisuuden muuttumisessa. Tutkimusaineisto kerättiin pääkaupunkiseudun taajamametsistä (Helsingistä, Vantaalta, Espoosta, Sipoosta ja Tuusulasta) sekä Lahden seudulta (Lahdesta ja Hollolasta) käyttäen systemaattista ja satunnaista otantaa kasvillisuuden, maaperän ja puuston tutkimiseksi. Näytealoja sijoitettiin metsien reunoilta sisäosiin (reunavaikutuksen tutkiminen) ja eriasteisesti kuluneille poluille ja polkujen ulkopuolelle (tallauksen vaikutusten tutkiminen). Tutkitut metsätyypit olivat mustikka- ja puolukkatyypin kankaita sekä lehtomaisia kankaita. Kasvillisuus oli herkkää sekä reunan että tallauksen vaikutuksille. Varvut ja sammalet vähenivät reunavaikutuksen ja tallauksen vuoksi, kun taas valosta ja typestä hyötyvät ruohot, heinät ja pihlaja menestyivät metsien ja polkujen reunoilla. Tulosten perusteella näyttää siltä, että tyypillinen metsäkasvilajisto on muuttumassa taajamametsien reunoilla ravinteisuutta paremmin sietäväksi. Todellisten metsälajien runsaudet olivat huomattavasti alhaisemmat reunoilla kuin metsien sisäosissa. Tämä vaikutus ulottui ainakin 50 metriä metsän sisään erityisesti avoimilla etelä-länsi reunoilla. Tallauksen vaikutukset metsäkasvillisuuteen olivat luonnollisesti voimakkaita poluilla. Jo 70-270 tallauskertaa vähensi tutkittujen kasvilajien runsauksia yli 50%. Myös pitkään tallattujen polkujen ulkopuolella havaittiin muutoksia kasvilajien runsauksissa. Nämä vaikutukset ulottuivat jopa kahdeksaan metriin asti polun reunasta. Tulokset osoittivat, että metsien pirstomista pieniksi ja kapeiksi metsiköiksi pitäisi välttää, jotta luontainen metsäkasvillisuus voisi säilyä taajama-alueilla. Metsien olisikin oltava kompakteja (lähinnä pyöreitä) ja vähintään kolmen hehtaarin kokoisia, jotta metsien sisään jäisi metsäkasvilajistolle sopivia elinympäristöjä. Suljetut havupuuvaltaiset reunat pystyvät lieventämään reunan aiheuttamia vaikutuksia aluskasvillisuuteen. Jos siis tavoitteena on metsäkasviyhteisöjen säilyttäminen, puuta pitäisi olla reunoilla 225–250 m3 ha-1 ja kuusen osuuden vähintään 80% tästä määrästä. Suljetut, kuusivaltaiset reunat saattavat hillitä myös liiallista pihlajantaimien runsastumista taajamametsien reunoilla sekä ohjata ulkoilijoiden liikkumista rakennetuille poluille, mikä puolestaan vähentää tiheän rakentamattoman polkuverkoston muodostumista. Polkujen välisen etäisyyden pitäisikin olla vähintään 20 metriä, jotta väliin jäisi alue, jonne polun vaikutukset eivät ulotu.

Angiosperms represent a huge diversity in floral structures. Thus, they provide an attractive target for comparative developmental genetics studies. Research on flower development has focused on few main model plants, and studies on these species have revealed the importance of transcription factors, such as MADS-box and TCP genes, for regulating the floral form. The MADS-box genes determine floral organ identities, whereas the TCP genes are known to regulate flower shape and the number of floral organs. In this study, I have concentrated on these two gene families and their role in regulating flower development in Gerbera hybrida, a species belonging to the large sunflower family (Asteraceae). The Gerbera inflorescence is comprised of hundreds of tightly clustered flowers that differ in their size, shape and function according to their position in the inflorescence. The presence of distinct flower types tells Gerbera apart from the common model species that bear only single kinds of flowers in their inflorescences. The marginally located ray flowers have large bilaterally symmetrical petals and non-functional stamens. The centrally located disc flowers are smaller, have less pronounced bilateral symmetry and carry functional stamens. Early stages of flower development were studied in Gerbera to understand the differentiation of flower types better. After morphological analysis, we compared gene expression between ray and disc flowers to reveal transcriptional differences in flower types. Interestingly, MADS-box genes showed differential expression, suggesting that they might take part in defining flower types by forming flower-type-specific regulatory complexes. Functional analysis of a CYCLOIDEA-like TCP gene GhCYC2 provided evidence that TCP transcription factors are involved in flower type differentiation in Gerbera. The expression of GhCYC2 is ray-flower-specific at early stages of development and activated only later in disc flowers. Overexpression of GhCYC2 in transgenic Gerbera-lines causes disc flowers to obtain ray-flower-like characters, such as elongated petals and disrupted stamen development. The expression pattern and transgenic phenotypes further suggest that GhCYC2 may shape ray flowers by promoting organ fusion. Cooperation of GhCYC2 with other Gerbera CYC-like TCP genes is most likely needed for proper flower type specification, and by this means for shaping the elaborate inflorescence structure. Gerbera flower development was also approached by characterizing B class MADS-box genes, which in the main model plants are known regulators of petal and stamen identity. The four Gerbera B class genes were phylogenetically grouped into three clades; GGLO1 into the PI/GLO clade, GDEF2 and GDEF3 into the euAP3 clade and GDEF1 into the TM6 clade. Putative orthologs for GDEF2 and GDEF3 were identified in other Asteraceae species, which suggests that they appeared through an Asteraceae-specific duplication. Functional analyses indicated that GGLO1 and GDEF2 perform conventional B-function as they determine petal and stamen identities. Our studies on GDEF1 represent the first functional analysis of a TM6-like gene outside the Solanaceae lineage and provide further evidence for the role of TM6 clade members in specifying stamen development. Overall, the Gerbera B class genes showed both commonalities and diversifications with the conventional B-function described in the main model plants. Kukkien kehitysbiologinen tutkimus pyrkii selvittämään mitkä säätelytekijät ohjaavat kukkaelinten kehitystä sekä kukan muodon ja koon määräytymistä. Vertailemalla geenien toimintaa ja säätelyverkostoja eri kasvilajien välillä saadaan arvokasta tietoa kukkien rakenteen kehityksestä sekä evoluution toimintamekanismeista. Tämän työn tutkimuskohteena on ollut auringonkukkien heimoon kuuluva Gerbera hybrida, jonka kukinnon rakenne on monimutkaisempi kuin perinteisesti kukan kehitysbiologian tutkimuksessa käytetyillä mallikasveilla, kuten lituruoholla ja leijonankidalla. Gerberan kukinto koostuu sadoista yksittäisistä kukista, jotka ovat erilaistuneet sekä rakenteeltaan että toiminnaltaan. Kukinnon reunoilla olevissa laitakukissa on näyttävät terälehdet jotka houkuttelevat pölyttäjiä kukinnon keskustaan. Kukinnon keskellä olevat kehräkukat ovat pienempiä ja vain niissä on toiminnalliset heteet. Tutkimuksen tavoitteena on ollut löytää tekijöitä, jotka säätelevät Gerberan kukkatyyppien erilaistumista ja kehitystä. Vaikka auringonkukkien heimo on yksi suurimmista kasviheimoista, heimolle tyypillisen kukintorakenteen, mykerön, kehityksen säätelystä on vain vähän aiempaa tietoa. Työssä keskityttiin kahteen geeniperheeseen, MADS-box ja TCP-geeneihin, joiden tiedetään olevan tärkeitä kasvien kehityksen säätelytekijöitä. MADS-box geenit säätelevät muun muassa kukkaelinten identiteettiä kun taas TCP-geenit ohjaavat yleisemmin kasvien muodon kehitystä kuten haaroittumista ja kukkien symmetrian kehitystä. Gerberan kukkatyyppien välisten rakenteellisten erojen havaittiin muodostuvan jo hyvin varhaisessa mykerönkehityksen vaiheessa. Geenien ilmentymisen vertailu mikrosirukokeella laita- ja kehräkukkien välillä osoitti, että useat MADS-box geeniperheen jäsenet ilmentyvät eri tavalla eri kukkatyypeissä. Tulokset viittaavat siihen, että MADS proteiinit vaikuttavat kukkatyyppien erilaistumiseen muodostamalla erilaisia proteiinikomplekseja eri kukkatyypeissä. TCP säätelytekijöillä havaittiin olevan keskeinen rooli Gerberan kukinnon rakenteen säätelyssä. TCP geeniperheeseen kuuluva GhCYC2 ilmentyy spesifisesti laitakukissa kehitysvaiheissa, joissa laitakukkien morfologia eriytyy kehräkukista. Siirtogeeniset kasvilinjat osoittivat, että GhCYC2 geenin ilmentyminen normaalista poikkeavalla tavalla aiheuttaa kehräkukkien kehittymisen laitakukkien kaltaisiksi. Havainnot ovat ensimmäinen molekyylitason todiste siitä, että TCP-geenit säätelevät kukkatyyppien erilaistumista auringonkukkaheimoon kuuluvilla lajeilla. Työn viimeisessä osassa on tutkittu MADS-box geenien ryhmää, jonka tiedetään useilla kasvilajeilla säätelevän terälehtien ja heteiden identiteetin määräytymistä. Gerberalla tähän B-geenien ryhmään kuuluu neljä geeniä, GGLO1, GDEF1, GDEF2 ja GDEF3. Tutkimus osoitti että Gerberan terälehtien ja heteiden identiteetti määräytyy pääosin samalla tavalla kuin muilla kasvilajeilla, mutta myös erityispiirteitä havaittiin. Sekvenssianalyysin perusteella GDEF2 ja GDEF3 ovat peräisin geenin kahdentumisesta, joka on tapahtunut spesifisesti auringonkukkien heimossa. GDEF1 kuuluu alaryhmään jonka toimintaa on tutkittu vasta muutamilla kasvilajeilla. Gerberalla saadut tulokset vahvistavat aiempia tuloksia GDEF1-kaltaisten geenien toiminnasta vain heteiden identiteetin säätelijöinä. Väitöskirjan tulokset tuovat uutta tietoa kasvien kehitysbiologiasta ja erityisesti siitä, miten samankaltaiset geenit ovat evoluution kuluessa kehittyneet ja erilaistuneet ohjaamaan hyvin erilaisten morfologisten rakenteiden kehittymistä eri kasvilajeilla.

One major reason for the global decline of biodiversity is habitat loss and fragmentation. Conservation areas can be designed to reduce biodiversity loss, but as resources are limited, conservation efforts need to be prioritized in order to achieve best possible outcomes. The field of systematic conservation planning developed as a response to opportunistic approaches to conservation that often resulted in biased representation of biological diversity. The last two decades have seen the development of increasingly sophisticated methods that account for information about biodiversity conservation goals (benefits), economical considerations (costs) and socio-political constraints. In this thesis I focus on two general topics related to systematic conservation planning. First, I address two aspects of the question about how biodiversity features should be valued. (i) I investigate the extremely important but often neglected issue of differential prioritization of species for conservation. Species prioritization can be based on various criteria, and is always goal-dependent, but can also be implemented in a scientifically more rigorous way than what is the usual practice. (ii) I introduce a novel framework for conservation prioritization, which is based on continuous benefit functions that convert increasing levels of biodiversity feature representation to increasing conservation value using the principle that more is better. Traditional target-based systematic conservation planning is a special case of this approach, in which a step function is used for the benefit function. We have further expanded the benefit function framework for area prioritization to address issues such as protected area size and habitat vulnerability. In the second part of the thesis I address the application of community level modelling strategies to conservation prioritization. One of the most serious issues in systematic conservation planning currently is not the deficiency of methodology for selection and design, but simply the lack of data. Community level modelling offers a surrogate strategy that makes conservation planning more feasible in data poor regions. We have reviewed the available community-level approaches to conservation planning. These range from simplistic classification techniques to sophisticated modelling and selection strategies. We have also developed a general and novel community level approach to conservation prioritization that significantly improves on methods that were available before. This thesis introduces further degrees of realism into conservation planning methodology. The benefit function -based conservation prioritization framework largely circumvents the problematic phase of target setting, and allowing for trade-offs between species representation provides a more flexible and hopefully more attractive approach to conservation practitioners. The community-level approach seems highly promising and should prove valuable for conservation planning especially in data poor regions. Future work should focus on integrating prioritization methods to deal with multiple aspects in combination influencing the prioritization process, and further testing and refining the community level strategies using real, large datasets. Luonnon monimuotoisuuden väheneminen on yksi vakavimmista tämän päivän ympäristöongelmista. Monimuotoisuuden vähenemisen pääasiallisia syitä ovat hyvänlaatuisten elinympäristöjen väheneminen ja pirstoutuminen. Tätä kehitystä vastaan voidaan toimia lisäämällä luonnonsuojelualueiden määrää. Luonnonsuojeluun tarjolla olevat taloudelliset resurssit ovat kuitenkin varsin rajalliset, joten niiden käyttö on suunniteltava huolellisesti jotta suurin hyöty saavutetaan. Systemaattinen suojelualuesuunnittelu on lähestymistapa joka kehitettiin tätä tarkoitusta varten. Viimeisten kahden vuosikymmenen aikana ala on kehittynyt sekä menetelmällisesti että teoreettisesti kohti lähestymistapoja joissa huomioidaan erilaiset suojelutavoitteet, suojelun tuloksellisuus, taloudelliset tekijät (suojelun hinta ja epäsuorat kustannukset yhteiskunnalle) sekä sosio-poliittiset rajoitteet. Tämä väitöskirja käsittelee kahta laajempaa suojelusuunnitteluun liittyvää teemaa. Ensimmäisessä osassa tarkastelen lajien tai muiden monimuotoisuuden yksiköiden arvottamista. Lajien priorisointi voi perustua esimerkiksi niiden uhanalaisuuteen (valkoselkätikka vs. käpytikka), niiden evolutiivisen historian ainutlaatuisuuteen (neidonhiuspuu vs. leinikki) tai esimerkiksi niiden merkitykseen ekosysteemien toiminnalle. Suojelusuunnittelussa tulisi huomioida lajien eriarvoisuus. Suojeluresurssien kohdentaminen tiettyihin lajeihin voi tuottaa monimuotoisuuden kannalta kokonaisuudessaan paremman lopputuloksen kuin toisiin lajeihin keskittyminen. Samaan teemaan liittyen väitöskirjassa kehitetään suojelualuesuunnittelun menetelmiä biologisesti toimivampaan suuntaan. Menetelmissämme huomioidaan esimerkiksi se, että lajin säilymistodennäköisyys on suurempi silloin kun lajia esiintyy mahdollisimman monella suojelualueella, ja kun suojelualueverkoston yksittäiset alueet ovat suurempia. Toinen väitöskirjan teema on lajiyhteisötason mallinnusmenetelmien käyttö suojelusuunnittelussa. Tilastollisten mallinnus- ja laskentamenetelmien avulla voidaan päätellä minne luonnonsuojelualueita kannattaa sijoittaa silloin kun tarkkaa tietoa lajien levinneisyysalueista ei ole riittävästi saatavilla perinteistä lajipohjaista suunnittelua varten. On varsin yleistä, että lajitason tietoa on saatavilla vain joillekin lajiryhmille ja vain osalle todellista levinneisyysaluetta. Tällaisissa tilanteissa yhteisötason menetelmät auttavat saavuttamaan lajiston kattavan suojelualueverkoston puutteellisesta tiedosta huolimatta. Väitöskirjassani käsittelen ja vertailen olemassa olevia yhteisötason menetelmiä sekä esittelen uuden, aiempaa tehokkaamman menetelmän. Tämä väitöskirja edistää suojelualuesuunnittelun teoriaa ja menetelmiä kahdella toistaiseksi erillisellä osa-alueella. Tulevaisuuden haasteisiin kuuluu ennen kaikkea eri tekijöiden yhdistäminen samaan menetelmään ja käyttäjäystävälliseen tietokoneohjelmistoon, perimmäisenä tavoitteena se, että menetelmien käyttö yleistyisi käytännön luonnonsuojelutyössä.

The Golgi complex is a central organelle of the secretory pathway, responsible for a range of post-translational modifications, as well as for membrane traffic to the plasma membrane and to the endosomal-lysosomal pathway. In addition, this organelle has roles in cell migration, in the regulation of traffic, and as a mitotic check point. The structure of the Golgi complex is highly dynamic and able to respond to the amount of cargo being transported and the stage of the cell cycle. The Golgi proteome reflects the functions and structure of this organelle, and can be divided into three major groups: the Golgi resident proteins (e.g. modification enzymes), the Golgi matrix proteins (involved in structure and tethering events), and trafficking proteins (e.g. vesicle coat proteins and Rabs). The Golgi proteome has been studied on several occasions, from both rat liver and mammary gland Golgi membranes using proteomic approaches, but still little more than half of the estimated Golgi proteome is known. Nevertheless, methodological improvements and introduction of shotgun proteomics have increased the number of identified proteins, and especially the number of identified transmembrane proteins. Cartilage, even though not a typical tissue in which to study membrane traffic, secretes large amounts of extracellular matrix proteins that are extensively modified, especially by amino acid hydroxylation, glycosylation and sulfation. Furthermore, the cartilage ECM contains several, large oligomeric proteins (such as collagen II) that are difficult to assemble and transport. Indeed, cartilage has been shown to be susceptible to changes both in secretory pathway (e.g. the COPII coat assembly) and in post-translational modifications (e.g. heparan sulfate formation). Dental follicle, and the periodontal ligament (PDL) that it forms, are another type of connective tissue, and they have a role in anchoring teeth to bone. This anchorage is achieved by numerous matrix fibres that connect the bone matrix with the cementum. These tissues have in common the secretion of large matrix molecules. In this study the Golgi proteome was analysed from purified, stacked Golgi membranes isolated from rat liver. The identified, extensive proteome included a protein similar to Ab2-095, or Golgi protein 49kDa (GoPro49), which was shown to localise to the Golgi complex as an EGFP fusion protein. Surprisingly, in situ hybridisation showed the GoPro49 expression to be highly restricted to different mesenchymal tissues, especially in cartilage, and this expression pattern was clearly developmentally regulated. In addition to cartilage, GoPro49 was also expressed in the dental follicle, but was not observed in the mature PDL. Importantly, GoPro49 is the first specific marker for the dental follicle. Endogenous GoPro49 protein co-localised with β-COP in both chondrosarcoma and primary dental follicle cell lines. The COPI staining in these cells was highly dynamic, showing a number of tubules. This may reflect the type of secretory cargo they secrete. Currently GoPro49 is the only Golgi protein with such a restricted expression pattern. Jokaisessa solussamme on useita erilaisia soluelimiä suorittamassa solulle välttämättömiä tehtäviä. Yksi niistä on Golgin laite, joka sijaitsee tuman vieressä ja vastaa proteiinin kuljetuksesta solukalvolle ja ulos solusta. Golgin laite vastaa myös eritettävien proteiinien muokkauksesta entsymaattisesti, liittämällä esimerkiksi sokeriketjuja, rasvahappoja tai muita proteiinien toimintaan vaikuttavia ryhmiä proteiinin aminohappoihin. Jotta Golgin laite pystyisi toimittamaan kaikki tehtävänsä, sillä on joukko omia proteiineja, eli Golgin proteomi, vastaamassa näistä tehtävistä. Golgin proteomia on tutkittu useaan otteeseen, mutta edellen osa siihen kuuluvista proteiineista on tunnistamatta. Monet elimistömme kudokset tuottavat ja erittävät runsaasti proteiineja, kuten esimerkiksi maksa albumiinia ja hyytymistekijöitä verenkiertoon. Myös rusto, joka muodostaa tukirangan yksilönkehityksen aikana, erittää aktiivisesti proteiineja soluvälitilaan. Nämä sidekudoksen proteiinit ovat tärkeitä ruston toiminnalle, esimerkiksi sen kestävyydelle, ja muodostavat merkittävän osan tästä kudoksesta. Tärkeää tälle sidekudoksen osalle ja koko ruston toiminnalle on myös proteiinien muokkaus ja mm. sokeriryhmien liittäminen. Tämän vuoksi Golgin laitteen toiminta ja proteiinien kuljetus ovat tärkeitä ruston toimin kannalta. Väitöskirjatyössäni olen tutkinut Golgin proteomia ja olemme tunnistaneet suuren joukon uusia tuntemattomia proteiineja. Näistä proteiineista yksi valittiin tarkemman tutkimuksen kohteeksi. Näytämme, että tämä proteiini, jonka nimesimme Golgi proteiini 49kDa:ksi (GoPro49), on uusi, Golgin laitteessa esiintyvä proteiini, jonka sijainti solussa on yhdenmukainen beta-COP proteiinin kanssa. Beta-COPia tarvitaan proteiinien kuljettamiseen Golgin laitteseen ja sieltä pois. Tämä havainto saattaa tarkoittaa, että GoPro49 proteiinin tehtävä solussa liittyy proteiinien kuljetukseen. Yllätykseksemme totesimme, että GoPro49 ilmentyy hiiren yksilönkehityksen aikana pääosin rustossa ja hampaita ympäröivässä sidekudoksessa. Tämä on epätavallista Golgin proteiinille, koska Golgin laite on välttämätön kaikille soluille ja siksi Golgin proteiineja on yleensä kaikissa soluissamme. Tämä saattaa kertoa, että proteiinia tarvitaan eritysesti tiettyjen, vain sidekudoksessa esiintyvien proteiinen kuljetukseen, tai että ruston proteiinit vaativat tavallista enemmän apua kuljetuksessa. Tuloksiemme perusteella GoPro49 on mielenkiintoinen uusi proteiini. Sen tarkka tehtävä rusto-solussa vaatii kuitenkin vielä tarkempaa tutkimusta.

In this thesis three icosahedral lipid-containing double-stranded (ds) deoxyribonucleic acid (DNA) bacteriophages have been studied: PRD1, Bam35 and P23-77. The work focuses on the entry, exit and structure of the viruses. PRD1 is the type member of the Tectiviridae family, infecting a variety of Gram-negative bacteria. The PRD1 receptor binding complex, consisting of the penton protein P31, the spike protein P5 and the receptor binding protein P2 recognizes a specific receptor on the host surface. In this study we found that the transmembrane protein P16 has an important stabilization function as the fourth member of the receptor binding complex and protein P16 may have a role in the formation of a tubular membrane structure, which is needed in the ejection of the genome into the cell. Phage Bam35 (Tectiviridae), which infects Gram-positive hosts, has been earlier found to resemble PRD1 in morphology and genome organization The uncharacterized early and late events in the Bam35 life cycle were studied by electrochemical methods. Physiological changes in the beginning of the infection were found to be similar in both lysogenic and nonlysogenic cell lines, Bam35 inducing a temporal decrease of membrane voltage and K+ efflux. At the end of the infection cycle physiological changes were observed only in the nonlysogenic cell line. The strong K+ efflux 40 min after infection and the induced premature cell lysis propose that Bam35 has a similar holin-endolysin lysis system to that of PRD1. Thermophilic icosahedral dsDNA Thermus phages P23-65H, P23-72 and P23-77 have been proposed to belong to the Tectiviridae family. In this study these phages were compared to each other. Analysis of structural protein patterns and stability revealed these phages to be very similar but not identical. The most stable of the studied viruses, P23-77, was further analyzed in more detail. Cryo-electron microscopy and three-dimensional image reconstruction was used to determine the structure of virus to 14 Å resolution. Results of thin layer chromatography for neutral lipids together with analysis of the three dimensional reconstruction of P23-77 virus particle revealed the presence of an internal lipid membrane. The overall capsid architecture of P23-77 is similar to PRD1 and Bam35, but most closely it resembles the structure of the capsid of archaeal virus SH1. This complicates the classification of dsDNA, internal lipid-containing icosahedral viruses. Rasvakalvolliset ikosahedraaliset kaksoisjuoste-DNA bakteriofagit: sisäänmeno, poistuminen ja rakenne Tutkimuksessa on tarkasteltu PRD1, Bam35 ja P23-77 bakteerifageja, joilla on kaksoisjuoste-DNA (dsDNA) perimä sekä ikosahedraalisen proteiinikuoren alla rasvakalvo. Tutkimus on osana laajempaa kalvollisten virusten rakennetutkimusta sekä rakenteiden perusteella tapahtuvaa virusten syntyhistoriaa sekä niiden sukulaissuhteita määrittävää tutkimusta. PRD1 kuuluu Tectiviridae-heimoon ja infektoi Gram-negatiivista bakteeria. Tutkimus valottaa PRD1:n kulmissa olevaa reseptoriin sitoutuvaa tarttumisrakennetta (koostuu P31, P5 ja P2 proteiineista) sekä sen merkityksestä isäntäsolun infektioon. Kalvon läpäisevällä proteiinilla P16 havaittiin olevan tärkeä tarttumisrakennetta vakauttava merkitys neljäntenä rakenneosana. Mahdollisesti proteiini P16 myös vaikuttaa putkimaisen kalvorakenteen muodostumiseen, jota tarvitaan perimän kuljettamiseen isäntäsoluun. Tectiviridae-heimoon kuuluva, Gram-positiivista bakteeria infektoiva Bam35:lla on samankaltainen perimän järjestäytyminen ja morfologia kuin PRD1:lla. Tutkimuksessa valotettiin Bam35 elinsyklin aikaisia ja myöhäisiä tapahtumia käyttäen elektokemiallisia menetelmiä. Infektion alussa fysiologiset muutokset havaittiin sekä lysogeenisessa että villi tyyppisissä isäntäsolulinjoissa. Bam35 aiheutti väliaikaisen kalvojännitteen alenemisen sekä kaliumin vapautumisen soluista. Infektiosyklin lopussa ainoastaan villi tyypin solulinjassa havaittiin fysiologisia muutoksia. Tutkimuksessa havaittu voimakas kaliumin vapautuminen solusta infektiosyklin lopussa sekä indusoimalla aikaistettu isäntäsolujen lyysi antavat olettaa, että Bam35:lla on PRD1:n kaltainen holini-endolysiini lyysijärjestelmä. Lämpöäkestävien Thermus-bakteriofagien P23-65H, P23-72 ja P23-77 on oletettu kuuluvan Tectiviridae-heimoon. Bakteriofagien stabiliteetin ja rakenneproteiinien analysointi paljasti näiden olevan hyvin samankaltaisia toisiinsa nähden mutta ei identtisiä. Kaikista stabiilein bakteriofagi P23-77 analysoitiin pidemmälle määrittämällä 14 Å resoluutio tarkkuuteen P23-77 kolmiulotteinen rakennemalli käyttäen cryo-elektronimikroskopiaa. Yhdessä ohutlevykromatografian tulokset sekä P23-77 kolmiulotteisen rakennemallin analysointi osoittivat, että proteiinikuoren alla on rasvakalvo. Yleisesti ottaen P23-77 proteiinikuoren rakenne on samankaltainen PRD1:n ja Bam35:n kanssa mutta kaikista läheisin se on arkkivirus SH1 kanssa. Mikä vaikeuttaa rasvakalvollisten ikosahedraalisten dsDNA bakteriofagien luokitusta.

Productivity is predicted to drive the ecological and evolutionary dynamics of predator-prey interaction through changes in resource allocation between different traits. However, resources are seldom constantly available and thus temporal variation in productivity could have considerable effect on the species' potential to evolve. To study this, three long-term microbial laboratory experiments were established where Serratia marcescens prey bacteria was exposed to predation of protist Tetrahymena thermophila in different prey resource environments. The consequences of prey resource availability for the ecological properties of the predator-prey system, such as trophic dynamics, stability, and virulence, were determined. The evolutionary changes in species traits and prey genetic diversity were measured. The prey defence evolved stronger in high productivity environment. Increased allocation to defence incurred cost in terms of reduced prey resource use ability, which probably constrained prey evolution by increasing the effect of resource competition. However, the magnitude of this trade-off diminished when measured in high resource concentrations. Predation selected for white, non-pigmented, highly defensive prey clones that produced predation resistant biofilm. The biofilm defence was also potentially accompanied with cytotoxicity for predators and could have been traded off with high motility. Evidence for the evolution of predators was also found in one experiment suggesting that co-evolutionary dynamics could affect the evolution and ecology of predator-prey interaction. Temporal variation in resource availability increased variation in predator densities leading to temporally fluctuating selection for prey defences and resource use ability. Temporal variation in resource availability was also able to constrain prey evolution when the allocation to defence incurred high cost. However, when the magnitude of prey trade-off was small and the resource turnover was periodically high, temporal variation facilitated the formation of predator resistant biofilm. The evolution of prey defence constrained the transfer of energy from basal to higher trophic levels, decreasing the strength of top-down regulation on prey community. Predation and temporal variation in productivity decreased the stability of populations and prey traits in general. However, predation-induced destabilization was less pronounced in the high productivity environment where the evolution of prey defence was stronger. In addition, evolution of prey defence weakened the environmental variation induced destabilization of predator population dynamics. Moreover, protozoan predation decreased the S. marcescens virulence in the insect host moth (Parasemia plantaginis) suggesting that species interactions outside the context of host-pathogen relationship could be important indirect drivers for the evolution of pathogenesis. This thesis demonstrates that rapid evolution can affect various ecological properties of predator-prey interaction. The effect of evolution on the ecological dynamics depended on the productivity of the environment, being most evident in the constant environments with high productivity. Ympäristön tuottavuuden ennustetaan vaikuttavan peto-saalissuhteen ekologiseen ja evolutiiviseen dynamiikkaan eri ominaisuuksiin allokoitavien resurssien määrän kautta. Resurssien saatavuus vaihtelee kuitenkin usein ajallisesti, jolla voi olla suuri merkitys lajien evoluutiopotentiaalille. Tutkin väitöskirjassani resurssiympäristön merkitystä peto-saalissuhteen evoluutioon kolmessa pitkäaikaisessa mikrokosmoskokeessa, jossa altistin saalisbakteeri Serratia marcescens:ia alkueläin Tetrahymen thermopila:n saalistukselle. Kokeissa mitattiin lajien evolutiivisia muutoksia ja niiden vaikutusta peto-saalisyhteisön ekologisiin ominaisuuksiin (kuten trofia-dynamiikkaan, stabiliteettiin, diversiteettiin ja saaliin virulenssiin). Saalisbakteerin puolustuskyky kehittyi erityisen vahvaksi ympäristöissä, joiden tuottavuustaso oli korkea. Saaliin puolustuskyvyn parantuminen vähensi kuitenkin saaliin resurssienkäyttötehokkuutta, mikä rajoitti saaliin puolustuskyvyn evoluutiota kun ympäristön tuottavuustaso oli alhainen. Mittausravintokonsentraation kasvattaminen vähensi puolustuksen ja resurssinkäyttötehokkuuden välisen allokaatiokustannuksen merkitystä saaliin kelpoisuudelle. Resurssien saatavuuden ajallinen vaihtelu lisäsi petojen populaatiokokojen varianssia, mikä johti saalisbakteereihin kohdistuvien valintapaineiden vaihtelun lisääntymiseen. Resurssien saatavuuden ajallinen vaihtelu rajoittikin saaliin puolustuskyvyn evoluutiota, kun tästä aiheutunut kustannus saaliin kilpailukyvyssä oli iso. Resurssien saatavuuden ajallisella vaihtelulla oli sen sijaan pienempi merkitys, kun resurssien virtaus oli suuri ja saaliin puolustuksen parantamisesta aiheutuva kustannus kilpailukyvyssä oli pieni. Pedot valikoivat etenkin valkoisia pesäkkeitä muodostavia, tehokkaasti puolustautuvia saalisbakteerityyppejä, jotka kasvoivat alkueläimille huonosti ravinnoksi kelpaavana biofilminä (bakteerien kasvu solurykelminä kasvatusastioiden pinnoilla). Lisäksi biofilmeissä muodostui mahdollisesti alkueläimille myrkyllisiä yhdisteitä ja staattinen kasvumuoto saattoi olla syynä bakteerien vähentyneelle liikkumiselle. Myös pedot pystyivät kehittymään paremmiksi saalistajiksi, mutta vain yhdessä kokeistani, jossa resurssien virtaus oli suurin. Saaliin evolutiiviset muutokset vaikuttivat moniin peto-saalissuhteen ekologisiin ominaisuuksiin. Saaliin puolustuskyvyn evoluutio esimerkiksi rajoitti energian siirtymistä ravintoketjun ylimmälle trofiatasolle, mikä heikensi petojen merkitystä saalispopulaatiokokojen säätelyssä. Saalistus ja resurssien saatavuuden ajallinen vaihtelu lisäsivät yleisesti saaliin ominaisuuksien ja lajien populaatiokokojen vaihtelua. Saalistuksen epästabiloiva vaikutus ei kuitenkaan ollut niin vahvaa, kun ympäristön tuottavuustaso oli korkea. Lisäksi saaliin puolustuskyvyn evoluutio vähensi ympäristön vaihtelun kasvattamaa populaatiodynamiikan vaihtelua. Alkueläinten saalistuksen aiheuttamat evolutiiviset muutokset laskivat myös saalisbakteerin virulenssia Parasemia plantaginis täpläsiilikäs-isännässä. Isäntä-patogeenisuhteen ulkopuoliset lajivuorovaikutukset voivatkin olla tärkeitä, epäsuoria, bakteerin virulenssin evoluutioon vaikuttavia tekijöitä. Tämä väitöskirja havainnollistaa, että lajien evoluutio voi olla kyllin nopeaa vaikuttaakseen lukuisiin peto-saalissuhteen ekologisiin ominaisuuksiin. Evoluution merkitys peto-saalissuhteen ekologiselle dynamiikalle näyttäisi kuitenkin riippuvan erityisesti ympäristön tuottavuudesta sen ollessa selkeintä silloin, kun resursseja on jatkuvasti saatavilla ja ympäristön tuottavuustaso on korkea.

Jordens ekologiska system undergår för tillfället stora förändringar pga. människans aktiviteter. Ett växande antal studier visar att dessa förändringar påverkar naturliga och sexuella urvalet och därmed evolutiva processer. Målet med detta arbete var att undersöka effekterna av omgivningsförändringar på sexuella urvalet genom att använda den ökade övergödningen inom storpiggen Gasterosteus aculeatus lekområden som modell system. Sexuella urvalet är en viktig evolutiv kraft med följder på populations- och artnivå (Kapitel 1). Avhandlingens olika delar fokuserar på övergödningens effekter på upptäckandet av partners, användningen av visuella- och doftsignaler i partnersval, och fördelningen av parningsframgången mellan bobyggande hanar. I Kapitel II och III simuleras hur grumlighet orsakad av fytoplankton påverkar hastigheten med vilken potentiella partners påträffas, genom effekter på synligheten. Resultaten visar att normala algblomningar i Östersjön har en måttlig effekt på finnandet av potentiella partners. Detta tyder på att algblomningarna troligen inte kommer att minska på selektiva parningen pga. ökade sökkostnader. I Kapitel IV visas att storspiggen ändrar relativa användningen av olika signaler när vattnets grumlighet ökar; visuella signaler minskar i betydelse medan doftsignaler ökar i betydelse. Samtidigt underlättas användandet av doftsignaler av ändringar i vattnets kemiska sammansättning då fotosyntesen intensifieras (Kapitel V). Lek i övergödda vatten kan ändå vara kostsamt både på individ- och populationsnivån, då parasiterade hanar, som troligen är dåligt genetiskt anpassade till sin miljö, lyckas få mer ägg i sina bon än friskare hanar som troligen är av högre genetisk kvalitet (Kapitel VI). Övergödningen påverkar således partnersval och konkurrensen om partners genom att påverka upptäckandet av potentiella partners, evalueringen av partners och fördelningen av partners inom lekområdena. De följder detta kan ha för evolutionen av sexuellt selekterad egenskaper och för populationers dynamik och livskraft är dock oklara. Avhandlingen visar på svårigheten att förutse följderna av omgivningsförändringar för sexuella urvalet och effekterna på individ och populationsnivå. The increasing ecological footprint of the human population alters ecosystems worldwide. A growing number of studies reveal that human-induced changes interfere with natural and sexual selection. The aim of this thesis was to determine how environmental change alters sexual selection by using eutrophication of the breeding habitats of the threespine stickleback Gasterosteus aculeatus as a model system. Sexual selection is an important evolutionary process, with consequences at individual, population and species level (Chapter I). The different parts of the thesis focus on the influence of eutrophication on mate detection, the use of visual and olfactory mate choice cues, and the distribution of mating success among nesting males. In Chapter II and III, we simulate how phytoplankton turbidity decreases mate encounter rate by constraining the visual range. We show that the reduction in mate encounter rate is moderate at the breeding grounds in the Baltic Sea at normal spring bloom turbidity values. This suggests that phytoplankton turbidity is unlikely to decrease assortative mating due to increased search costs. Chapter IV shows that sticklebacks alter the use of cues used in mate choice when visibility decreases, reducing the use of visual cues and increasing the use of olfactory cues. Moreover changes in the water chemistry in eutrophied areas, caused by intensified photosynthetic production, seem to facilitate the use of olfactory cues (Chapter V). However, a field experiment revealed that breeding in eutrophied waters could be costly at both the individual and the population level, since more parasitized males received more eggs in eutrophied waters, although these males most likely are of low genetic quality (Chapter VI). Eutrophication clearly affects mate choice and mate competition by influencing mate detection, mate assessment and the distribution of mates on the breeding grounds, but the consequences this may have on sexual selection on traits and ultimately on population dynamics and persistence remain unclear. The thesis shows the difficulty in predicting the consequences of human-induced environmental change on sexual selection at the individual and the population level.

The complexity of life is based on an effective energy transduction machinery, which has evolved during the last 3.5 billion years. In aerobic life, the utilization of the high oxidizing potential of molecular oxygen powers this machinery. Oxygen is safely reduced by a membrane bound enzyme, cytochrome c oxidase (CcO), to produce an electrochemical proton gradient over the mitochondrial or bacterial membrane. This gradient is used for energy-requiring reactions such as synthesis of ATP by F0F1-ATPase and active transport. In this thesis, the molecular mechanism by which CcO couples the oxygen reduction chemistry to proton-pumping has been studied by theoretical computer simulations. By building both classical and quantum mechanical model systems based on the X-ray structure of CcO from Bos taurus, the dynamics and energetics of the system were studied in different intermediate states of the enzyme. As a result of this work, a mechanism was suggested by which CcO can prevent protons from leaking backwards in proton-pumping. The use and activation of two proton conducting channels were also enlightened together with a mechanism by which CcO sorts the chemical protons from pumped protons. The latter problem is referred to as the gating mechanism of CcO, and has remained a challenge in the bioenergetics field for more than three decades. Furthermore, a new method for deriving charge parameters for classical simulations of complex metalloenzymes was developed. Livets mångfald baserar sig på ett effektivt energiproduktionsmaskineri, som utvecklats under de senaste 3,5 miljarder åren. Detta molekylära maskineri, som också kallas för andningskedjan, befinner sig i eukaryotcellens mitokondrier. Andningskedjan drivs av enzymet cytokrom c oxidas (CcO), som förbrukar nästan allt syre som organismen inandas. CcO reducerar syre till vatten och använder mycket effektivt reaktionens frigjorda energi till att flytta vätejoner (protoner) över mitokondriens inre membran. Precis som i ett batteri uppstår det en spänning över mitokondriens membran, vilken används till att utföra energikrävande processer, t.ex. i produktion av cellens energimolekyl ATP. CcO:s allmänna funktionsprincip har varit känd i tre årtionden, och enzymets atomstruktur utreddes för över tio år sedan. Protonpumpningsmekanismen i CcO är ändå tillsvidare okänd. Med denna mekanism menas den molekylära funktionsprincip med vilken den frigjorda energin från syrereduktionen kopplas till protonöverföring över mitokondriens inre membran. Utredning av den exakta pumpmekanismen är av central betydelse inom biokemin och bioenergetiken eftersom CcO utgör grunden för det aeroba livet. Felfunktion i CcO har visats ha samband med många sjukdomar s.s. Parkinsons sjuka och muskeldegenerationssjukdomar. Dessutom reglerar CcO implicit produktionen av syreradikaler, som har samband t.ex. med degradation av muskelvävnad efter hjärtinfarkt och degradation som sker vid föråldring. CcO:s funktion är också av stort intresse för energiproduktionsindustrin eftersom enzymet fungerar likt en bränslecell, fastän mera effektivt. I framtiden kan möjligen CcO:s effektiva funktionsprincip användas som modell i utvecklingen av bioinspirerade bränsleceller. I min avhandling har jag studerat protonpumpningsmekanismen i CcO med hjälp av teoretisk modellering. Beräkningsmodellerna baserar sig på experimentell strukturinformation, samt resultat från många biokemiska och biofysikaliska experiment. Jag har studerat CcO:s dynamik, energetik och struktur i dess katalytiska cykels olika mellansteg. Beräkningsmodellerna som använts baserar sig på både klassisk- och kvantmekanik, vilka löses med hjälp av effektiva superdatorer. Studierna i denna avhandling utmynnade i sex vetenskapliga artiklar. Som resultat av dessa studier identifierades en specifik aminosyra (Glu-242) nära enzymets aktiva centrum, vilken hindrar de pumpade protonerna från att läcka. Denna aminosyra fungerar delvis som en molekylär motors vevaxel. Dessutom föreslogs en mekanism som CcO använder till att aktivera och växla mellan två protonledande kanaler. En ny metod utvecklades också, som kan användas till att modellera komplicerade enzymatiska metallcentra med hjälp av relativt lätta klassiska beräkningar. Denna metod baserar sig på parametrisering av dessa metallcentra med hjälp av tunga kvantkemiska beräkningar. Parametrarna som härleddes för CcO:s metallcentra användes i många arbeten som ingår i denna avhandling. Det viktigaste resultatet är kanske ändå en ny modell på CcO:s protonpumpningsmekanism, som förklarar hur CcO separerar de protoner som används för pumpning, från protonerna som används i syrereduktionen till vatten. Denna princip kallas för "gating" (eng. "gate" – port), och är en av de viktigaste frågorna i utredningen av CcO:s funktionsprincip. Elämän monimuotoisuuden perustana on äärimmäisen tehokas energiantuotantokoneisto, joka on kehittynyt viimeisten 3,5 miljardin vuoden aikana. Tämä hengitysketjuksi kutsuttu molekyylikoneisto sijaitsee eukaryoottisolun mitokondrioissa. Hengitysketjua pyörittää sytokromi-c oksidaasi -entsyymi (CcO), joka käyttää lähes kaiken eliön hengittämästä hapesta. CcO pelkistää hapen vedeksi ja käyttää erittäin tehokkaasti reaktiossa vapautuneen energian siirtääkseen vetyioneita (protoneita) mitokondrion sisäkalvon yli. Aivan kuten sormiparistossa, mitokondrion kalvon yli syntyy jännite, jota hyödynnetään energiaa vaativissa prosesseissa esimerkiksi solun energiamolekyyli ATP:n tuottamisessa. CcO:n yleinen toimintaperiaate on tunnettu jo yli 30 vuoden ajan ja entsyymin atomirakenne selvitettiin yli kymmenen vuotta sitten. CcO:n pumppumekanismi on kuitenkin vielä tuntematon. Pumppumekanismilla tarkoitetaan molekyylitason toimintaperiaatetta, jossa hapen pelkistämisessä vapautunut energia kytketään protonin siirtoon mitokondrion sisäkalvon yli (protonipumppaus). Pumppumekanismin tarkka ymmärtäminen on biokemian ja bioenergetiikan kannalta keskeistä, sillä CcO on hapellisen elämän energiantuotannon perusta. CcO:n toiminnan häiriöiden on osoitettu liittyvän moniin sairauksiin, kuten Parkinsonin tautiin ja lihasrappeumatauteihin. Lisäksi happiradikaalien tuotanto, jota CcO epäsuorasti säätelee, liittyy sydäninfarkteissa syntyviin kudosvaurioihin sekä ikääntymisen aiheuttamaan rappeutumiseen. CcO:n toiminta on myös energiateollisuudelle erittäin kiinnostava kysymys, koska entsyymi toimii polttokennon tavoin, vaikkakin paljon tehokkaammin. Tulevaisuudessa voidaan mahdollisesti käyttää CcO:n tehokasta toimintaperiaatetta mallina bioinspiroitujen polttokennojen kehittämisessä. Väitöskirjassani olen tutkinut CcO:n pumppumekanismia käyttäen teoreettista mallinnusta. Tutkimuksessa käytetyt laskentamallit perustuvat kokeelliseen rakenneinformaatioon sekä useiden biokemiallisten ja biofysikaalisten kokeiden tuloksiin. Olen tutkinut CcO:n dynamikkaa, energetiikkaa ja rakennetta entsyymin katalyyttisen kierron eri välitiloissa käyttäen sekä klassista mekaniikkaa että kvanttimekaniikkaa ja suuren tehon supertietokoneita. Tutkimuksen tulokset on julkaistu kuudessa tieteellisessä julkaisussa. Tutkimuksessa havaittiin, että tietty aminohappo (Glu-242) lähellä entsyymin aktiivista keskusta estää pumpattavia protoneita vuotamasta takaisin. Kyseinen aminohappo toimii siis osittain molekyylitason moottorin kampiakselina. Tutkimuksessa ehdotettiin myös mekanismia, jota CcO käyttää kahden eri protoninjohtokanavan aktivoimiseen ja vuorotteluun. Tutkimuksessa kehitettiin lisäksi uusi menetelmä, jonka avulla voidaan mallintaa entsyymien monimutkaisia metallikeskuksia käyttämällä kevyempiä klassisia laskuja ja raskaista kvanttikemiallista laskuista johdettuja parametreja. Näitä parametreja CcO:n metallikeskuksille käytettiin väitöskirjan muissa töissä. Väitöskirjan tärkeimpänä tuloksena voidaan kuitenkin pitää uutta mallia pumppumekanismista. Mallin avulla voidaan selittää, miten CcO erottelee pumpattavat protonit niistä protoneista, jotka käytetään hapen pelkistämisessä vedeksi. Tätä periaatetta kutsutaan "gating" mekanismiksi (eng. gate – portti, "portitus"), joka on yksi tärkeimpiä kysymyksiä CcO:n toimintaperiaatteen selvittämisessä.

The actin cytoskeleton is essential for many cellular processes, including motility, morphogenesis, endocytosis and signal transduction. Actin can exist in monomeric (G-actin) or filamentous (F-actin) form. Actin filaments are considered to be the functional form of actin, generating the protrusive forces characteristic for the actin cytoskeleton. The structure and dynamics of the actin filament and monomer pools are regulated by a large number of actin-binding proteins in eukaryotic cells. Twinfilin is an evolutionarily conserved small actin monomer binding protein. Twinfilin is composed of two ADF/cofilin-like domains, separated by a short linker and followed by a C-terminal tail. Twinfilin forms a stable, high affinity complex with ADP-G-actin, inhibits the nucleotide exchange on actin monomers, and prevents their assembly into filament ends. Twinfilin was originally identified from yeast and has since then been found from all organisms studied except plants. Not much was known about the role of twinfilin in the actin dynamics in mammalian cells before this study. We set out to unravel the mysteries still covering twinfilins functions using biochemistry, cell biology, and genetics. We identified and characterized two mouse isoforms for the previously identified mouse twinfilin-1. The new isoforms, twinfilin-2a and -2b, are generated from the same gene through alternative promoter usage. The three isoforms have distinctive expression patterns, but are similar biochemically. Twinfilin-1 is the major isoform during development and is expressed in high levels in almost all tissues examined. Twinfilin-2a is also expressed almost ubiquitously, but at lower levels. Twinfilin-2b turned out to be a muscle-specific isoform, with very high expression in heart and skeletal muscle. It seems all mouse tissues express at least two twinfilin isoforms, indicating that twinfilins are important regulators of actin dynamics in all cell and tissue types. A knockout mouse line was generated for twinfilin-2a. The mice homozygous for this knockout were viable and developed normally, indicating that twinfilin-2a is dispensable for mouse development. However, it is important to note that twinfilin-2a shows similar expression pattern to twinfilin-1, suggesting that these proteins play redundant roles in mice. All mouse isoforms were shown to be able to sequester actin filaments and have higher affinity for ADP-G-actin than ATP-G-actin. They are also able to directly interact with heterodimeric capping protein and PI(4,5)P2 similar to yeast twinfilin. In this study we also uncovered a novel function for mouse twinfilins; capping actin filament barbed ends. All mouse twinfilin isoforms were shown to possess this function, while yeast and Drosophila twinfilin were not able to cap filament barbed ends. Twinfilins localize to the cytoplasm but also to actin-rich regions in mammalian cells. The subcellular localizations of the isoforms are regulated differently, indicating that even though twinfilins biochemical functions in vitro are very similar, in vivo they can play different roles through different regulatory pathways. Together, this study show that twinfilins regulate actin filament assembly both by sequestering actin monomers and by capping filament barbed ends, and that mammals have three biochemically similar twinfilin isoforms with partially overlapping expression patterns. Aktiinitukiranka on oleellisen tärkeä useissa solun toiminnoissa, kuten liikkuminen, signaalien välittäminen, endosytoosi ja jakautuminen. Aktiini esiintyy soluissa monomeeri- tai säiemuodossa. Aktiinin toiminnallinen muoto soluissa on säiemäinen. Aktiinisäikeiden rakentumista ja purkamista säätelee suuri joukko solunsisäisiä proteiineja. Twinfiliini on keskeinen proteiini tässä säätelyssä. Twinfiliini paina noin 40 kDa ja koostuu kahdesta ADF-H (homologinen actin depolymerizing factor:lle) domeenista. Twinfiliini muodostaa kompleksin aktiini-monomeerin kanssa, estää nukleotidin vaihtumisen aktiini-monomeerissa ja estää aktiinisäikeiden muodostumisen. Twinfiliini tunnistettiin ensin hiivassa ja on sen jälkeen löydetty kaikista tutkituista eliölajeista, paitsi kasveista. Nisäkkään twinfiliinistä ei tiedetty juuri mitään ennen tämän tutkimuksen aloittamista. Käyttäen solubiologisia, biokemiallisia ja perinnöllisyystieteellisiä menetelmiä olemme pyrkineet selvittämään hiiren twinfiliinin roolia aktiinitukirangan säätelyssä. Tunnistimme ja karakterisoimme kaksi uutta muotoa aiemmin tunnistetulle hiiren twinfiliinille, twinfiliini-1:lle. Uudet muodot, twinfiliini-2a ja -2b, jakavat twinfiliini-1:n biokemialliset ominaisuudet, mutta ilmentyvät eri kudoksissa. Kaikki twinfiliini-muodot sitoutuvat ADP-aktiini-monomeereihin ja aktiinifilamenttien päihin sekä capping proteiiniin. Soluissa twinfiliinit paikallistuvat solulimaan ja aktiini-rikkaisiin alueisiin. Twinfiliinien solunsisäistä sijaintia säädellään eri tavoin, mikä mahdollistaa eri muotojen erilaisen roolin solun toiminnoissa. Twinfiliini-1 on keskeinen muoto yksilönkehityksen aikana ja twinfiliini-2b esiintyy vain lihaskudoksissa. Kaikissa hiiren kudoksissa ilmentyy ainakin kaksi twinfiliinin muotoa, osoittaen, että twinfiliinin täytyy olla tärkeä osatekijä aktiinin säätelyssä. Tutkimuksen aikana loimme poistogeenisen hiirilinjan twinfiliini-2a:n suhteen. Poistogeeniset hiiret olivat elinkelpoisia ja kehittyivät normaalisti. Voi olla, että muut twinfiliini-muodot pystyvät korvaamaan twinfiliini-2a:n toiminnan soluissa.

Viruses of Archaea are the least studied group of viruses. Fewer than 50 archaeal viruses have been reported which constitutes less than one percent of all the isolated prokaryotic viruses. Only about one third of the isolated archaeal viruses infect halophiles. The diversity of haloviruses, virus ecology in highly saline environments and the interactions of haloviruses with their hosts have been little studied. The exiguous knowledge available on halophilic systems is not only due to inadequate sampling but also reflects the extra challenge highly saline systems set on biochemical studies. In this study six new haloviruses were isolated and characterized. Viruses included four archaeal viruses and two bacteriophages. All of the other isolates exhibited head-tail morphology, except SH1 which was the first tailless icosahedral virus isolated from a high salt environment. Production and purification procedures were set up for all of these viruses and they were subjected to stability determinations. Archaeal virus SH1 was studied in more detail. Biochemical studies revealed an internal membrane underneath the protein capsid and a linear dsDNA genome. The overall structure of SH1 resembles phages PRD1, PM2 and Bam35 as well as an archaeal virus STIV. SH1 possesses about 15 structural proteins that form complexes under non-reducing conditions. Quantitative dissociation provided information about the positions of these proteins in the virion. The life cycle of SH1 was also studied. This lytic virus infects Haloarcula hispanica. Adsorption to the host cells is fairly inefficient and the life cycle rather long. Finally, virus responses in a variety of ionic conditions were studied. It was discovered that all of the studied viruses from low salt, marine and high salt environments tolerated larger range of salinities than their bacterial or archaeal hosts. The adsorption efficiency was not determined by the natural environment of a virus. Even though viruses with the slowest binding kinetics were among the haloviruses, fast binders were observed in viruses from all environments. When the salinity was altered, the virus adsorption responses were diverse. Four different behavioral patterns were observed: virus binding increased or decreased in increasing salinity, adsorption maximum was at a particular salt concentration or the salinity did not affect the binding. The way the virus binding was affected did not correlate with the environment, virus morphology or the organism the virus infects. Solulliset eliöt jaetaan kolmeen domeeniin: eukaryootit, bakteerit ja arkit. Virukset infektoivat eliöitä näistä kaikista ryhmistä. Vähiten tutkittu virusryhmä on arkkeja infektoivat virukset. Alle 50 arkkivirusta on eristetty ja karakterisoitu, mikä on vähemmän kuin yksi prosentti tunnetuista bakteereita infektoivista viruksista. Korkean suolapitoisuuden virukset, halovirukset, ovat suurelta osin arkkiviruksia, ja eristetyistä arkkiviruksista näitä on noin kolmannes. Väitöskirjatyössä eristettiin ja karakterisoittin kuusi halovirusta. Neljä näistä viruksista infektoi arkkeja ja kaksi bakteereita. Morfologialtaan ne olivat viruksia, joilla oli pää ja häntä, paitsi yksi joka oli ikosahdraalinen hännätön virus ja morfologialtaan uusi halovirusten joukossa. Tästä ikosahdraalisesta viruksesta tehtiin muita tarkempi karakterisaatio. Lisäksi väitöskirjatyössä tutkittiin myös laajemmin eristettyjen halovirusten ja muiden, sekä korkean että matalan suolan, virusten sopeutumista vaihtelevaan suolapitoisuuteen. Tämä tehtiin seuraamalla viruksen tarttumista isäntäsoluihin erilaisissa ioniolosuhteissa sekä tutkimalla viruksen suolankestävyyttä.

Integrins are heterodimeric transmembrane adhesion receptors composed of alpha- and beta-subunits and they are vital for the function of multicellular organisms. Integrin-mediated adhesion is a complex process involving both affinity regulation and coupling to the actin cytoskeleton. Integrins also function as bidirectional signaling devices, regulating cell adhesion and migration after inside-out signaling, but also signal into the cell to regulate growth, differentiation and apoptosis after ligand binding. The LFA-1 integrin is exclusively expressed in leukocytes and is of fundamental importance for the function of the immune system. The LFA-1 integrins have short intracellular tails, which are devoid of catalytic activity. These cytoplasmic domains are important for integrin regulation and both the alpha and beta chain become phosphorylated. The alpha chain is constitutively phosphorylated, but the beta chain becomes phosphorylated on serine and functionally important threonine residues only after cell activation. The cytoplasmic tails of LFA-1 bind to many cytoskeletal and signaling proteins regulating numerous cell functions. However, the molecular mechanisms behind these interactions have been poorly understood. Phosphorylation of the cytoplasmic tails of the LFA-1 integrin could provide a mechanism to regulate integrin-mediated cytoskeletal interactions and take part in T cell signaling. In this study, the effects of phosphorylation of LFA-1 integrin cytoplasmic tails on different cellular functions were examined. Site-specific phosphorylation of both the alpha- and beta-chains of the LFA-1 was shown to have a role in the regulation of the LFA-1 integrin.Alpha-chain Ser1140 is needed for integrin conformational changes after chemokine- or integrin ligand-induced activation or after activation induced by active Rap1, whereas beta-chain binds to 14-3-3 proteins through the phosphorylated Thr758 and mediates cytoskeletal reorganization. Thr758 phosphorylation also acts as a molecular switch to inhibit filamin binding and allows 14-3-3 protein binding to integrin cytoplasmic domain, and it was also shown to lead to T cell adhesion, Rac-1/Cdc42 activation and expression of the T cell activation marker CD69, indicating a signaling function for Thr758 phosphorylation in T cells. Thus, phosphorylation of the cytoplasmic tails of LFA-1 plays an important role in different functions of the LFA-1 integrin in T cells. It is of vital importance to study the mechanisms and components of integrin regulation since leukocyte adhesion is involved in many functions of the immune system and defects in the regulation of LFA-1 contributes to auto-immune diseases and fundamental defects in the immune system. Taustaa Ihmisen immuunipuolustusjärjestelmän soluihin kuuluvat veren valkosolut eli leukosyytit. Ne puolustavat meitä viruksia, bakteereita ja syöpää vastaa. T-solut muodostavat leukosyytti-alaluokan, jotka vastaavat ns. soluvälitteisestä puolustuksesta eli ne auttavat muita valkosoluja puolustustehtävissä ja tappavat myös virusinfektoituneita soluja. Terveessä elimistössä leukosyytit kiertelevät verenkierron mukana, josta ne siirtyvät imunesteeseen ja kulkevat imusolmukkeiden läpi etsien vieraita taudinaiheuttajia. Kun leukosyytit kohtaavat taudinaiheuttajan toisen solun pinnalla, ne aktivoituvat nopeasti, tarttuvat toisiin soluihin tarttujamolekyylien avulla ja immuunivaste alkaa. Solujen tarttuminen toisiinsa (adheesio) on keskeinen osa elimistön immuunipuolustusta, jota pitää voida säädellä aktiivisesti. Jos elimistön leukosyyttien toiminnassa on häiriöitä, ne voivat hyökätä elimistön omia rakenteita vastaan josta ovat seurauksena autoimmuunisairaudet. Leukosyyttien adheesio liittyy oleellisesti myös kaikkiin neljään suurimpaan tautiryhmään - syöpätauteihin, tulehduksiin, traumaperäisiin tauteihin ja infektioihin. Lääkkeillä, jotka estävät leukosyyttien toimintaa, hoidetaan mm. psoriasista, multippeliskleroosia, astmaoireita, kudossiirrännäisten hylkimisreaktioita ja veritulppien jälkeisiä tiloja. Leukosyyttien adheesiosta vastaavat pääasiassa solukalvon leukosyytti-integriinit (LFA-1). Yksi LFA-1 molekyyli koostuu kahdesta eri ketjusta, alpha- ja beta-ketjusta, ja ne lävistävät solun kalvon eli LFA-1 vaikuttaa leukosyyttien toimintaan sekä solun ulkopuolella että sisäpuolella. Jotta leukosyytit eivät tarttuisi muihin soluihin jatkuvasti ja aiheuttaisi näin häiriöitä immuunijärjestelmässä, LFA-1 esiintyy normaalisti solujen pinnalla inaktiivisessa muodossa. Tässä inaktiivisessa muodossa LFA-1:n tarttumiskyky toisten solujen pinnalla oleviin vastinmolekyyleihin on alhainen. Kun leukosyytti kohtaa taudinaiheuttajan ja solu aktivoituu, se antaa LFA-1:lle signaalin muuttaa muotoaan, jolloin sen tarttumiskyky vastinmolekyyleihin kasvaa ja solut tarttuvat toisiinsa. Leukosyyttien on päästävä kulkemaan verisuonien seinämien läpi infektioalueille. Tätä tapahtumaa auttavat verisuonien pinnan solut tuottaen välittäjäaineita, jotka houkuttelevat leukosyyttejä infektoituneelle alueelle. Leukosyytit kerääntyvät paikalla, aktivoivat LFA-1-integriin ja tarttuvat sen avulla verisuonienseinämien soluihin, kulkevat seinämän läpi ja edelleen kudoksen sisällä infektioalueelle. Leukosyytti-integriinien tarttumista on siis säädeltävä tarkoin, jotta elimistön puolustusmekanismit toimivat oikealla tavalla oikealla hetkellä. Tutkimuksen tulokset Tässä väitöskirjatyössä on tarkasteltu LFA-1:n sekä alpha- että beta-ketjun solunsisäisten osien vaikutusta T-solujen aktivaatioon taudinaiheuttajan tunnistamisen jälkeen. Olemme osoittaneet että alpha-ketju on tärkeä LFA-1:n muodonmuutoksessa inaktiivisesta aktiiviseksi, kun taas beta-ketju auttaa solua muuttamaan muotoaan, jotta se voi tarttua paremmin toisiin soluihin ja aktivoida T-solun toimimaan soluvälitteisessä puolustuksessa. Lisäksi olemme tutkineet, kuinka tietyt solunsisäiset proteiinit (taliini, 14-3-3 ja filamiini) sitoutuvat beta-ketjun solunsisäiseen osaan ja onko näillä proteiineilla vaikutusta LFA-1:n aktivaatioon. Osoitimme, että LFA-1:n solunsisäiseen osaan liitetty fosfaattiryhmä säätelee näiden proteiinien sitoutumista ja siten myös LFA-1:n ja T-solun aktivaatiota. Leukosyytti-integriinien toiminnan perusteellinen tunteminen on tärkeää, sillä näin voidaan kehittää hyvin spesifisiä lääkkeitä autoimmuunisairauksiin sekä muihin patologisiin tiloihin, joissa integriinit toimivat taudin etenemisessä.

The ongoing climate change along with increasing levels of pollutants, diseases, habitat loss and fragmentation constitute global threats to the persistence of many populations, species and ecosystems. However, for the long-term persistence of local populations, one of the biggest threats is the intrinsic loss of genetic variation. In order to adapt to changes in the environment, organisms must have a sufficient supply of heritable variation in traits important for their fitness. With a loss of genetic variation, the risk of extinction will increase. For conservational practices, one should therefore understand the processes that shape the genetic population structure and also the broader (historical) phylogenetic patterning of the species in focus. In this thesis, microsatellite markers were applied to study genetic diversity and population differentiation of the protected moor frog (Rana arvalis) in Fennoscandia from both historical (evolutionary) and applied (conservation) perspectives. The results demonstrate that R. arvalis populations are highly structured over rather short geographic distances. Moreover, the results suggest that R. arvalis recolonized Fennoscandia from two directions after the last ice age. This has had implications for the genetic structuring and population differentiation, especially in the northernmost parts where the two lineages have met. Compared to more southern populations, the genetic variation decreases and the interpopulation differentiation increases dramatically towards north. This could be an outcome of serial population bottlenecking along the recolonization route. Also, current isolation and small population sizes increase the effect of drift, thus reinforcing the observed pattern. The same pattern can also be seen in island populations. However, though R. arvalis on the island of Gotland has lost most of its neutral genetic variability, our results indicate that the levels of additive genetic variation have remained high. This conforms to the conjecture that though neutral markers are widely used in conservation purposes, they may be quite uninformative about the levels of genetic variation in ecologically important traits. Finally, the evolutionary impact of the typical amphibian mating behaviour on genetic diversity was investigated. Given the short time available for larval development, it is important that mating takes place as early as possible. The genetic data and earlier capture-recapture data suggest that R. arvalis gather at mating grounds they are familiar with. However, by forming leks in random to relatedness, and having multiple paternities in single clutches, the risk of inbreeding may be minimized in this otherwise highly philopatric species. Ilmastonmuutos, saasteet sekä sairaudet uhkaavat monien lajien, yksittäisten populaatioiden tai kokonaisten ekosysteemien tulevaisuutta. Suurin uhka on kuitenkin elinympäristön häviäminen ja pirstoutuminen, sekä niiden aiheuttama geneettisen monimuotoisuuden väheneminen. Ilman riittävää geneettistä vaihtelua eliöiden sopeutuminen muuttuvaan elinympäristöön vaikeutuu ja riski lajin tai populaation häviämiselle kasvaa. Luonnon suojelemisen kannalta onkin siksi tärkeää ymmärtää eri lajien erityspiirteitä populaatiorakenteessa, sekä niiden historiallisia taustoja. Näin käynnissä olevien muutosten vaikutukset lajiin on mahdollista havaita tai jopa ennaltaehkäistä. Väitöskirjassa tarkastellaan uhanalaisen viitasammakon (Rana arvalis) populaatiogenetiikkaa evolutiivisesta näkökulmasta. Historian antamia tuloksia voidaan käyttää paikallisten tutkimusten tukena esimerkiksi suojelupäätöksiä tehtäessä. Väitöskirjassa osoitetaan, että viitasammakkopopulaatiot ovat geneettisesti merkittävästi erilaistuneet hyvin lyhyiden etäisyyksien ylitse. Tähän sekä geneettiseen vaihteluun vaikuttaa kuitenkin populaatioiden maantieteellinen sijainti. Pohjoismaihin laji on viime jääkauden jälkeen saapunut todennäköisesti kahdesta eri suunnasta, Suomeen idästä ja Ruotsiin etelästä päin, kohtauspaikkana Pohjois-Ruotsi. Pohjoisen alueen viitasammakkopopulaatiot ovat geneettiseltä monimuotoisuudeltaan köyhempiä ja populaatioiden väliset erot suurempia eteläisiin populaatioihin verrattuna. Nämä erot johtunevat kolonisaatiotavasta, jossa muutama yksilö on perustanut uuden populaation muiden edellä ja näin geneettinen muuntelu on vähitellen kadonnut pohjoiseen tultaessa. Myös pienissä ja eriytyneissä populaatioissa geneettinen muuntelu häviää nopeammin ja aikaansaa voimakasta erilaistumista populaatioden välillä, mikä on selvästi nähtävissä saaripopulaatioissa. Gotlannin viitasammakoista neutraali geneettinen muuntelu on radikaalisti vähentynyt. Mutta toisin kuin aikaisemmin on usein oletettu, tämä ei näytä pätevän muunteluun ekologisesti tärkeitä ominaisuuksia koodaavissa geeneissä. Väitöskirjassa pohditaan myös sammakoille tyypillisen lisääntymistavan evolutiivista merkitystä geneettiselle monimuotoisuudelle. Koska lyhyessä kesässä aikaa on vähän toukkien kehitykselle, nopea lisääntyminen on elintärkeää. Tämä saattaa selittää sen, että sammakot kerääntyvät lisääntymään tutuille paikoille kuten tutkimuksesta saatu geneettinen data ja aikaisemmin kirjattu aikuisten yksilöiden paikkauskollisuus osoittavat. Lisääntymispaikoilla koiraat kuitenkin näyttävät ryhmittyvän sattumanvaraisesti sukulaisuussuhteista riippumatta. Sisäsiittoisuuden riskejä saattaa myös minimoida yksittäisten viitasammakkonaaraiden munaklimpeissä havaittu moni-isyys.

Brain function is critically dependent on the ionic homeostasis in both the extra- and intracellular compartment. The regulation of brain extracellular ionic composition mainly relies on active transport at blood brain and at blood cerebrospinal fluid interfaces whereas intracellular ion regulation is based on plasmalemmal transporters of neurons and glia. In addition, the latter mechanisms can generate physiologically as well as pathophysiologically significant extracellular ion transients. In this work I have studied molecular mechanisms and development of ion regulation and how these factors alter neuronal excitability and affect synaptic and non-synaptic transmission with a particular emphasis on intracellular pH and chloride (Cl-) regulation. Why is the regulation of acid-base equivalents (H+ and HCO3-) and Cl- of such interest and importance? First of all, GABAA-receptors are permeable to both HCO3- and Cl-. In the adult mammalian central nervous system (CNS) fast postsynaptic inhibition relies on GABAA-receptor mediated transmission. Today, excitatory effects of GABAA-receptors, both in mature neurons and during the early development, have been recognized and the significance of the dual actions of GABA on neuronal communication has become an interesting field of research. The transmembrane gradients of Cl- and HCO3- determine the reversal potential of GABAA-receptor mediated postsynaptic potentials and hence, the function of pH and Cl- regulatory proteins have profound consequences on GABAergic signaling and neuronal excitability. Secondly, perturbations in pH can cause a variety of changes in cellular function, many of them resulting from the interaction of protons with ionizable side chains of proteins. pH-mediated alterations of protein conformation in e.g. ion channels, transporters, and enzymes can powerfully modulate neurotransmission. In the context of pH homeostasis, the enzyme carbonic anhydrase (CA) needs to be taken into account in parallel with ion transporters: for CO2/HCO3- buffering to act in a fast manner, CO2 (de)hydration must be catalyzed by this enzyme. The acid-base equivalents that serve as substrates in the CO2 dehydration-hydration reaction are also engaged in many carrier and channel mediated ion movements. In such processes, CA activity is in key position to modulate transmembrane solute fluxes and their consequences. The bicarbonate transporters (BTs; SLC4) and the electroneutral cation-chloride cotransporters (CCCs; SLC12) belong the to large gene family of solute carriers (SLCs). In my work I have studied the physiological roles of the K+-Cl- cotransporter KCC2 (Slc12a5) and the Na+-driven Cl--HCO3- exchanger NCBE (Slc4a10) and the roles of these two ion transporters in the modualtion of neuronal communication and excitability in the rodent hippocampus. I have also examined the cellular localization and molecular basis of intracellular CA that has been shown to be essential for the generation of prolonged GABAergic excitation in the mature hippocampus. The results in my Thesis provide direct evidence for the view that the postnatal up-regulation of KCC2 accounts for the developmental shift from depolarizing to hyperpolarizing postsynaptic EGABA-A responses in rat hippocampal pyramidal neurons. The results also indicate that after KCC2 expression the developmental onset of excitatory GABAergic transmission upon intense GABAA-receptor stimulation depend on the expression of intrapyramidal CA, identified as the CA isoform VII. Studies on mice with targeted Slc4a10 gene disruption revealed an important role for NCBE in neuronal pH regulation and in pH-dependent modulation of neuronal excitability. Furthermore, this ion transporter is involved in the basolateral Na+ and HCO3- uptake in choroid plexus epithelial cells, and is thus likely to contribute to cerebrospinal fluid production. Väitöskirjassani tarkastelen hermosolujen ionisäätelyyn osallistuvien proteiinien toiminnan merkitystä hermosolujen välisessä kommunikaatiossa. Tutkimuksellinen painopiste kohdistuu kloridi-, protoni- ja bikarbonaatti-ioneihin sekä niiden säätelyyn osallistuvien solukalvon ionikuljettajiin ja hiilidioksidi-bikarbonaatti tasapainon säätelyyn osallistuvaan soluliman karboanhydraasi-entsyymiin. Tutkimuksessa on tarkasteltu näiden ionisäätelyproteiinien ilmentymistä yksilönkehityksen aikana, niiden vaikutusta hermosolujen ja hermosoluverkkojen synaptiseen ja ei-synaptiseen kommunikaatioon sekä kyseisten signalointimekanismien biofysikaalisia mekanismeja. Gamma-aminovoihappo (GABA) on täysikasvuisen nisäkkään aivojen pääasiallinen hermoimpulsseja ehkäisevä välittäjäaine. Siihen pohjautuva hermosolujen välinen nopea viestintä perustuu ns. A-tyypin GABA kanavien läpi kulkeviin kloridi- ja bikarbonaatti-ionien kantamiin sähkövirtoihin. Näiden ionien solunsisäisiä pitoisuuksia säätelevät proteiinit muovaavat GABA-välitteistä hermosoluviestintää. Väitöskirjassani esitetyt tutkimustulokset osoittavat, että tietyn kaliumvaraisen kloridikuljettajan (KCC2:n) ilmentyminen kehittyvissä aivoissa on edellytys hermoimpulsseja ehkäisevien, GABAA-kanavien kautta solusta ulos suuntautuvien virtojen synnylle. Myöhemmässä kehitysvaiheessa GABAA-kanavien voimakas aktivoituminen voi, esimerkiksi patofysiologisissa tilanteissa, johtaa solunsisäisen ja -ulkoisen ionitasapainon tilapäiseen häiriintymiseen, jolloin GABAA-kanavien tuottamat vasteet paradoksaalisesti synnyttävät hermoimpulsseja. Tällainen GABAA-välitteinen hermoärsytys edellyttää bikarbonaatti-ionien nopeaa tuottoa solunsisäisen karboanhydraasi-entsyymin avulla, mikä johtaa hermosoluja ärsyttävään hetkelliseen soluvälitilan kalium-pitoisuuden kasvuun. Tutkimukseni perusteella voidaan todeta, että karboanhydraasi-entsyymin ilmentyminen rotan hippokampus-aivoalueen pyramidihermosoluissa lisääntyy vasta syntymänjälkeisen kehityksen aikana ja on ratkaiseva tekijä tämän aivoalueen hermoverkon ärtyvyyden kasvussa. Lisäksi tutkin geenin Slc4a10 koodaamaa, natriumista riippuvaista bikarbonaatti-kuljettajaa (NCBE). Tulosten mukaan NCBE:lla on tärkeä osuus hippokampuksen pyramidisolujen pH-, ja sitä kautta myös ärtyvyyden, säätelyssä: poistogeenisten NCBE-hiirten hippokampuksen pyramidisolujen kyky poistaa protoni-ylijäämää oli selvästi heikentynyt ja vastaavasti kynnys epileptisen kohtauksen laukeamiselle oli huomattavasti kohonnut. Tutkimustulokset viittaavat pH-säätelymekanismien tärkeään rooliin hermosolujen ärtyvyyden kontrolloinnissa. On myös erittäin todennäköistä, että poistogeenisissä NCBE-hiirissä havaittu aivokammioiden tilavuuden radikaali pienentyminen on seurausta aivo-selkäydinnesteen tuotannon heikentymisestä. Havainnot tukevat ajatusta, että NCBE kuljettajaproteiinista riippuvaisella natriumin ja bikarbonaatin yhteiskuljetuksella aivojen suonipunosten epiteelisoluissa olisi merkittävä osuus aivo-selkäydinnesteen tuotannossa.

The ultimate goal of this study has been to construct metabolically engineered microbial strains capable of fermenting glucose into pentitols D-arabitol and, especially, xylitol. The path that was chosen to achieve this goal required discovery, isolation and sequencing of at least two pentitol phosphate dehydrogenases of different specificity, followed by cloning and expression of their genes and characterization of recombinant arabitol and xylitol phosphate dehydrogenases. An enzyme of a previously unknown specificity, D-arabitol phosphate dehydrogenase (APDH), was discovered in Enterococcus avium. The enzyme was purified to homogenity from E. avium strain ATCC 33665. SDS/PAGE revealed that the enzyme has a molecular mass of 41 ± 2 kDa, whereas a molecular mass of 160 ± 5 kDa was observed under non-denaturing conditions implying that the APDH may exist as a tetramer with identical subunits. Purified APDH was found to have narrow substrate specificity, converting only D-arabitol 1-phosphate and D-arabitol 5-phosphate into D-xylulose 5-phosphate and D-ribulose 5-phosphate, respectively, in the oxidative reaction. Both NAD+ and NADP+ were accepted as co-factors. Based on the partial protein sequences, the gene encoding APDH was cloned. Homology comparisons place APDH within the medium chain dehydrogenase family. Unlike most members of this family, APDH requires Mn2+ but no Zn2+ for enzymatic activity. The DNA sequence surrounding the gene suggests that it belongs to an operon that also contains several components of phosphotransferase system (PTS). The apparent role of the enzyme is to participate in arabitol catabolism via the arabitol phosphate route similar to the ribitol and xylitol catabolic routes described previously. Xylitol phosphate dehydrogenase (XPDH) was isolated from Lactobacillus rhamnosus strain ATCC 15820. The enzyme was partially sequenced. Amino acid sequences were used to isolate the gene encoding the enzyme. The homology comparisons of the deduced amino acid sequence of L. rhamnosus XPDH revealed several similar enzymes in genomes of various species of Gram-positive bacteria. Two enzymes of Clostridium difficile and an enzyme of Bacillus halodurans were cloned and their substrate specificities together with the substrate specificity of L. rhamnosus XPDH were compared. It was found that one of the XPDH enzymes of C. difficile and the XPDH of L. rhamnosus had the highest selectivity towards D-xylulose 5-phosphate. A known transketolase-deficient and D-ribose-producing mutant of Bacillus subtilis (ATCC 31094) was further modified by disrupting its rpi (D-ribose phosphate isomerase) gene to create D-ribulose- and D-xylulose-producing strain. Expression of APDH of E. avium and XPDH of L. rhamnosus and C. difficile in D-ribulose- and D-xylulose-producing strain of B. subtilis resulted in strains capable of converting D-glucose into D-arabitol and xylitol, respectively. The D-arabitol yield on D-glucose was 38 % (w/w). Xylitol production was accompanied by co-production of ribitol limiting xylitol yield to 23 %. Ksylitoli on viisihiilinen sokerialkoholi (pentitoli), jota esiintyy luonnossa mm. hedelmissä ja vihanneksissa. Sen makeus on samaa luokkaa kuin sakkaroosin, mutta toisin kuin sakkaroosi, ksylitoli lisää suun ja hampaiden terveyttä ehkäisemällä hampaiden reikiintymistä. Ksylitoli on myös erinomainen makeutusaine diabeetikoille, koska sen metabolia ei riipu insuliinista. Ksylitolia käytetäänkin yleisesti mm. purukumeissa, karkeissa ja hammastahnoissa. Vaihtoehtoisten makeutusaineiden kulutus on viime vuosina kasvanut kovaa vauhtia, joten myös ksylitolin kulutus on ollut reippaassa nousussa. Jos kehitys jatkuu samanlaisena, on hyvin todennäköistä, että vaihtoehtoiset menetelmät ksylitolin tuottamiseksi voivat osoittautua tarpeellisiksi. Perinteinen ksylitolin tuotantomenetelmä perustuu ksyloosin pelkistämiseen kemiallisesti. Ksyloosia taas voidaan erottaa erilaisten kasviperäisten materiaalien hydrolysaateista, ja sitä syntyy mm. selluloosateollisuuden sivutuotteena. Ksyloosin saatavuus on kuitenkin rajallinen sekä sen laatu vaihteleva, mikä hankaloittaa ksylitolin valmistusprosessia. D-Arabitolia voidaan myös käyttää ksylitolituotannon lähtöaineena, mutta D-arabitolilla voisi olla käyttösovellutuksia myös alati kasvavilla vaihtoehtoisten makeuttajien markkinoilla. On todettu, että ihminen ei voi käyttää tai käyttää erittäin heikosti D-arabitolia energianlähteenään, joten näin ollen se olisi erittäin vähäkalorinen makeuttaja. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kehittää vaihtoehtoinen, metaboliamuokkaukseen perustuva ksylitolin tuottomenetelmä, joka olisi teollisesti kannattava ja jonka raaka-aineena olisi glukoosi. Lähtöbakteerikannaksi tälle aineenvaihdunnanmuokkaustyölle valittiin tunnettu D-riboosia tuottava Bacillus subtilis kanta, jolta puuttuu transketolaasientsyymin aktiivisuus. Tämän kannan aineenvaihduntaa muokattiin edelleen siten, että sen D-riboosifosfaatti-isomeraasientsyymi inaktivoitiin. Näin saatiin aikaiseksi B. subtilis kanta, joka tuotti D-riboosin sijasta D-ribuloosia ja D-ksyluloosia. Tunnetuin pentitolien kataboliareitti bakteereilla on reitti, jossa pentitoli solun sisään tultuaan hapetetaan vastaavaksi pentuloosiksi. Tämän jälkeen pentuloosi fosforyloidaan, jolloin muodostuu pentuloosifosfaatti, kuten D-ksyluloosi-5-fosfaatti, joka on solun normaalin aineenvaihdunnan välituote. Vaihtoehtoisesti pentitoli voidaan ottaa solun sisään myös fosfotransferaasisysteemin avulla, jolloin pentitoli ensin fosforyloidaan ja sitten hapetetaan pentitolifosfaattidehydrogenaasin avulla pentuloosifosfaatiksi. Tämä reitti ei kuitenkaan ole ollut kovin tunnettu ja se olikin kuvattu aikaisemmin vain muutamilla Lactobacillus kannoilla ja vain ribitolille ja ksylitolille. Tässä tutkimuksessa todettiin, että reitti on huomattavasti yleisempi bakteereilla kuin on aikaisemmin luultu ja näitä pentitolifosfaattidehydrogenaaseja löydettiin useammasta gram-positiivisesta bakteerikannasta sekä entsyymien ominaisuuksia vertailtiin. Samoin tässä tutkimuksessa sekä reitti että sitä katalysoiva pentitolifosfaattidehydrogenaasientsyymi kuvattiin ensimmäistä kertaa myös D-arabitolille. Kun pentitolifosfaattidehydrogenaaseja, D-arabitolifosfaattidehydrogenaasi tai ksylitolifosfaattidehydrogenaasi, ylituotettiin D-ribuloosia ja D-ksyluloosia tuottavassa B. subtilis kannassa, muodostui kantoja jotka tuottivat D-arabitolia tai ksylitolia glukoosista. D-Arabitolin saanto glukoosista oli 38% ja ksylitolin 28%.

Nature conservation in everyday life: Private landowners perceptions of and experiences on temporary nature conservation and its renewing process This study explores the legitimacy of official nature conservation of private lands. It describes how temporary nature conservation became a part of Finnish nature conservation policy and how forest owners perceived this tool and its usage. In addition, the study analyses forest owners' attitudes on official nature conservation. The study combines individual and official perspectives, and presents a nature conservation politics of everyday life. The theoretical background of the study is learning processes of environmentally responsible participation, and especially empowerment. Main methods in gathering the material for the study have been interviews and a survey. In the 1990 s, Finnish landowners opposed the implementation of nature conservation, especially conservation of shores and the establishment of the European-wide network of conservation areas (Natura 2000). After negative experiences on these conservation efforts, some private landowners were disempowered and some even rejected conservation completely. The Nature Conservation Act of 1996 launched an option to conserve nature officially for fixed time-periods. Use of such a policy tool did not immediately become a widely-used and appreciated conservation practice. During the following decade, however, it attracted remarkable attention within Finnish nature conservation policy discussions. The perspective of landowners began to be emphasised when local and regional organisations for nature conservation and forestry together defined the ideas of natural values trading. Later, the national governance process of the committee defining the Forest Biodiversity Programme for Southern Finland (METSO) institutionalised these ideas in one of its pilot projects. Landowners participated in the project of natural values trading by offering their forests for conservation, which reflects the increased acceptance and legitimacy of nature conservation on private forests. The central elements producing the legitimacy of natural values trading have been voluntariness, temporariness, and dialogue between nature conservation and forestry. Natural values trading analysed in the study is an example of new environmental policy instruments and its creation process represents governance in the implementation of nature conservation. It has increased the legitimacy of nature conservation policy of private forests in Finland. The results reveal the importance of participation and learning processes in the implementation of nature conservation policy, and the need to also pay attention to these processes in the future. Luonnonarvokauppa toi esiin maanomistajien omat suojelunäkemykset Vuosina 2003 2007 toteutetussa Satakunnan luonnonarvokaupassa maanomistajat tarjosivat määräaikaiseen luonnonsuojeluun luontokohteita, joita he itse pitivät suojeluun sopivina. Näin heidän henkilökohtaiset, paikkasidonnaiset ja kulttuuriset tulkinnat luonnonsuojelusta tulivat osaksi virallista luonnonsuojelupolitiikkaa. Nyt maanomistajien suojelunäkemykset eivät peittyneet luonnonsuojeluviranomaisen yleisen tarkastelun ja luonnontieteellisen todennettavuuden alle, kuten usein aiemmin on käynyt. Maa- ja metsätaloustieteiden maisteri Riikka Paloniemi on väitöskirjassaan tutkinut maanomistajien arkielämälähtöistä näkökulmaa tilapäiseen luonnonsuojeluun ja sen uudistumisen prosessiin. Hänen väitöskirjatutkimuksensa Luonnonsuojelu arjessa tarkastetaan 14.11.2008 Helsingin yliopistossa. Tutkimuksessa analysoitu Satakunnan luonnonarvokauppa on paikallinen innovaatio, jonka teki mahdolliseksi valtakunnallinen Etelä-Suomen metsien suojeluohjelma METSO. Satakuntalaiset luonnonsuojelun ja metsätalouden toimijat neuvottelivat keskenään siitä, millainen luonnonsuojelukeino voisi ylittää aiemmat luonnonsuojelussa hiertäneet kiistat. He esittivät, että maanomistajat voisivat vapaaehtoisesti vuokrata maillaan esiintyviä luontoarvoja valtiolle. Satakuntalainen ideaa kannatettiin METSO:ssa, ja luonnonarvokauppa hyväksyttiin yhdeksi METSO:n kokeiluhankkeeksi. Kokeiluhankkeen aikana monet metsänomistajat voimaantuivat tarjoamaan maitaan tilapäiseen suojeluun, ja yksityismaiden luonnonsuojelun paikallinen hyväksyttävyys lisääntyi. Luonnonarvokaupassa yksityismetsien luonnonsuojelun hyväksyntä kiteytyy kolmeen ulottuvuuteen: vapaaehtoisuuteen, tilapäisyyteen ja vuoropuheluun luonnonsuojelun ja metsätalouden välillä. Tutkimuksessa esitetään, että tulevaisuudessa yksityismaiden luonnonsuojelun hyväksyttävyyden lisääntymisen kannalta olisi tärkeää, että luonnonsuojelun kehittämisessä huomio kiinnitettäisiin suojelukeinojen ohella suojelutavan rakentumisen prosessiin. Uusiin paikkoihin ei pitäisi vain siirtää valmiita suojelukeinoja, vaan lisäksi olisi syytä herätellä uusissa yhteisöissä samanlainen innostunut ilmapiiri kuin Satakunnassa. Luova ideointi, keskinäinen luottamus ja toimiva yhteistyö edellyttävät halua ja monipuolisia taitoja, joita kaikilla osapuolilla ei välttämättä suojeluprosessin alkaessa ole. On tärkeää, että erilaisia osallistumisen, vuorovaikutuksen ja omien näkökulmien esiintuomisen taitoja vahvistetaan osana luonnonsuojelun kehittämistä. Väitöskirjatutkimuksen pääaineistot ovat maanomistajien haastattelut ja 2000 eteläsuomalaiselle metsänomistajalle lähetetty lomakekysely. Väitöskirja on artikkeliväitöskirja. Tutkimuksen vastaväittäjänä toimii professori Marja Järvelä Jyväskylän yliopistosta ja kustoksena professori Pekka Kauppi Helsingin yliopistosta.

The object of this study is a tailless internal membrane-containing bacteriophage PRD1. It has a dsDNA genome with covalently bound terminal proteins required for replication. The uniqueness of the structure makes this phage a desirable object of research. PRD1 has been studied for some 30 years during which time a lot of information has accumulated on its structure and life-cycle. The two least characterised steps of the PRD1 life-cycle, the genome packaging and virus release are investigated here. PRD1 shares the main principles of virion assembly (DNA packaging in particular) and host cell lysis with other dsDNA bacteriophages. However, this phage has some fascinating individual peculiarities, such as DNA packaging into a membrane vesicle inside the capsid, absence of apparent portal protein, holin inhibitor and procapsid expansion. In the course of this study we have identified the components of the DNA packaging vertex of the capsid, and determined the function of protein P6 in packaging. We managed to purify the procapsids for an in vitro packaging system, optimise the reaction and significantly increase its efficiency. We developed a new method to determine DNA translocation and were able to quantify the efficiency and the rate of packaging. A model for PRD1 DNA packaging was also proposed. Another part of this study covers the lysis of the host cell. As other dsDNA bacteriophages PRD1 has been proposed to utilise a two-component lysis system. The existence of this lysis system in PRD1 has been proven by experiments using recombinant proteins and the multi-step nature of the lysis process has been established. DNA:n pakkaus ja isäntäsolun hajotus: Bakteriofaagi PRD1 -infektion loppuvaiheen tapahtumat Virukset ovat solunsisäisiä loisia, jotka käyttävät hyväkseen isäntäsolunsa resursseja tuottaakseen uusia viruskopioita. Tämän tutkimuksen kohteena on eräs bakteereja infektoiva virus, PRD1. PRD1:n rakenne on bakteerivirukseksi poikkeuksellinen, ja se on osittain samankaltainen adenoviruksen kanssa. Työssä on keskitytty PRD1:n elinkierron kahteen viimeiseen vaiheeseen: viruksen genomin pakkaamiseen ja isäntäsolun hajotukseen. Viruksen perimäaineksen, pitkän DNA- tai RNA-molekyylin, pakkaaminen tiukasti hyvin pieneen, suojaavaan proteiinikuoreen eli kapsidiin edelleen kuljetettavaksi seuraavaan kohteeseen on kiehtova prosessi. Tässä työssä on tutkittu PRD1:n perimäaineksen eli genomin pakkaamista kapsidiin. Kun viruksen genomi on monistettu solussa ja uudet viruspartikkelit on koottu, on niiden päästävä ulos solusta infektoimaan uusia isäntäsoluja. Tässä työssä on selvitetty, miten ja milloin PRD1-infektiossa isäntäsolu hajotetaan uusien viruksien vapauttamiseksi. Toivon mukaan tämä väitöskirjatyö voi omalta osaltaan tuoda lisävalaistusta käsityksiimme näistä bakteerivirusten perustavanlaatuisista prosesseista.

Sediment resuspension, the return of the bottom material into the water column, is an important process that can have various effects on a lake ecosystem. Resuspension caused by wind-induced wave disturbance, currents, turbulent fluctuations and bioturbation affects water quality characteristics such as turbidity, light conditions, and concentrations of suspended solids (SS) and nutrients. Resuspension-mediated increase in turbidity may favour the dominance of phytoplankton over macrophytes. The predator-prey interactions contributing to the trophic state of a lake may also be influenced by increasing turbidity. Directly, the trophic state of a lake can be influenced by the effect of sediment resuspension on nutrient cycling. Resuspension enhances especially the cycling of phosphorus by bringing the sedimentary nutrients back into the water column and may thereby induce switches between phosphorus and nitrogen limitation. The contribution of sediment resuspension to gross sedimentation, turbidity, and concentration of SS and nutrients was studied in a small, deep lake as well as in a multibasin lake with deep and shallow areas. The effect of ice cover on sediment resuspension and thereby on phosphorus concentrations was also studied. The rates of gross sedimentation and resuspen¬sion were estimated with sediment traps and the associations between SS and nutrients were considered. Sediment resuspension, caused by wind activity, comprised most of the gross sedimenta¬tion and strongly contributed to the concentration of SS and turbidity in the lakes studied. Additionally, via the influence on SS, resuspension affected the concentration of total phosphorus (TP) and soluble reactive phosphorus (SRP), as well as the total nitrogen to total phosphorus (TN:TP) ratio. Although contrasting results concerning the dependence between the SS and SRP concentrations were observed, it could be concluded that sediment resuspension during strong algal blooms (pH > 9) led to aerobic release of P. The main findings of this thesis were that in the course of the growing season, sediment resuspension coupled with phytoplankton succession led to liberation of P from resuspended particles, which in turn resulted in high TP concentrations and low TN:TP ratios. This development was likely a cause of strong cyanobacterial blooms in midsummer. Järven pohjaan laskeutunut aines, pohjasedimentti, voi sekoittua uudelleen vesimassaan aallokon, erilaisten virtausten ja eliöiden (kalat, pohjaeläimet) vaikutuksesta. Ilmiöllä, jota kutustaan sedimentin resuspendoitumiseksi, voi olla merkittäviä vaikutuksia järviekosysteemiin. Sedimentin sekoittuminen vesimassaan vaikuttaa esimerkiksi veden ravinnepitoisuuksiin sekä kiintoainepitoisuuden ja sameuden nousun kautta valaistusolosuhteisiin. Valaistusolosuhteiden muuttuminen saattaa johtaa leväbiomassan lisääntymiseen vesikasvillisuuden kustannuksella. Myös näön perusteella saalistavien eliöiden ravinnonhankinta voi vaikeutua sameuden kasvaessa. Sedimentin resuspensio vaikuttaa usein myös vesistöjen tärkeän perusravinteen, fosforin kiertoon ja sillä on näin ollen rehevöitymistä edistävä vaikutus. Tämän väitöskirjan osajulkaisuissa tutkittiin kahden eri järven sedimentaatiota (aineksen laskeutumista vesipatsaassa) sekä sedimentin resuspension vaikutusta jär¬vien veden sameuteen, kiintoainepitoisuuteen ja ravinnepitoisuuksiin. Yhdessä osajulkaisussa tutkittiin myös jääpeitteen vaikutusta resuspensioon ja järven fosforipitoisuuksiin. Tutkimusten mukaan suurin osa järvien sedimentaatiosta muodostui sedimentin resuspensiosta. Resuspensiolla oli myös selkeä vaikutus järvien kiintoainepitoisuuksiin ja sameuteen. Kiintoainepitoisuuksien nousu vaikutti lisäksi voimakkaasti ravinnepitoisuuksiin (fosfori, typpi, typpi:fosfori-suhde). Tutkimuksen merkittävin tulos oli, että sedimentin sekoittuessa vesipatsaaseen matalassa ja rehevässä järvessä voimakkaiden leväkukintojen aikaan, sedimenttipartikkeleista vapautui fosforia levien käyttöön. Tämä nosti veden kokonaisfosforipitoisuuksia ja laski typpi:fosfori-suhdetta. Kyseinen kehityskulku oli todennäköisesti keskikesällä havaittujen runsaiden sinileväkukintojen syy. Tutkimuksen tulokset osoittavat myös, että matalassa tuulille alttiissa järvessä sedimentin resuspension aiheuttama ravinnekuormitus voi olla monikertainen ulkoiseen kuormitukseen (jokien tuomat ravinteet) nähden. Toisaalta vähäinenkin ulkoinen kuormitus on tällaisissa järvissä merkittävää, koska kerran järveen joutuneet ravinteet jäävät voimakkaan resuspension johdosta pitkäksi aikaa biologiseen kiertoon.

Rhizoctonia spp. are ubiquitous soil inhabiting fungi that enter into pathogenic or symbiotic associations with plants. In general Rhizoctonia spp. are regarded as plant pathogenic fungi and many cause root rot and other plant diseases which results in considerable economic losses both in agriculture and forestry. Many Rhizoctonia strains enter into symbiotic mycorrhizal associations with orchids and some hypovirulent strains are promising biocontrol candidates in preventing host plant infection by pathogenic Rhizoctonia strains. This work focuses on uni- and binucleate Rhizoctonia (respectively UNR and BNR) strains belonging to the teleomorphic genus Ceratobasidium, but multinucleate Rhizoctonia (MNR) belonging to teleomorphic genus Thanatephorus and ectomycorrhizal fungal species, such as Suillus bovinus, were also included in DNA probe development work. Strain specific probes were developed to target rDNA ITS (internal transcribed spacer) sequences (ITS1, 5.8S and ITS2) and applied in Southern dot blot and liquid hybridization assays. Liquid hybridization was more sensitive and the size of the hybridized PCR products could be detected simultaneously, but the advantage in Southern hybridization was that sample DNA could be used without additional PCR amplification. The impacts of four Finnish BNR Ceratorhiza sp. strains 251, 266, 268 and 269 were investigated on Scot pine (Pinus sylvestris) seedling growth, and the infection biology and infection levels were microscopically examined following tryphan blue staining of infected roots. All BNR strains enhanced early seedling growth and affected the root architecture, while the infection levels remained low. The fungal infection was restricted to the outer cortical regions of long roots and typical monilioid cells detected with strain 268. The interactions of pathogenic UNR Ceratobasidium bicorne strain 1983-111/1N, and endophytic BNR Ceratorhiza sp. strain 268 were studied in single or dual inoculated Scots pine roots. The fungal infection levels and host defence-gene activity of nine transcripts [phenylalanine ammonia lyase (pal1), silbene synthase (STS), chalcone synthase (CHS), short-root specific peroxidase (Psyp1), antimicrobial peptide gene (Sp-AMP), rapidly elicited defence-related gene (PsACRE), germin-like protein (PsGER1), CuZn- superoxide dismutase (SOD), and dehydrin-like protein (dhy-like)] were measured from differentially treated and un-treated control roots by quantitative real time PCR (qRT-PCR). The infection level of pathogenic UNR was restricted in BNR- pre-inoculated Scots pine roots, while UNR was more competitive in simultaneous dual infection. The STS transcript was highly up-regulated in all treated roots, while CHS, pal1, and Psyp1 transcripts were more moderately activated. No significant activity of Sp-AMP, PsACRE, PsGER1, SOD, or dhy-like transcripts were detected compared to control roots. The integrated experiments presented, provide tools to assist in the future detection of these fungi in the environment and to understand the host infection biology and defence, and relationships between these interacting fungi in roots and soils. This study further confirms the complexity of the Rhizoctonia group both phylogenetically and in their infection biology and plant host specificity. The knowledge obtained could be applied in integrated forestry nursery management programmes. Rhizoctonia-suvun sienet ovat maaperässä yleisesti esiintyviä sieniä, jotka voivat olla tautia aihettavia patogeeneja tai muodostaa hyödyllisiä symbionttisia vuorovaikutussuhteita kasvien kanssa. Yleensä Rhizoctonia spp. sienet ovat kasvipatogeeneja aiheuttaen mm. juurilahotautia niin metsäpuille kuin viljelykasveillekin. Useat Rhizoctonia–suvun sienet muodostavat orchidea-kasveille elintärkeitä symbionttisia sienijuuria (mykorritsa) ja jotkut tauteja aiheuttamattomista Rhizoctonia-kannoista voivat estää patogeenisten kantojen infektion tutkituilla kasveilla. Tässä työssä keskityttiin yksi- ja kaksitumaisiin Rhizoctonia- sieniin, jotka kuuluvat teleomorfi Ceratobasidium-sukuun, mutta DNA koettimet kehitettiin myös monitumaiselle Rhizoctonia-sienelle (teleomorfi Thanatephorus) ja nummitatti-ektomykorritsasienelle (Suillus bovinus). Kantaspesifiset koettimet suunniteltiin ribosomaalisen DNA:n ”internal transcribed spacer” (ITS) -alueelle (ITS1, 5.8S ja ITS2) ja valmistettuja koettimia käytettiin “Southern dot blot”- ja nestemäisen hybridisaatiomenetelmän vertailuun. Nestemäinen hybridisaatio oli herkempi ja siinä voitiin määrittää myös hybridisoituvan PCR-tuotteen koko, mutta ”Southern” hybridisaation etuna oli, että koettimen hybridisoinnissa voitiin käyttää suoraan sienistä eristettyä kokonais-DNA:ta, jolloin PCR-reaktiota ei tarvittu. Työssä tutkittiin suomalaisten kaksitumaisten Rhizoctonia-kantojen (Ceratorhiza sp.) 251, 266, 268 and 269 vaikutusta männyn (Pinus sylvestris) taimien kasvuun ja infektiobiologiaan. Infektion taso määritettiin mikroskopoimalla trypaanisinellä värjättyjä infektoituja juuria. Kaikki kaksitumaiset Rhizoctonia-kannat tehostivat nuorten taimien kasvua ja vaikuttivat juurten ulkomuotoon (lyhytjuurien määrä, juurten paksuus jne.), vaikka infektion määrä pysyikin alhaisena. Infektio keskittyi juuren uloimpaan kuorikerrokseen ja näille sienille tyypillisiä ”monilioid”-soluja oli nähtävissä 268 kannalla infektoiduissa juurten soluissa. Patogeenisen yksitumaisen Rhizoctonia-sienen (Ceratobasidium bicorne) 1983-111/1N ja endofyyttisen kaksitumaisen Rhizoctonia-sienen (Ceratorhiza sp.) 268 infektiobiologiaa ja vuorovaikutusta tutkittiin kummallakin kannalla yksinään sekä molemmilla kannoilla samanaikaisesti infektoiduissa männyn juurissa. Sieni-infektion määrä ja männyn transkriptioaktiivisuus määritettiin kaikista käsitellyistä juurista ja verrokkijuurista kvantitatiivisella ”real time PCR” –menetelmällä (qRT-PCR) seuraavien entsyymien osalta: fenyylialaniiniammoniumlyaasi (pal1), stilpeenisyntetaasi (STS), kalkonisyntetaasi (CHS), lyhytjuurispesifinen peroksidaasi (Psyp1), mikrobeja hylkivä peptidi (Sp-AMP), nopean puolustusreaktion aktivaation liittyvä geeni (PsACRE), germiinin kaltainen proteiini (PsGER1), CuZn- superoksididismutaasi (SOD) ja dehydriinin kaltainen proteiini (dhy-like). Taimien siirrostus kaksitumaisella Rhizoctonia-sienellä ennen yksitumaisen Rhizoctonia-sienen infektiota rajoitti yksitumaisen kannan määrää, mutta yksitumainen Rhizoctonia oli tehokkaampi infektoimaan juuria, kun sienet siirrostettiin samanaikaisesti. Stilpeenisyntetaasin geenituotetta syntetisoitiin erittäin tehokkaasti kaikissa käsittelyissä, mutta kalkonisyntaasi, fenyylialaniiniammoniumlyaasi ja peroksidaasi aktivoituivat vain kohtalaisesti. Geenien Sp-AMP, PsACRE, PsGER1, SOD, ja dhy-like transkriptioaktiivisuuksissa ei havaittu merkittäviä muutoksia verrokkeihin nähden. Työssä kehitetyt koettimet mahdollistavat kyseisten sienten osoittamisen juuristosta ja maaperästä. Tehty tutkimus auttaa ymmärtämään Rhizoctonia-sienten infektiobiologiaa, eri Rhizoctonia-kantojen vuorovaikutus-suhteita männyssä, sekä männyn puolustusreaktiota Rhizoctonia-infektion aikana. Tämä työ todisti aiemman käsityksen näiden sienten monimutkaisesta fylogeniasta, monimuotoisesta infektiobiologiasta ja isäntäspesifisyydestä. Tutkimuksesta saatua tietoa patogeenisen ja endofyyttisen Rhizoctonia-sienen infektiobiologian eroista ja männyn puolustusreaktiosta voidaan hyödyntää entistä tehokkaampien torjuntamenetelmien kehittämiseksi sienitauteja vastaan.

The doctoral thesis defined connections between circadian rhythm disruptions and health problems. Sleep debt, jet-lag, shift work, as well as transitions into and out of the daylight saving time may lead to circadian rhythm disruptions. Disturbed circadian rhythm causes sleep deprivation and decrease of mood and these effects may lead to higher accident rates and trigger mental illnesses. Circadian clock genes are involved in the regulation of the cell cycle and metabolism and thus unstable circadian rhythmicity may also lead to cancer development. In publications I-III it was explored how transitions into and out of the daylight saving time impact the sleep efficiency and the rest-activity cycles of healthy individuals. Also it was explored whether the effect of transition is different in fall as compared to spring, and whether there are subgroup specific differences in the adjustment to transitions into and out of daylight saving time. The healthy participants of studies I-III used actigraphs before and after the transitions and filled in the morningness-eveningness and seasonal pattern assessment questionnaires. In publication IV the incidence of hospital-treated accidents and manic episodes was explored two weeks before and two weeks after the transitions into and out of the daylight saving time in years 1987-2003. In publication V the relationship between circadian rhythm disruption and the prevalence of Non-Hodgkin lymphoma was studied. The study V consisted of all working aged Finns who participated in the national population census in 1970. For our study, all the cancers diagnosed during the years 1971-1995 were extracted from the Finnish Cancer Register and linked with the 1970 census files. In studies I-III it was noticed that transitions into and out of the daylight saving time disturbs the sleep-wake cycle and the sleep efficiency of the healthy participants. We also noticed that short sleepers were more sensitive than long sleepers for sudden changes in the circadian rhythm. Our results also indicated that adaptation to changes in the circadian rhythm is potentially sex, age and chronotype-specific. In study IV no significant increase in the occurrence of hospital treated accidents or manic episodes was noticed. However, interesting observations about the seasonal fluctuation of the occurrence rates of accidents and manic episodes were made. Study V revealed that there might be close relationship between circadian rhythm disruption and cancer. The prevalence of Non-Hodgkin lymphoma was the highest among night workers. The five publications included in this thesis together point out that disturbed circadian rhythms may have adverse effect on health. Disturbed circadian rhythms decrease the quality of sleep and weaken the sleep-wake cycle. A continuous circadian rhythm disruption may also predispose individuals to cancer development. Since circadian rhythm disruptions are common in modern society they might have a remarkable impact on the public health. Thus it is important to continue circadian rhythm research so that better prevention and treatment methods can be developed. Keywords: Circadian rhythm, daylight saving time, manic episodes, accidents, Non-Hodgkin lymphoma 11 Väitöskirjatyössä kartoitettiin vuorokausirytmin häiriöiden terveysvaikutuksia. Vuorokausirytmin häiriintymistä aiheuttavat useat tekijät, joista yleisimpiä ovat unen puute, vuorotyö, aikaerorasitus sekä kesä- ja talviaikaan siirtyminen. Vuorokausirytmin häiriöit voivat aiheuttaa univaikeuksia, lisätä onnettomuuksien määrää ja laukaista mielenterveysongelmia. Koska vuorokausirytmiä säätelevät kellogeenit osallistuvat solusyklin säätelyyn ja aineenvaihduntaan, epävakaa vuorokausirytmi voi häiritä myös solunjakautumista ja johtaa syövän syntyyn. Viimeaikaisissa tutkimuksissa onkin saatu viitteitä siitä, että vuorokausirytmin häiriöt altistavat tietyille syöpäsairauksille. Tutkimuksissa I-III kartoitettiin, miten kesä- ja talviaikaan siirtyminen vaikuttaa terveiden koehenkilöiden unen laatuun ja uni-valverytmiin, ovatko vuorokausirytmin häiriintymisen vaikutukset erilaisia keväisin ja syksyisin, ja onko muuttuneeseen vuorokausirytmiin sopeutumisessa alaryhmien välisiä eroja. Tutkimuksiin I-III osallistuneet koehenkilöt käyttivät tutkimuksen ajan aktigrafeja ja vastasivat aamuisuus-iltaisuus- ja vuodenaikaisuus-kyselylomakkeisiin. Tutkimuksessa IV selvitettiin lisääko kesä- ja talviaikaan siirtyminen maniajaksojen ja tapaturmien määrää. Tutkimusta varten kartoitettiin sairaalassa hoidetut maniajaksot ja tapaturmat kaksi viikkoa ennen kesä- ja talviaikaan siirtymistä ja kaksi viikkoa siirtymien jälkeen vuosina 1987-2003. Tutkimuksessa V kartoitettiin, onko vuorokausirytmin häiriintymisellä yhteyttä Non-Hodgkin-lymfooman esiintyvyyteen. Tutkimusta V varten käytiin läpi syöpärekisterin tiedot vuonna 1970 väestölaskentaan osallistuneiden työikäisten syöpäsairauksista vuosilta 1971-1995. Tutkimuksissa I-III havaittiin kesä- ja talviaikaan siirtymisen häiritsevän sekä uni-valverytmiä että nukkumisen tehokkuutta. Lisäksi havaittiin, että lyhyt uniset ovat pitkä unisia herkempiä vuorokausirytmin muutoksille. Tutkimustulokset viittaavat myös siihen, että vuorokausirytmin muutoksiin sopeutuminen saattaa olla ikä-, sukupuoli- ja kronotyyppi sidonnaista. Tutkimuksessa IV ei havaittu kesä- tai talviaikaan siirtymisen lisäävän merkittävästi sairaalahoitoa vaativien maniajaksojen tai tapaturmien esiintyvyyttä. Tutkimus IV kuitenkin paljasti mielenkiintoisia eroja tapaturmien ja maniajaksojen ilmaantuvuudessa eri vuodenaikojen välillä. Tutkimuksessa V havaittiin, että vuorokausirytmin häiriintymisellä saattaa olla yhteyksiä syövän syntyyn. Non-Hodgkin-lymfooma oli yleisintä yötyötä tekevillä. Väitöskirjatyön osajulkaisut yhdessä osoittavat, että vuorokausirytmin häiriöillä on haitallisia terveysvaikutuksia. Vuorokausirytmin häiriintyminen heikentää unen laatua ja uni-valverytmiä, ja pitkään jatkuessaan voi johtaa syöpäkasvainten kehitykseen. Vuorokausirytmin häiriöt ovat yleisiä ja täten häiriöiden terveysvaikutuksilla on kansanterveydellistä merkitystä. Täten vuorokausirytmin häiriöiden terveysvaikutusten tutkimusta tulee jatkaa parempien ennaltaehkäisy- ja hoitomenetelmien kehittämiseksi. Asiasanat: Vuorokausirytmi, kesäaika, mania-jaksot, tapaturmat, Non-Hodgkin lymfooma

Plants produce a diversity of secondary metabolites, i.e., low-molecular-weight compounds that have primarily ecological functions in plants. The flavonoid pathway is one of the most studied biosynthetic pathways in plants. In order to understand biosynthetic pathways fully, it is necessary to isolate and purify the enzymes of the pathways to study individual steps and to study the regulatory genes of the pathways. Chalcone synthases are key enzymes in the formation of several groups of flavonoids, including anthocyanins. In this study, a new chalcone synthase enzyme (GCHS4), which may be one of the main contributors to flower colour, was characterised from the ornamental plant Gerbera hybrida. In addition, four chalcone synthase-like genes and enzymes (GCHS17, GCHS17b, GCHS26 and GCHS26b) were studied. Spatial expression of the polyketide synthase gene family in gerbera was also analysed with quantitative RT-PCR from 12 tissues, including several developmental stages and flower types. A previously identified MYB transcription factor from gerbera, GMYB10, which regulates the anthocyanin pathway, was transferred to gerbera and the phenotypes were analysed. Total anthocyanin content and anthocyanidin profiles of control and transgenic samples were compared spectrophotometrically and with HPLC. The overexpression of GMYB10 alone was able to change anthocyanin pigmentation: cyanidin pigmentation was induced and pelargonidin pigmentation was increased. The gerbera 9K cDNA microarray was used to compare the gene expression profiles of transgenic tissues against the corresponding control tissues to reveal putative target genes for GMYB10. GMYB10 overexpression affected the expression of both early and late biosynthetic genes in anthocyanin-accumulating transgenic tissues, including the newly isolated gene GCHS4. Two new MYB domain factors, named as GMYB11 and GMYB12, were also upregulated. Gene transfer is not only a powerful tool for basic research, but also for plant breeding. However, crop improvement by genetic modification (GM) remains controversial, at least in Europe. Many of the concerns relating to both human health and to ecological impacts relate to changes in the secondary metabolites of GM crops. In the second part of this study, qualitative and quantitative differences in cytotoxicity and metabolic fingerprints between 225 genetically modified Gerbera hybrida lines and 42 non-GM Gerbera varieties were compared. There was no evidence for any major qualitative and quantitative changes between the GM lines and non-GM varieties. The developed cell viability assays offer also a model scheme for cell-based cytotoxicity screening of a large variety of GM plants in standardized conditions. Kasvit tuottavat monenlaisia yhdisteitä, jotka syntyvät erilaisten entsyymien ja niistä muodostuvien reittien kautta. Toisia näistä yhdisteistä tarvitaan ylläpitämään kasvin perustoimintoja kuten kasvua ja lisääntymistä. Toisten, ns. luonnonaineiden avulla kasvi elää vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Eräs tutkituimmista entsyymireiteistä tekee flavonoidi-nimisiä luonnonaineita, jotka mm. antavat kukille värin ja auttavat kasvia puolustautumaan tauteja ja tuholaisia vastaan. Jotta saataisiin selville, miten kasvit tekevät eri yhdisteitä, on tutkittava entsyymejä ja niiden säätelyä kasveissa. Kalkonisyntaasi-nimiset entsyymit vaikuttavat useiden flavonoidi-luonnonaineiden syntymiseen. Tässä tutkimuksessa löydettiin uusi kalkonisyntaasi-entsyymi, jolla on todennäköisesti tärkeä tehtävä gerberan kukan väriaineiden muodostumisessa. Myös muita kalkonisyntaasien kaltaisia entsyymejä tutkittiin. Gerberan kukan väriaineita synnyttävän reitin säätelyyn vaikuttava geeni siirrettiin gerberaan ja siirtogeeniset gerberat tutkittiin. Huomattiin, että tämän säätelijägeenin ylitoimiminen gerberassa aiheutti uusien väriaineiden syntymisen ja jo olemassa olevien väriaineiden lisääntymisen. Tämä johtui siitä, että säätelijägeenin ylitoimiminen aktivoi useita muita geenejä, joiden tuottamien entsyymien avulla väriaineet syntyvät kasveissa. Samalla aktivoitui myös uusia säätelygeenejä. Siirtogeenisiä kasveja käytetään perustutkimuksessa, mutta geeninsiirto on myös kätevä menetelmä kasvinjalostuksessa. Siirtogeeniset kasvit herättävät kuitenkin ristiriitaisia tunteita Euroopassa. Ihmisiä askarruttaa siirtogeenisten kasvien aiheuttama mahdollinen allergiariski ja yllättävät muutokset luonnonaineissa, jotka voivat muuttaa kasvit myrkyllisiksi. Tutkimuksen toisessa osassa etsittiin näitä yllättäviä muutoksia tutkimalla 225 siirtogeenisen gerberan myrkyllisyyttä ihmisen keuhko-, maksa- ja suolistosoluille sekä hiiren hermosoluille. Mitään todisteita siirtogeenisten gerberoiden myrkyllisyydestä ei kuitenkaan löytynyt. Kehitetyt solutestit tarjoavat mahdollisuuden tutkia muitakin siirtogeenisiä kasveja standardoiduissa olosuhteissa.

DNA ja siinä sijaitsevat geenit ohjaavat kaikkea solujen toimintaa. DNA-molekyyleihin kuitenkin kertyy mutaatioita sekä ympäristön vaikutuksen, että solujen oman toiminnan tuloksena. Mikäli virheitä ei korjata, saattaa tuloksena olla solun muuttuminen syöpäsoluksi. Soluilla onkin käytössä useita DNA-virheiden korjausmekanismeja, joista yksi on ns. mismatch repair (MMR). MMR vastaa DNA:n kahdentumisessa syntyvien virheiden korjauksesta. Periytyvät mutaatiot geeneissä, jotka vastaavat MMR-proteiinien rakentamisesta, aiheuttavat ongelmia DNA:n korjauksessa ja altistavat kantajansa periytyvälle ei-polypoottiselle paksusuolisyöpäoireyhtymälle (hereditary nonpolyposis colorectal cancer, HNPCC). Yleisimmin mutatoituneet MMR-geenit ovat MLH1 ja MSH2. HNPCC periytyy vallitsevasti, eli jo toiselta vanhemmalta peritty geenivirhe altistaa syövälle. MMR-geenivirheen kantaja sairastuu syöpään elämänsä aikana suurella todennäköisyydellä, ja sairastumisikä on vain noin 40 vuotta. Syövälle altistavan geenivirheen löytäminen mutaation kantajilta on hyvin tärkeää, sillä säännöllinen seuranta mahdollistaa kehittymässä olevan kasvaimen havaitsemisen ja poistamisen jo aikaisessa vaiheessa. Tämän on osoitettu alentavan syöpäkuolleisuutta merkittävästi. Varma tieto altistuksen alkuperästä on tärkeä myös niille syöpäsuvun jäsenille, jotka eivät kanna kyseistä mutaatiota. Syövälle altistavien mutaatioiden ohella MMR-geeneistä löydetään säännöllisesti muutoksia, jotka ovat normaalia henkilöiden välistä geneettistä vaihtelua, eikä niiden oleteta lisäävän syöpäaltistusta. Altistavien mutaatioiden erottaminen näistä neutraaleista variaatioista on vaikeaa, mutta välttämätöntä altistuneiden tehokkaan seurannan varmistamiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkittiin 18:a MSH2 -geenin mutaatiota. Mutaatiot oli löydetty perheistä, joissa esiintyi paljon syöpiä, mutta niiden vaikutus DNA:n korjaustehoon ja syöpäaltistukseen oli epäselvä. Työssä tutkittiin kunkin mutaation vaikutusta MSH2-proteiinin normaaliin toimintaan, ja tuloksia verrattiin potilaiden ja sukujen kliinisiin tietoihin. Tutkituista mutaatiosta 12 aiheutti puutteita MMR-korjauksessa. Nämä mutaatiot tulkittiin syövälle altistaviksi. Analyyseissä normaalisti toimineet 4 mutaatiota eivät todennäköisesti ole syynä syövän syntyyn kyseisillä perheillä. Tulkinta jätettiin avoimeksi 2 mutaation kohdalla. Tutkimuksesta hyötyivät suoraan kuvattujen mutaatioiden kantajaperheet, joiden geenivirheen syöpäaltistuksesta saatiin tietoa, mahdollistaen perinnöllisyysneuvonnan ja seurannan kohdentamisen sitä tarvitseville. Työ selvensi myös mekanismeja, joilla mutatoitunut MSH2-proteiini voi menettää toimintakykynsä. Hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC) is a hereditary cancer syndrome, which associates with high penetrance of early onset colorectal and endometrial tumours. Susceptibility for HNPCC is dominantly inherited with germline defects in the mismatch repair (MMR) genes MLH1, MSH2, MSH6 and PMS2. A truncating mutation in one of these genes leads to deficient MMR, predisposing the mutation carriers to HNPCC, but a nontruncating mutation can either be neutral or lead to increased cancer risk and HNPCC. The correct determination of the pathogenicity of a found mutation is very important, as the verification of the causative mutation enables genetic counselling and surveillance of mutation carriers. This has been shown to lead to significantly lowered mortality. MSH2 is the second most commonly mutated HNPCC susceptibility gene and defects in it account for 39% of all identified HNPCC mutations. The aim of this work was to gather functional evidence on the pathogenicity of patient-derived nontruncating MSH2 variants. The proteins corresponding to the original genetic variants were expressed and purified. The expression level, MMR efficiency, interaction with MSH6, mismatch binding, and mismatch release capabilities of the protein variants were studied. The results of the functional assays were compared to the clinical characteristics of the mutation carriers. 12 of the studied 18 mutations were found to exhibit severe defects in the functional assays, supporting the hypothesis that these mutations were the underlying cause of the cancer phenotype in mutation carriers. 2 mutations reduced but did not abolish the function of the protein, leaving their pathogenicity status inconclusive. 4 mutations showed no or only a minor defect in the assays, suggesting nonpathogenicity. The functional defects were mediated through different mechanisms. The majority of the MMR-deficient mutations which were located in the amino-terminal domains of MSH2 demonstrated defects in the protein expression level. Most of the carboxy-terminal mutations, situated in the ATPase domain, had an impact on the ability of the protein to bind or release mismatched DNA. When comparing the biochemical data to the tumour phenotype, a significant correlation between the functional deficiency in vitro and lack of expression of the corresponding protein in the tumour was observed. The analyses demonstrated that the location of the mutation affects the biochemistry of MMR, but may also have an effect on the phenotype of MSH2 mutation carriers. This study significantly contributed to the knowledge of MSH2-associated HNPCC tumorigenesis, especially facilitating the diagnostics and counselling of the associated families.

Wild salmon stocks in the northern Baltic rivers became endangered in the second half of the 20th century, mainly due to recruitment overfishing. As a result, supplementary stocking was widely practised, and supplementation of the Tornionjoki salmon stock took place over a 25 year period until 2002. The stock has been closely monitored by electrofishing, smolt trapping, mark-recapture studies, catch samples and catch surveys. Background information on hatchery-reared stocked juveniles was also collected for this study. Bayesian statistics was applied to the data as this method offers the possibility of bringing prior information into the analysis and an advanced ability for incorporating uncertainty, and also provides probabilities for a multitude of hypotheses. Substantial divergences between reared and wild Tornionjoki salmon were identified in both demographic and phenological characteristics. The divergences tended to be larger the longer the duration spent in hatchery and the more favourable the hatchery conditions were for fast growth. Differences in environment likely induced most of the divergences, but selection of brood fish might have resulted in genotypic divergence in maturation age of reared salmon. Survival of stocked 1-year old juveniles to smolt varied from about 10% to about 25%. Stocking on the lower reach of the river seemed to decrease survival, and the negative effect of stocking volume on survival raises the concern of possible similar effects on the extant wild population. Post-smolt survival of wild Tornionjoki smolts was on average two times higher than that of smolts stocked as parr and 2.5 times higher than that of stocked smolts. Smolts of different groups showed synchronous variation and similar long-term survival trends. Both groups of reared salmon were more vulnerable to offshore driftnet and coastal trapnet fishing than wild salmon. Average survival from smolt to spawners of wild salmon was 2.8 times higher than that of salmon stocked as parr and 3.3 times higher than that of salmon stocked as smolts. Wild salmon and salmon stocked as parr were found to have similar lifetime survival rates, while stocked smolts have a lifetime survival rate over 4 times higher than the two other groups. If eggs are collected from the wild brood fish, stocking parr would therefore not be a sensible option. Stocking smolts instead would create a net benefit in terms of the number of spawners, but this strategy has serious drawbacks and risks associated with the larger phenotypic and demographic divergences from wild salmon. Supplementation was shown not to be the key factor behind the recovery of the Tornionjoki and other northern Baltic salmon stocks. Instead, a combination of restrictions in the sea fishery and simultaneous occurrence of favourable natural conditions for survival were the main reasons for the revival in the 1990 s. This study questions the effectiveness of supplementation as a conservation management tool. The benefits of supplementation seem at best limited. Relatively high occurrences of reared fish in catches may generate false optimism concerning the effects of supplementation. Supplementation may lead to genetic risks due to problems in brood fish collection and artificial rearing with relaxed natural selection and domestication. Appropriate management of fisheries is the main alternative to supplementation, without which all other efforts for long-term maintenance of a healthy fish resource fail. Pohjoisen Itämeren luonnonlohikannat liikakalastettiin uhanalaisiksi viime vuosisadan loppupuoliskolla. Lohikantojen suojelemiseksi häviämisriskiltä aloitettiin monilla kutujoilla kalanviljelylaitoksissa kasvatettujen lohenpoikasten istutukset. Väitöstyö arvioi tämän istutustoiminnan tuloksellisuutta. Työ keskittyy Itämeren suurimman lohijoen, Tornionjoen, lohikantaan 1980-luvulta nykyhetkeen. Kantaa tuettiin istutuksilla 25 vuotta vuoteen 2002 saakka. Kannan kehitystä seurattiin koekalastuksilla, merkintätutkimuksilla sekä jokikalastuksen saalisnäytteillä ja saalistilastoinnilla. Istutetut poikaset merkittiin eväleikkauksella, jonka perusteella ne voitiin tunnistaa ja erottaa luonnonkaloista istutuksen jälkeen. Luontaisesta lisääntymisestä peräisin olevien sekä istutettujen lohien eloonjääntiä, biologisia ominaisuuksia, kannanrunsautta ja kalastusta tutkittiin kalojen eri elämänvaiheissa. Kantaseuranta-aineistoja analysoitiin todennäköisyyspohjaisella ns. Bayesilaisella tilastollisella päättelyllä, jota sovellettiin erityisesti populaatiomalleihin. Useat istutettujen lohien biologiset ominaisuudet erosivat huomattavasti luonnonlohien ominaisuuksista. Erot kasvoivat sitä suuremmiksi mitä pidempään poikasia kasvatettiin viljelylaitoksessa ja mitä paremmat viljelyolosuhteet olivat kasvulle. Ympäristöolojen erilaisuus (luonto vs. viljelylaitos) oli luultavasti pääsyy eroille, mutta viljelyssä käytettyjen emokalojen valinta saattoi muuttaa geneettisesti lohen sukukypsyysikää. Yksivuotiaista poikasistukkaista säilyi hengissä merivaelluksen alkuun (vaelluspoikaseksi) 10-25 %. Istutus joen alajuoksulle sekä runsaat istutusmäärät heikensivät poikasten selviytymistä. Runsaat istutusmäärät saattavat heikentää myös luonnonpoikasten eloonjääntiä, mikä olisi erittäin haitallista. Merivaelluksen alun eloonjäänti oli luonnonlohilla kaksi kertaa parempi kuin yksivuotiaina jokipoikasina istutetuilla lohilla ja 2,5-kertaa parempi kuin kaksivuotiaina vaelluspoikasina istutetuilla lohilla. Istukkaat joutuivat merikalastuksen saaliiksi helpommin kuin luonnonlohet, mikä kasvatti edelleen eloonjääntieroja kutuvaiheeseen mennessä: luonnonlohien eloonjäänti vaelluspoikasesta kutuloheksi oli 2,8-kertainen yksivuotiaisiin istukkaisiin ja 3,3-kertainen kaksivuotiaisiin istukkaisiin verrattuna. Eloonjäänti mätimunasta kutijaksi oli yksivuotiaana istutetuilla lohilla samaa tasoa, mutta kaksivuotiaina vaelluspoikasina istutetuilla lohilla nelinkertainen suhteessa luonnonlohiin. Kaksivuotiaiksi saakka kasvatetut poikaset poikkeavat kuitenkin biologisilta ominaisuuksiltaan niin paljon, että niiden istuttamiseen luonnonkannan suojelutarkoituksessa liittyy merkittäviä haittoja ja riskejä. Istutukset eivät merkittävästi vaikuttaneet Tornionjoen ja muiden Pohjanlahden luonnonlohikantojen elpymiseen 1990-luvulla. Sen sijaan voimistunut kalastuksensäätely yhdessä lohen eloonjäännille otollisten ympäristöolosuhteiden esiintymisen kanssa johtivat kantojen elpymiseen. Väitöstutkimus kyseenalaistaa istutukset luonnonlohikannan suojelukeinona. Istutusten positiiviset vaikutukset kantakehitykseen näyttävät parhaimmillaankin vähäisiltä. Istukkaiden runsas saaliiksi saaminen antaa liian optimistisen kuvan istutusten tuloksellisuudesta. Emokalojen valinta ja keinotekoiset viljelyolosuhteet aiheuttavat geneettisiä riskejä. Toimiva kalastuksensäätely on perusedellytys terveille ja tuottaville kalakannoille ja sen on istutuksia vaarattomampi ja tehokkaampi lohikantojen suojelukeino.

The matrix of blood is a liquid plasma that transports molecules and blood cells within vessels lined by endothelial cells. High-mobility group B1 (HMGB1) is a protein expressed in blood cells. Under normal circumstances, HMGB1 is virtually absent from plasma, but during inflammation or trauma its level in plasma is increased. In resting and quiescent cells, HMGB1 is usually localized in the intracellular compartment, with the exception of motile cells that express HMGB1 on their outer surface to mediate cell migration. During cell transformation or immune cell activation HMGB1 can be actively secreted outside of the cell. Further, when a cell is damaged, HMGB1 can passively leak into extracellular environment. Extracellular HMGB1 can then participate in regulation of the immune response and under some conditions it can mediate lethality in systemic inflammatory response. The aim of this study was to evaluate the expression and functions of HMGB1 in cells of the vascular system and to investigate the prognostic value of circulating HMGB1 in severe sepsis and septic shock. HMGB1 was detected in platelets, leukocytes, and endothelial cells. HMGB1 was released from platelets and leukocytes, and it was found to mediate their adhesive and migratory functions. During severe infections the plasma levels of HMGB1 were elevated; however, no direct correlation with lethality was found. Further, the analysis of proinflammatory mechanisms suggested that HMGB1 forms complexes with other molecules to activate the immune system. In conclusion, HMGB1 is expressed in the cells of the vascular system, and it participates in inflammatory mechanisms by activating platelets and leukocytes and by mediating monocyte migration. Veren plasma ja verisolut kiertävät verenkierrossa endoteelisolujen peittämää verisuonistoa myöten. HMGB1 on valkuaisaine, jota veri- ja endoteelisolut ilmentävät. Aktivoimattomissa soluissa HMGB1 esiintyy yleensä solun sisällä, poikkeuksena aktiivisesti liikkuvat solut, jotka käyttävät solun ulkoista HMGB1-proteiinia liikkumiseen. Solun vaurioituessa tai valkosolun aktivoituessa ne vapauttavat HMGB1-valkuaisainetta ulos soluista, joten tulehduksen tai kudosvaurion yhteydessä plasman HMGB1-taso kohoaa. Solun ulkoinen HMGB1 säätelee elimistön puolustusmekanismeja, mutta voi joissakin olosuhteissa esim. verenmyrkytyksessä olla myös haitallinen. Väitöskirjatutkimukseni tarkoituksena on ollut selvittää HMGB1:n ilmentymistä ja sen välittämiä toimintoja verenkiertoelimistön soluissa. Lisäksi tarkoituksena on ollut tutkia plasman HMGB1-tasojen määrityksen käyttökelpoisuutta vakaviin infektioihin sairastuneiden potilaiden ennusteen laatimisessa. Työ tehtiin yhteistyössä ruotsalaisten ja yhdysvaltalaisten tutkimusryhmien kanssa. Työssä kehitettiin uusi HMGB1:n analyysimenetelmä. Lisäksi HMGB1:n eritysmekanismia ja tulehdusta välittävää mekanismia pystyttiin selvittämään, ja HMGB1:n tärkeä merkitys tulehdukseen liittyvässä veren valkosolujen kulkeutumisessa endoteelin läpi kudokseen kyettiin osoittamaan. Väitöskirjatyön tulokset tuovat lisätietoa HMGB1-valkuaisaineen merkityksestä tulehdustaudeissa ja auttavat kliinisten HMGB1- analyysimenetelmien kehitystyötä.

Metanogeenit ovat hapettomissa oloissa eläviä arkkien pääryhmään kuuluvia mikrobeja, joiden ainutlaatuisen aineenvaihdunnan seurauksena syntyy metaania. Ilmakehässä metaani on voimakas kasvihuonekaasu. Yksi suurimmista luonnon metaanilähteistä ovat kosteikot. Pohjoisten soiden metaanipäästöt vaihtelevat voimakkaasti eri soiden välillä ja yhden suon sisälläkin, riippuen muun muassa vuodenajasta, suotyypistä ja kasvillisuudesta. Väitöskirjatyössä tutkittiin metaanipäästöjen vaihtelun mikrobiologista taustaa. Tutkimuksessa selvitettiin suotyypin, vuodenajan, tuhkalannoituksen ja turvesyvyyden vaikutusta metanogeeniyhteisöihin sekä metaanintuottoon kolmella suomalaisella suolla. Lisäksi tutkittiin ei-metanogeenisia arkkeja ja bakteereita, koska ne muodostavat metaanin tuoton lähtöaineet osana hapetonta hajotusta. Mikrobiyhteisöt analysoitiin DNA- ja RNA-lähtöisillä, polymeraasiketjureaktioon (PCR) perustuvilla menetelmillä. Merkkigeeneinä käytettiin metaanin tuottoon liittyvää mcrA-geeniä sekä arkkien ja bakteerien ribosomaalista 16S RNA-geeniä. Metanogeeniyhteisöt ja metaanintuotto erosivat huomattavasti happaman ja vähäravinteisen rahkasuon sekä ravinteikkaampien sarasoiden välillä. Rahkasuolta löytyi lähes yksinomaan Methanomicrobiales-lahkon metanogeeneja, jotka tuottavat metaania vedystä ja hiilidioksidista. Sarasoiden metanogeeniyhteisöt olivat monimuotoisempia, ja niillä esiintyi myös asetaattia käyttäviä metanogeeneja. Vuodenaika vaikutti merkittävästi metaanintuottoon. Talvella havaittiin odottamattoman suuri metaanintuottopotentiaali sekä viitteitä aktiivisista metanogeeneista. Arkkiyhteisön koostumus sen sijaan vaihteli vain vähän. Tuhkalannoitus, jonka tarkoituksena on edistää puiden kasvua ojitetuilla soilla, ei merkittävästi vaikuttanut metaanintuottoon tai -tuottajiin. Ojitetun suon yhteisöt kuitenkin muuttuivat turvesyvyyden mukaan. Vertailtaessa erilaisia PCR-menetelmiä todettiin, että kolmella mcrA-geeniin kohdistuvalla alukeparilla havaittiin pääosin samat ojitetun suon metanogeenit, mutta lajien runsaussuhteet riippuvat käytetyistä alukkeista. Soilla havaitut bakteerit kuuluivat pääjaksoihin Deltaproteobacteria, Acidobacteria ja Verrucomicrobia. Lisäksi löydettiin Crenarchaeota-pääjakson ryhmiin 1.1c ja 1.3 kuuluvia ei-metanogeenisia arkkeja. Tulokset ryhmien esiintymisestä hapettomassa turpeessa antavat lähtökohdan selvittää niiden mahdollisia vuorovaikutuksia metanogeenien kanssa. Tutkimuksen tulokset osoittivat, että metanogeeniyhteisön koostumus heijastaa metaanintuottoon vaikuttavia kemiallisia tai kasvillisuuden vaihteluita kuten suotyyppiä. Soiden metanogeenien ja niiden fysiologian parempi tuntemus voi auttaa ennustamaan ympäristömuutosten vaikutusta soiden metaanipäästöihin. Methanogens are anaerobic Archaea with unique energy metabolism resulting in production of methane (CH4). In the atmosphere methane is an effective greenhouse gas. The largest natural sources of atmospheric methane are wetlands, including peat-forming mires. Methane emissions vary greatly between and within mires, depending on season and hydrological and botanical characteristics. The aim of this work was to elucidate the microbiology underlying the variation. Methanogens and potential methane production were assessed along spatial and temporal gradients of ecohydrology, season, ash fertilization, and peat depth in three Finnish boreal mires. Non-methanogenic Archaea and Bacteria were additionally addressed as potential substrate producers and competitors to methanogens. Characterization of microbial communities targeted the mcrA gene, essential in methane production, and archaeal or bacterial 16S ribosomal RNA gene. The communities were differentiated by analysis of clone libraries, denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), and terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) fingerprinting. Methanogen communities and methane production changed markedly along an ecohydrological gradient from fen to bog, with changing vegetation and pH. The most acidic Sphagnum bog showed mainly Methanomicrobiales-associated, hydrogenotrophic Fen cluster methanogens, whereas the oligotrophic and mesotrophic fens with higher pH and sedge coverage had more diverse communities including acetoclastic methanogens. Season had a minor effect on the archaeal community in an acidic oligotrophic fen, but the temporal variation of methane production potential was substantial. Winter potential was unexpectedly high, and active methanogens were detected in winter peat. Ash fertilization, a forestry practice for promoting tree growth, had no substantial effects on methane production or methanogen communities in a drained bog, but the communities changed with peat depth. Comparison of three mcrA primer sets revealed that their coverage of methanogens from the drained bog was similar, but the quantitative representations of communities were primer-dependent. Bacterial and non-methanogenic archaeal groups detected in mires included Deltaproteobacteria, Acidobacteria, Verrucomicrobia, and Crenarchaeota of groups 1.1c and 1.3. Their detection forms a starting point for further studies to distinguish possible interactions with methanogens. Overall, the results indicate that methanogen community composition reflects chemical or botanical gradients that affect methane production, such as mire hydrology. Predictions of methane production in the spatially heterogeneous mires could thus benefit from characterization of methanogens and their ecophysiology.

Long-term monitoring data collected from wild smolts of Atlantic salmon (Salmo salar) in the Simojoki river, northern Finland, were used in studying the relationships between the smolt size and age, smolt and postsmolt migration, environmental conditions and postsmolt survival. The onset of the smolt run was significantly dependent on the rising water temperature and decreasing discharge of the river in the spring. The mean length of smolts migrating early in the season was commonly higher and the mean age always older than among smolts migrating later. Many of the smolts migrating early in the season and almost all smolts migrating later had started their new growth in spring in the river before their sea entry. Among postsmolts, the time required for emigration from the estuary was dependent on the sea surface temperature (SST) off the river, being significantly shorter in years with warm than cold sea temperatures. After leaving the estuary, the postsmolts migrated southwards along the eastern coast of the northern Gulf of Bothnia, the geographical distribution of the tag recoveries coinciding with the warm thermal zone in spring in the coastal area. After arriving in the southern Gulf of Bothnia in late summer the postsmolts mostly migrated near the western coast, reaching the Baltic Main Basin in late autumn. Until the early 1990s there was only a weak positive association between smolt length and postsmolt survival. However, following a subsequent decrease in the mean smolt size, a significant positive dependence was observed between smolt size and the reported recapture rate of tagged salmon. The differences in recapture rates between smolts tagged during the first and second half of the annual migration season were insignificant, indicating that the seasonal variation in smolt size and age seem to be too small to affect survival. Among the climatic factors examined, the summer SST in the Gulf of Bothnia was most clearly related to the survival of the wild postsmolts. Postsmolt survival appeared to be highest in years when the SST in June in the Bothnian Bay varied between 9 and 12 ºC. In addition, the survival of wild postsmolts showed a significant positive dependence on the SST in July in the Bothnian Sea, but not on the abundance of the prey fish (0+ herring, Clupea harengus and sprat, Sprattus sprattus) in the Bothnian Sea and in the Baltic Main Basin. The results suggest, that if the incidence of extreme weather conditions were to increase due to climatic changes, it would probably reduce the postsmolt survival of wild salmon populations. For improving the performance of hatchery-reared smolts, it could be useful to examine opportunities to produce smolts that are in their smolt traits and abilities more similar to the wild smolts described in this thesis. Simojoen lohikannan pitkäaikaisseurannassa vaelluspoikasista eli smolteista kerättyä aineistoa käytettiin lohen (Salmo salar) villien smolttien koon ja iän, ympäristöolojen, saaliseläinten runsauden ja smolttien mereentulovuoden aikaisen eli ns. postsmolttivaiheen eloonjäännin välisten suhteiden tutkimiseksi. Smolttivaelluksen ajoittuminen keväällä riippui jokiveden lämpötilan noususta yli 10 ºC:een ja joen virtaaman vähenemisestä. Vaelluskauden alkupuoliskolla smoltit olivat yleensä keskimäärin pitempiä ja aina keskimäärin vanhempia kuin myöhemmin vaeltavat. Monet vaelluskauden alkupuolella vaeltaneet smoltit ja lähes kaikki vaelluskauden loppupuolella vaeltaneet olivat alkaneet kasvunsa keväällä joessa jo ennen mereen tuloaan. Postsmolttien tarvitsema aika jokisuulta poistumiseen riippui pintaveden lämpötilasta meressä; se oli merkitsevästi lyhyempi keväinä, jolloin merivesi oli lämmintä kuin jos se oli kylmää. Jokisuulta lähdettyään postsmoltit vaelsivat etelään Perämeren itärannikkoa pitkin, jolloin merkkipalautusten maantieteellinen jakautuminen vastasi lämpimän veden vyöhykkeen keväistä esiintymistä rannikolla. Saavuttuaan loppukesällä Selkämerelle postsmoltit vaelsivat enimmäkseen länsirannikon läheisyydessä ja saapuivat Itämeren pääaltaalle myöhään syksyllä. 1990-luvun alkupuoliskolle saakka villien smolttien pituuden ja postsmolttien eloonjäännin välillä oli vain heikko positiivinen yhteys. Sen jälkeen kuitenkin smolttikoko pieneni, jolloin havaittiin merkitsevä positiivinen riippuvuus smolttikoon ja lohien merkkipalautusprosentin välillä; suurten smolttien eloonjäänti oli parempi kuin pienten. Merkkipalauksissa ei ollut merkitseviä eroja vuotuisen smolttivaelluksen alku- ja loppupuoliskolla merkittyjen smolttien välillä. Tutkituista ilmastollisista tekijöistä Pohjanlahden pintaveden lämpötilalla kesällä oli selvimmin vaikutusta villien postsmolttien eloonjääntiin. Postsmolttien eloonjäänti oli paras vuosina, jolloin pintaveden lämpötila vaihteli kesäkuussa Perämerellä välillä 9 – 12 ºC. Lisäksi villien postsmolttien eloonjäännillä oli merkitsevä positiivinen riippuvuus pintaveden lämpötilasta heinäkuussa Selkämerellä. Sen sijaan eloonjäänti ei riippunut merkitsevästi saaliskalojen (0+ silakka ja kilohaili) runsaudesta Selkämerellä ja Itämeren pääaltaalla. Tulokset osoittavat, että jos poikkeuksellisen kylmien ja lämpimien keväiden esiintyminen lisääntyy ilmastonmuutoksen seurauksena, se voi heikentää Itämeren villien lohikantojen säilymismahdollisuuksia. Viljeltyjen smolttien eloonjäänti voisi parantua, jos ne saataisiin ominaisuuksiltaan enemmän villien smolttien kaltaisiksi.

Three different Norway spruce cutting clones growing in three environments with different soil and climatic conditions were studied. The purpose was to follow variation in the radial growth rate, wood properties and lignin content and to modify wood lignin with a natural monolignol, coniferyl alcohol, by making use of inherent wood peroxidases. In addition, the incorporation of chlorinated anilines into lignin was studied with synthetic model compounds and synthetic lignin preparations to show whether unnatural compounds originating from pesticides could be bound in the lignin polymer. The lignin content of heartwood, sapwood and earlywood was determined by applying Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and a principal component regression (PCR) technique. Wood blocks were treated with coniferyl alcohol by using a vacuum impregnation method. The effect of impregnation was assessed by FTIR and by a fungal decay test. Trees from a fertile site showed the highest growth rate and sapwood lignin content and the lowest latewood proportion, weight density and modulus of rupture (MOR). Trees from a medium fertile site had the lowest growth rate and the highest latewood proportion, weight density, modulus of elasticity (MOE) and MOR. The most rapidly growing clone showed the lowest latewood proportion, weight density, MOE and MOR. The slowest growing clone had the lowest sapwood lignin content and the highest latewood proportion, weight density, MOE and MOR. Differences between the sites and clones were small, while fairly large variation was found between the individual trees and growing seasons. The cutting clones maintained clone-dependent wood properties in the different growing sites although variation between trees was high and climatic factors affected growth. The coniferyl alcohol impregnation increased the content of different lignin-type phenolic compounds in the wood as well as wood decay resistance against a white-rot fungus, Coriolus versicolor. During the synthetic lignin preparation 3,4-dichloroaniline became bound by a benzylamine bond to β-O-4 structures in the polymer and it could not be released by mild acid hydrolysis. The natural monolignol, coniferyl alcohol, and chlorinated anilines could be incorporated into the lignin polymer in vivo and in vitro, respectively. Työssä tutkittiin kolmea erilaista kuusipistokaskloonia, jotka kasvavat kolmella maaperä- ja ilmasto-olosuhteiltaan erilaisella kasvupaikalla. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää sädekasvunopeuden, puun ominaisuuksien ja ligniinipitoisuuden vaihtelua sekä modifioida ligniiniä luonnollisella monomeerilla, koniferyylialkoholilla, käyttäen hyväksi puussa olevia peroksidaasientsyymejä. Työssä tutkittiin myös torjunta-aineiden hajoamistuotteiden, kloorattujen aniliinien, sitoutumista ligniinipolymeeriin synteettisten malliaineiden ja synteettisen ligniinin avulla. Sydän-, pinta- ja kevätpuun ligniinipitoisuus määritettiin infrapunaspektroskopian (FTIR) ja pääkomponenttiregression (PCR) avulla. Puunäytteet käsiteltiin koniferyylialkoholilla alipainekyllästysmenetelmää käyttäen. Käsittelyn vaikutus arvioitiin FTIR:llä ja puun kestävyys testattiin lahotuskokeen avulla. Viljavalla kasvupaikalla kuusen kasvunopeus ja pintapuun ligniinipitoisuus olivat suurimmat mutta kesäpuuosuus, tiheys ja murtolujuus pienimmät. Kasvunopeus oli pienin karulla kasvupaikalla, kun taas kesäpuuosuus ja tiheys olivat suurimmat ja lujuusominaisuudet parhaimmat. Nopeimmin kasvaneen kloonin kesäpuuosuus ja tiheys olivat pienimmät ja lujuusominaisuudet heikoimmat. Hitaimmin kasvaneen kloonin pintapuun ligniinipitoisuus oli pienin, kesäpuuosuus ja tiheys suurimmat ja lujuusominaisuudet parhaimmat. Kasvupaikkojen ja kloonien väliset erot olivat pieniä, kun taas yksittäisten puiden ja kasvukausien välinen vaihtelu oli melko suurta. Koniferyylialkoholi-käsittely lisäsi puun ligniinin kaltaisten fenolisten yhdisteiden pitoisuutta ja kestävyyttä valkolahottajasientä (Coriolus versicolor) vastaan. 3,4-dikloorianiliini sitoutui synteettisen ligniinin β-O-4 rakenteisiin bentsyyliamiinisidoksella. Havainnot osoittivat, että pistokaskloonien ominaisuudet säilyivät eri kasvupaikoilla, vaikka puiden välinen vaihtelu oli suurta ja ilmastotekijät vaikuttivat kasvuun. Luonnollista monomeeria, koniferyylialkoholia, ja kloorattuja aniliineja voitiin sitoa ligniinipolymeeriin in vivo ja in vitro. Koniferyylialkoholi-käsittely paransi puun kestävyyttä lahottajasientä vastaan. Klooratut aniliinit sitoutuivat ligniiniin kovalenttisesti ja muodostunut sidos kesti happohydrolyysin.

Archaea were long thought to be a group of ancient bacteria, which mainly lived in extreme environments. Due to the development of DNA sequencing methods and molecular phylogenetic analyses, it was shown that the living organisms are in fact divided into three domains; the Archaea, Bacteria and the Eucarya. Since the beginning of the previous decade, it was shown that archaea generally inhabit moderate environments and that these non-extremophilic archaea are more ubiquitous than the extremophiles. Group 1 of non-extreme archaea affiliate with the phylum Crenarchaeota. The most commonly found soil archaea belong to the subgroup 1.1b. However, the Crenarchaeota found in the Fennoscandian boreal forest soil belong to the subgroup 1.1c. The organic top layer of the boreal forest soil, the humus, is dominated by ectomycorrhizal fungal hyphae. These colonise virtually all tree fine root tips in the humus layer and have been shown to harbour distinct bacterial populations different from those in the humus. The archaea have also been shown to colonise both boreal forest humus and the rhizospheres of plants. In this work, studies on the archaeal communities in the ectomycorrhizospheres of boreal forest trees were conducted in microcosms. Archaea belonging to the group 1.1c Crenarchaeota and Euryarchaeota of the genera Halobacterium and Methanolobus were detected. The archaea generally colonised fungal habitats, such as ectomycorrhizas and external mycelia, rather than the non-mycorrhizal fine roots of trees. The species of ectomycorrhizal fungus had a great impact on the archaeal community composition. A stable euryarchaeotal community was detected especially in the mycorrhizas, of most of the tested Scots pine colonising ectomycorrhizal fungi. The Crenarchaeota appeared more sporadically in these habitats, but had a greater diversity than the Euryarchaeota. P. involutus mycorrhizas had a higher diversity of 1.1c Crenarchaeota than the other ectomycorrhizal fungi. The detection level of archaea in the roots of boreal trees was generally low although archaea have been shown to associate with roots of different plants. However, alder showed a high diversity of 1.1c Crenarchaeota, exceeding that of any of the tested mycorrhizas. The archaeal 16S rRNA genes detected from the non-mycorrhizal roots were different from those of the P. involutus mycorrhizas. In the phylogenetic analyses, the archaeal 16S rRNA gene sequences obtained from non-mycorrhizal fine roots fell in a separate cluster within the group 1.1c Crenarchaeota than those from the mycorrhizas. When the roots of the differrent tree species were colonised by P. involutus, the diversity and frequency of the archaeal populations of the different tree species were more similar to each other. Both Cren- and Euryarchaeota were enriched in cultures to which C-1 substrates were added. The 1.1c Crenarchaeota grew anaerobically in mineral medium with CH4 and CO2 as the only available C sources, and in yeast extract media with CO2 and CH4 or H2. The crenarchaeotal diversity was higher in aerobic cultures on mineral medium with CH4 or CH3OH than in the anaerobic cultures. Ecological functions of the mycorrhizal 1.1c Crenarchaeota in both anaerobic and aerobic cycling of C-1 compounds were indicated. The phylogenetic analyses did not divide the detected Crenarchaeota into anaerobic and aerobic groups. This may suggest that the mycorrhizospheric crenarchaeotal communities consist of closely related groups of anaerobic and aerobic 1.1c Crenarchaeota, or the 1.1c Crenarchaeota may be facultatively anaerobic. Halobacteria were enriched in non-saline anaerobic yeast extract medium cultures in which CH4 was either added or produced, but were not detected in the aerobic cultures. They may potentially be involved in anaerobic CH4 cycling in ectomycorrhizas. The CH4 production of the mycorrhizal samples was over 10 times higher than for humus devoid of mycorrhizal hyphae, indicating a high CH4 production potential of the mycorrhizal metanogenic community. Autofluorescent methanogenic archaea were detected by microscopy and 16S rRNA gene sequences of the genus Methanolobus were obtained. The archaeal community depended on both tree species and the type of ectomycorrhizal fungus colonising the roots and the Cren- and Euryarchaeota may have different ecological functions in the different parts of the boreal forest tree rhizosphere and mycorrhizosphere. By employing the results of this study, it may be possible to isolate both 1.1c Crenarchaeota as well as non-halophilic halobacteria and aerotolerant methanogens from mycorrhizospheres. These archaea may be used as indicators for change in the boreal forest soil ecosystem due to different factors, such as exploitations of forests and the rise in global temperature. More information about the microbial populations with apparently low cell numbers but significant ecological impacts, such as the boreal forest soil methanogens, may be of crucial importance to counteract human impacts on such globally important ecosystems as the boreal forests. Arkéer i skogsträdens svamprötter Arkéerna antogs länge vara en uråldrig typ av bakterier som bebodde endast extrema miljöer (t.ex. heta källor, sjöar med hög salt halt). Med hjälp av DNA baserade metoder påvisades det dock att arkéerna tillhörde en helt egen grupp av organismer och att livsformerna på jorden kan indelas i tre domäner, nämnligen Archaea, Bacteria och Eucaryota. Sedan början av 1990-talet har man förutom i olika vatten och jord prov, funnit att arkéerna är allmänt spridda i olika vanliga miljöer och att de typer som typiskt hittas i finsk skogsjord skiljer sej åtskilligt från de arkéer som vanligen hittas i jord. I det organiska ytskiktet, humusen, i de boreala skogarna växer stora mänger svamphyfer. Dessa bildar symbiotiska förhållanden med skogsträdens rötter, så kallade mykorrhizor. Dessa har påvisats ha speciella bakteriefloror som skiljer sej från den i humusen. Också arkéer har påvisats leva både i skogshumus samt på växtrötter. I den här forskningen studerades arké-populationerna i boreala skogsträds ektomykorrhizosfär. Man fann att mykorrhizorna och svamphyferna i allmänhet har en större population av arkéer än de 'nakna' trädrötterna eller humus utan svamphyfer. Både svamparterna och trädarterna inverkar på bestånder av arkéer i rötterna och mykorrhizosfären. Mykorrhizornas arkéer skiljer sej från dem som hittas på rötterna, men rötternas bestånd av arkéer förändras då mykorrhizosfären i rötterna bildas. Förutom de crenarkeoter som vanligen hittas i finsk skogsjord hittades i de flesta mykorrhiza-prov också sekvenser av gener för ribosomalt RNA som tillhörde släktet Halobacterium, vilka i allmänhet lever i väldigt hög salthalt. Arkéer hittades också i både anaeroba och aeroba oldingar. I de anaeroba metan-producerande odlingarna hittades euryarkeoter av släktena Methanolobus (methan-producerande arkéer) och Halobacterium samt de crenarkeoter som typiskt hittas i finsk skogsjord. I de aeroba odlingarna matade med antingen metan eller formamid (en komponent av metancykeln) hittades bara crenarkeoter. Inga ekologiska funktioner har ännu påvisats för de arkéer som hittats i finsk skogsjord och i trädenas rötter och mykorrhizosfär, men dessa resultat indikerar att de kan ha en betydelse för metanets kretslop i både anaeroba och aeroba förhållanden. Man har ännu inte lyckats isolera dessa arkéer för att kunna studera deras fysiologi, men genom att tillämpa dessa reultat kan detta vara möjligt. Genom att få mera information om de här dåligt kända mikro-organismerna kunde de möjligen också få en användning som indikatororganismer för att registrera förändringar i skogsjordens ekosystem, förorsakade av olika faktorer, såsom intensivt skogsbruk men också den globala temperaturökningen. Mera information om viktiga mikrobgrupper med troligtvis låg populationstäthet men stor ekologisk betydelse, som t.ex. metanogenerna i skogsjorden, kan vara av stor betydelse för att kunna minska de miljöeffekter människan förorsakar dessa globalt viktiga ekosystem.

Eukaryotic cells are characterized by having a subset of internal membrane compartments, each one with a specifi c identity, structure and function. Proteins destined to be targeted to the exterior of the cell need to enter and progress through the secretory pathway. Transport of secretory proteins from the endoplasmic reticulum (ER) to the Golgi takes place by the selective packaging of proteins into COPII-coated vesicles at the ER membrane. Taking advantage of the extensive genetic tools available for S. cerevisiae we found that Hsp150, a yeast secretory glycoprotein, selectively exited the ER in the absence of any of the three Sec24p family members. Sec24p has been thought to be an essential component of the COPII coat and thus indispensable for exocytic membrane traffic. Next we analyzed the ability of Hsp150 to be secreted in mutants, where post-Golgi transport is temperature sensitive. We found that Hsp150 could be selectively secreted under conditions where the exocyst component Sec15p is defective. Analysis of the secretory vesicles revealed that Hsp150 was packaged into a subset of known secretory vesicles as well as in a novel pool of secretory vesicles at the level of the Golgi. Secretion of Hsp150 in the absence of Sec15p function was dependent of Mso1p, a protein capable of interacting with vesicles intended to fuse with the plasma membrane, with the SNARE machinery and with Sec1p. This work demonstrated that Hsp150 is capable of using alternative secretory pathways in ER-to-Golgi and Golgi-to-plasma membrane traffi c. The sorting signals, used at both stages of the secretory pathway, for secretion of Hsp150 were different, revealing the highly dynamic nature and spatial organization of the secretory pathway. Foreign proteins usually misfold in the yeast ER. We used Hsp150 as a carrier to assist folding and transport of heterologous proteins though the secretory pathway to the culture medium in both S. cerevisiae and P. pastoris. Using this technique we expressed Hsp150Δ-HRP and developed a staining procedure, which allowed the visualization of the organelles of the secretory pathway of S. cerevisiae. Ei saatavilla

Currently, there are nine known human herpesviruses and these viruses appear to have been a very common companion of humans throughout the millenia. Of human herpesviruses, herpes simplex viruses 1 and 2 (HSV-1, HSV-2), causative agents of herpes labialis and genital herpes, and varicella-zoster virus (VZV), causative agent of chicken pox, are also common causes of central nervous system (CNS) infections. In addition, human cytomegalovirus (CMV), Epstein-Barr virus (EBV) and human herpesviruses 6A, 6B, and 7 (HHV-6A, HHV-6B, HHV-7), all members of the herpesvirus family, can also be associated with encephalitis and meningitis. Accurate diagnostics and fast treatment are essential for patient recovery in CNS infections and therefore sensitive and effective diagnostic methods are needed. The aim of this thesis was to develop new potential detection methods for diagnosing of human herpesvirus infections, especially in immunocompetent patients, using the microarray technique. Therefore, methods based on microarrays were developed for simultaneous detection of HSV-1, HSV-2, VZV, CMV, EBV, HHV-6A, HHV-6B, and HHV-7 nucleic acids, and for HSV-1, HSV-2, VZV, and CMV antibodies from various clinical samples. The microarray methods developed showed potential for efficiently and accurately detecting human herpesvirus DNAs, especially in CNS infections, and for simultaneous detection of DNAs or antibodies for multiple different human herpesviruses from clinical samples. In fact, the microarray method revealed several previously unrecognized co-infections. The microarray methods developed were sensitive and provided rapid detection of human herpesvirus DNA, and therefore the method could be applied to routine diagnostics. The microarrays might also be considered as an economical tool for diagnosing human herpesvirus infections. Herpesvirukset ovat kulkeneet ihmisen kumppaneina vuosituhat toisensa jälkeen ja tällä hetkellä tunnetaan yhdeksän ihmiselle patogeenista herpesvirusta. Huuli- ja genitaaliherpestä aiheuttavat herpes simplex virus 1 ja 2 (HSV-1, HSV-2) sekä vesirokkoa aiheuttava varicalla-zoster virus (VZV) ovat ihmisen herpesviruksia, jotka voivat aiheuttaa myös vakavia keskushermostoperäisiä infektioita. Ihmisen herpesviruksista myös ihmisen cytomegalovirus (CMV), Epstein-Barr virus (EBV), ihmisen herpesvirukset 6 ja 7 (HHV-6, HHV-7), voidaan liittää aivokuumeeseen ja aivokalvontulehdukseen. Näiden virusten nopea ja tarkka diagnostiikka on oleellista oikean hoidon aloittamiselle sekä potilaan toipumiselle varsinkin keskushermostoperäisissä infektioissa. Taudinaiheuttajien diagnosoimiseksi tarvitaan herkkiä ja tehokkaita menetelmiä. Tämän väitöskirjan tavoitteina oli kehittää uusia mikrosirupohjaisia menetelmiä ihmisen herpesvirusten aiheuttamien infektioiden diagnostiikkaan. Kehitetyillä mikrosiruilla tunnistettiin yhtä aikaa kahdeksan eri herpesviruksen nukleiinihappoa erilaisista kliinisistä näytteistä. Toisella serologisella mikrosirulla detektoitiin HSV-1, HSV-2, VZV ja CMV:lle spesifisiä vasta-aineita. Herpesvirusten nukleiinihappojen ja vasta-aineiden tunnistamiseen kehitetyt mikrosirumenetelmät osoittautuivat soveltuviksi usean herpesviruksen samanaikaiseen diagnosointiin. Varsinkin keskushermostopohjaisten infektioiden tunnistamisessa mikrosiru osoittautui tehokkaaksi. Mikrosirujen avulla tunnistettiin myös mahdollisia useamman viruksen samanaikaisia infektioita.

Increasing concern about global climate warming has accelerated research into renewable energy sources that could replace fossil petroleum-based fuels and materials. Bioethanol production from cellulosic biomass by fermentation with baker s yeast Saccharomyces cerevisiae is one of the most studied areas in this field. The focus has been on metabolic engineering of S. cerevisiae for utilisation of the pentose sugars, in particular D-xylose that is abundant in the hemicellulose fraction of biomass. Introduction of a heterologous xylose-utilisation pathway into S. cerevisiae enables xylose fermentation, but ethanol yield and productivity do not reach the theoretical level. In the present study, transcription, proteome and metabolic flux analyses of recombinant xylose-utilising S. cerevisiae expressing the genes encoding xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH) from Pichia stipitis and the endogenous xylulokinase were carried out to characterise the global cellular responses to metabolism of xylose. The aim of these studies was to find novel ways to engineer cells for improved xylose fermentation. The analyses were carried out from cells grown on xylose and glucose both in batch and chemostat cultures. A particularly interesting observation was that several proteins had post-translationally modified forms with different abundance in cells grown on xylose and glucose. Hexokinase 2, glucokinase and both enolase isoenzymes 1 and 2 were phosphorylated differently on the two different carbon sources studied. This suggests that phosphorylation of glycolytic enzymes may be a yet poorly understood means to modulate their activity or function. The results also showed that metabolism of xylose affected the gene expression and abundance of proteins in pathways leading to acetyl-CoA synthesis and altered the metabolic fluxes in these pathways. Additionally, the analyses showed increased expression and abundance of several other genes and proteins involved in cellular redox reactions (e.g. aldo-ketoreductase Gcy1p and 6-phosphogluconate dehydrogenase) in cells grown on xylose. Metabolic flux analysis indicated increased NADPH-generating flux through the oxidative part of the pentose phosphate pathway in cells grown on xylose. The most importantly, results indicated that xylose was not able to repress to the same extent as glucose the genes of the tricarboxylic acid and glyoxylate cycles, gluconeogenesis and some other genes involved in the metabolism of respiratory carbon sources. This suggests that xylose is not recognised as a fully fermentative carbon source by the recombinant S. cerevisiae that may be one of the major reasons for the suboptimal fermentation of xylose. The regulatory network for carbon source recognition and catabolite repression is complex and its functions are only partly known. Consequently, multiple genetic modifications and also random approaches would probably be required if these pathways were to be modified for further improvement of xylose fermentation by recombinant S. cerevisiae strains. Ilmaston lämpeneminen ja fossiilisten polttoaineiden rajallisuus on lisännyt kiinnostusta uusiutuvista raaka-aineista valmistettaviin polttoaineisiin ja tuotteisiin. Polttoaine-etanoli, joka on tuotettu fermentoimalla kasviperäistä selluloosaa ja hemiselluloosaa sisältävää kasvimateriaalia, on paljon tutkittu vaihtoehto fossiilisille polttoaineille. Kaikkien kasvimateriaalissa olevien sokereiden hyödyntäminen on tärkeää etanolin tuotannon taloudelliselle kannattavuudelle. Laajalti etanolin tuottoon käytettävä leivinhiiva S. cerevisiae fermentoi kuitenkin tehokkaasti vain glukoosia ja heksoosisokereita eikä kykene käyttämään hemiselluloosassa suhteellisen runsaana esiintyvää viisihiilistä pentoosisokeria ksyloosia. Ksyloosin käytön mahdollistavat entsyymit ksyloosireduktaasi ja ksylitolidehydrogenaasi, joita ilmentävät geenit on siirretty leivinhiivaan Pichia stipitis -hiivasta. Ksyloosia käyttävät muuntogeeniset leivinhiivakannat tuottavat ksyloosista etanolia, mutta etanolin saanto ja tuottonopeus eivät vielä yllä toivotulle tasolle. Tässä työssä on etsitty uusia keinoja parantaa leivinhiivan ksyloosin fermentointikykyä vertaamalla ksyloosia käyttävän leivinhiivan ksyloosiaineenvaihduntaa glukoosiaineenvaihduntaan DNA-sirujen, proteomiikan ja aineenvaihduntavuoiden mallintamisen avulla. Tulokset osoittavat, että ksyloosi ei kykene glukoosin tavoin vaimentamaan leivinhiivassa sitruunahappokierron, glyoksylaattisyklin ja glukoneogeneesin proteiineja ilmentäviä geenejä eikä useita muita geenejä, jotka liittyvät muiden hiilen lähteiden kuin sokereiden käyttöön. Ksyloosin käyttö muutti myös asetyyli-CoA:n valmistukseen liittyvien geenien ilmentymistä sekä asetyyli-CoA:n aineenvaihduntareitillä olevien proteiinien määriä. Lisäksi ksyloosin käyttö aktivoi geenejä, joiden ilmentyminen on aiemmin liitetty hiilen lähteen ja ravinteiden loppumiseen. Mielenkiintoinen havainto oli, että glykolyysiin osallistuvat entsyymit heksokinaasi, glukokinaasi ja enolaasi fosforyloituivat eri tavoin ksyloosilla ja glukoosilla kasvaneissa soluissa, mikä viittaa siihen, että näiden entsyymien aktiivisuutta ja/tai toimintaa eri olosuhteissa säädellään fosforylaation avulla. Tutkimuksessa havaittiin myös, että ksyloosilla kasvaneissa soluissa useiden solujen hapetus- ja pelkistysreaktioihin osallistuvien proteiinien määrä ja niitä ilmentävien geenien transkriptio oli lisääntynyt. Lisäksi aineenvaihduntavuoiden mallinnus osoitti, että hiilivirta pentoosifosfaattireitin sen osan kautta, joka tuottaa NADPH:ta, oli vilkastunut ksyloosia käyttävissä soluissa verrattuna glukoosilla kasvaneisiin soluihin. Nämä tulokset viittaavat muuntogeenisen hiivan pyrkimykseen lisätä solun sisäisen NADPH:n määrää ksyloosireduktaasientsyymin tarpeisiin. Kaiken kaikkiaan soluissa havaitut muutokset viittaavat siihen, että S. cerevisiae ei kykene tunnistamaan ksyloosia glukoosin kaltaiseksi täysin fermentoitavaksi hiilen lähteeksi. Tämä on luultavasti yksi syistä miksi etanolin saanto ja ksyloosin fermentointinopeus eivät yllä optimaaliselle tasolle. Hiilen käyttöön liittyvän aineenvaihduntaverkon toiminnan säätely on mutkikasta ja vain osittain tunnettua. Onkin todennäköistä, että etanolin tuotannon tehostamiseksi ksyloosista säätelyverkkoa muuttamalla tarvitaan useiden säätelyyn osallistuvien geenien ilmentymisen muuttamista tai geenien sattumanvaraista mutageneesiä.

Throughout the history of Linnean taxonomy, species have been described with varying degrees of justification. Many descriptions have been based on only a few ambiguous morphological characters. Moreover, species have been considered natural, well-defined units whereas higher taxa have been treated as disparate, non-existent creations. In the present thesis a few such cases were studied in detail. Often the species-level descriptions were based on only a few specimens and the variation previously thought to be interspecific was found to be intraspecific. In some cases morphological characters were sufficient to resolve the evolutionary relationships between the taxa, but generally more resolution was gained by the addition of molecular evidence. However, both morphological and molecular data were found to be deceptive in some cases. The DNA sequences of morphologically similar specimens were found to differ distinctly in some cases, whereas in other closely related species the morphology of specimens with identical DNA sequences differed substantially. This study counsels caution when evolutionary relationships are being studied utilizing only one source of evidence or a very limited number of characters (e.g. barcoding). Moreover, it emphasizes the importance of high quality data as well as the utilization of proper methods when making scientific inferences. Properly conducted analyses produce robust results that can be utilized in numerous interesting ways. The present thesis considered two such extensions of systematics. A novel hypothesis on the origin of bioluminescence in Elateriformia beetles is presented, tying it to the development of the clicking mechanism in the ancestors of these animals. An entirely different type of extension of systematics is the proposed high value of the white sand forests in maintaining the diversity of beetles in the Peruvian Amazon. White sand forests are under growing pressure from human activities that lead to deforestation. They were found to harbor an extremely diverse beetle fauna and many taxa were specialists living only in this unique habitat. In comparison to the predominant clay soil forests, considerably more elateroid beetles belonging to all studied taxonomic levels (species, genus, tribus, and subfamily) were collected in white sand forests. This evolutionary diversity is hypothesized to be due to a combination of factors: (1) the forest structure, which favors the fungus-plant interactions important for the elateroid beetles, (2) the old age of the forest type favoring survival of many evolutionary lineages and (3) the widespread distribution and fragmentation of the forests in the Miocene, favoring speciation. Läpi taksonomisen historian on eliölajeja kuvattu mitä moninaisimmin perustein ja usein kuvausten tukena on ollut vain muutama hyvinkin epäselvä tai vaihteleva morfologinen tuntomerkki. Lajeja on usein pidetty selkeinä evolutiivisina yksikköinä, kun taas korkeammat taksonit on käsitetty vain ihmisen vertailukelvottomiksi keksinnöiksi. Väitöskirjassa tutkittiin systematiikkaa apuna käyttäen muutamia lähisukuisia ja toisistaan vaikeasti erotettavia hyönteislajipareja ja -ryhmiä. Useassa tapauksessa ryhmien kuvaukset perustuivat vain muutamaan yksilöön ja lajien väliseksi luultu vaihtelu paljastui monesti lajinsisäiseksi. Ryhmien evolutiivisia sukulaisuussuhteita selvitettäessä morfologiset tuntomerkit riittivät ratkaisemaan taksonien väliset suhteet osassa tutkituissa tapauksissa, mutta yleisesti ottaen molekyylituntomerkit toivat tuloksiin lisää resoluutiota. Sekä morfologisten että molekyylituntomerkkien havaittiin kuitenkin olevan ongelmatapauksissa yhtä harhaanjohtavia - kahden morfologisesti samanlaisen yksilön DNA-sekvenssit saattoivat erota selvästi toisistaan kun taas edelleen kahden identtisen DNA-sekvenssin omaavan yksilön ulkoinen olemus saattoi olla hyvinkin erilainen. Tutkimus kehottaa varovaisuuteen käytettäessä vain yhtä tuntomerkkilähdettä tai hyvin rajallista tuntomerkkien määrää (esim. barcoding) sukulaisuussuhteiden selvittämiseen. Lisäsi tutkimus painottaa aineiston laadun ja asianmukaisesti tehtyjen analyysien merkitystä tieteellisessä päättelyssä. Väitöskirjassa tutkittiin systematiikan metodein saatujen tulosten soveltamista eri biologian aloille kahdella eri tavalla. Siinä esitetään ensimmäistä kertaa hypoteesi seppämäisillä kovakuoriaisilla tavattavan bioluminesenssi-ilmiön ja niiden hyppymekanismin kehittymisen yhteydestä, sekä valkoisen hiekan metsien merkityksestä tämän kovakuoriaisryhmän monimuotoisuuden turvaajana Perun sademetsäalueilla. Jatkuvan hakkuupaineen alaisena olevien valkoisen hiekan metsien selvitettiin pitävän sisällään hyvin monimuotoista kovakuoriaisfaunaa, josta suuri osa on erikoistunut elämään vain tällä erikoislaatuisella metsätyypillä. Valkoisen hiekan saarekkeilta löytyi vallitsevaan savimaan metsään verrattuna enemmän seppämäisiä kovakuoriaisia kaikilta tutkituilta taksonomisilta tasoilta (laji, suku, sukuryhmä ja alaheimo). Tämän evolutiivisen monimuotoisuuden oletetaan johtuvan metsätyypin suotuisuudesta seppämäisille kovakuoriaisille, sen vanhasta iästä sekä metsän nykyistä laajemmasta esiintymisestä Mioseenikaudella.

The area of intensively managed forests, in which required conditions for several liverwort species are seldom found, has expanded over the forest landscape during the last century. Liverworts are very sensitive to habitat changes, because they demand continuously moist microclimate. Consequently, about third of the forest liverworts have been classified as threatened or near threatened in Finland. The general objective of this thesis is to increase knowledge of the reproductive and dispersal strategies of the substrate-specific forest bryophytes. A further aim was to develop recommendations for conservation measures for species inhabiting unstable and stable habitats in forest landscape. Both population ecological and genetic methods have been applied in the research. Anastrophyllum hellerianum inhabits spatially and temporally limited substrate patches, decaying logs, which can be considered as unstable habitats. The results show that asexual reproduction by gemmae is the dominant mode of reproduction, whereas sexual reproduction is considerably infrequent. Unlike previously assumed, not only spores but also the asexual propagules may contribute to long-distance dispersal. The combination of occasional spore production and practically continuous, massive gemma production facilitates dispersal both on a local scale and over long distances, and it compensates for the great propagule losses that take place preceding successful establishment at suitable sites. However, establishment probability of spores may be restricted because of environmental and biological limitations linked to the low success of sexual reproduction. Long-lasting dry seasons are likely to result in a low success of sexual reproduction and decreased release rate of gemmae from the shoots, and consequent fluctuations in population sizes. In the long term, the substratum limitation is likely to restrict population sizes and cause local extinctions, especially in small-sized remnant populations. Contrastingly, larger forest fragments with more natural disturbance dynamics, to which the species is adapted, are pivotal to species survival. Trichocolea tomentella occupies stable spring and mesic habitats in woodland. The relatively small populations are increasingly fragmented with a high risk for extinction for extrinsic reasons. The results show that T. tomentella mainly invests in population persistence by effective clonal growth via forming independent ramets and in competitive ability, and considerably less in sexuality and dispersal potential. The populations possess relatively high levels of genetic diversity regardless of population size and of degree of isolation. Thus, the small-sized populations inhabiting stable habitats should not be neglected when establishing conservation strategies for the species and when considering the habitat protection of small spring sites. Restricted dispersal capacity, also on a relatively small spatial scale, is likely to prevent successful (re-)colonization in the potential habitat patches of recovering forest landscapes. By contrast, random short-range dispersal of detached vegetative fragments within populations at suitable habitat seems to be frequent. Thus, the restoration actions of spring and streamside habitats close to the populations of T. tomentella may contribute to population expansion. That, in turn, decreases the harmful effects of environmental stochasticity. Should I stay or should I go? Kasvupaikkaspesifisten maksasammalten lisääntymis- ja leviämisstrategiat Suomessa tavattavista reilusta kahdestasadasta maksasammallajista noin viidennes on metsälajeja. Pienikokoiset maksasammalet ovat erittäin herkkiä elinympäristön muutoksille, sillä ne vaativat kasvupaikoiltaan tasaisen kosteaa pienilmastoa. Lähes kolmannes näistä lajeista on luokiteltu uhanalaisiksi tai silmälläpidettäviksi elinympäristöjen tuhoutumisen tai niiden laadun heikkenemisen seurauksena. Väitöskirjatutkimuksissani selvitin vakaissa ja epävakaissa metsäisissä elinympäristöissä kasvavien maksasammalten lisääntymis- ja leviämisstrategioita. Tutkimustulosten perusteella ehdotan mahdollisia suojelutoimia ja pohdin pienialaisten suojelualueiden merkitystä elintavoiltaan erilaisten maksasammalten elinvoimaisuudelle. Tutkimuksissa käytin populaatioekologisia ja populaatiogeneettisiä menetelmiä. Kantoraippasammal (Anastrophyllum hellerianum) kasvaa laajoissa luonnontilaisissa metsissä ajallisesti ja paikallisesti rajallisella kasvualustalla, lahoavalla maapuulla, joka voidaan tulkita epävakaaksi kasvupaikaksi. Tutkimustulokseni osoittavat, että kantoraippasammal lisääntyy pääasiassa suvuttomasti, jonka tuloksena laji tuottaa runsaasti pieniä itujyväsiä. Suvuton lisääntyminen ei vaadi erityisiä olosuhteita, ja itujyväsiä tuotetaan jo hyvin pienissä versoissa. Sitä vastoin suvullinen lisääntyminen on lajilla huomattavasti harvinaisempaa, joka johtuu tiukoista populaatiorakenne- ja kasvualustavaatimuksista. Toisin kuin on aiemmin ajateltu, myös pienet suvuttomat itujyväset, itiöiden ohella, pystyvät leviämään pitkiä matkoja. Pitkäkestoiset kuivat sääolot ja ympäristön muutokset kuivempaan suuntaan rajoittavat itiöiden tuottoa ja itujyvästen irtaantumista versoistaan. Todennäköistä on, että varsinkin pienissä habitaattilaikuissa kantoraippasammalen esiintymät ovat erittäin alttiita häviämiselle sopivan kasvualustan vähyyden ja reunavaikutuksen takia. Laajoihin metsäalueisiin kohdistuvat suojelutoimet, kuten lahopuun lisääminen lajin elinvoimaisten esiintymien lähiympäristöön, lienevät tärkeimpiä suojelutoimia lajin hyväksi. Harsosammal (Trichocolea tomentella) kasvaa kosteissa ja metsäisissä kasvupaikoissa, lähteikköjen ja puronvarsien ympäristöissä, jotka ovat melko vakaita kasvupaikkoja. Lajin esiintymät ovat melko pieniä ja eristyneitä, mutta hyvinkin pitkäikäisiä elinympäristön pysyessä luonnontilaisen kaltaisena. Tutkimustulokset osoittavat, että harsosammal ylläpitää ja laajentaa kasvustojaan haaromisen ja versonkappaleiden avulla, ja lisääntyy erittäin harvoin suvullisesti. Harsosammalen esiintymät omaavat yllättävän runsaasti perinnöllistä muuntelua. Esiintymien koko tai eristyneisyysaste ei vaikuttanut perinnöllisen muuntelun määrään ja esiintymien havaittiin olevan perinnöllisesti hyvin erilaistuneita myös hyvin suppealla alueella. Siten suojelutoimia kannattaa kohdistaa tehokkaasti myös perinnöllisesti erilaistuneisiin pieniin esiintymiin suurempien esiintymien ohella. Lajin rajoittunut levintäkyky ehkäisee lajin leviämistä uusille potentiaalisille kasvupaikoille, etenkin jos esiintymien välillä on lajille sopimatonta elinympäristöä. Sen sijaan geenivirta esiintymien sisällä on satunnaista osoittaen, että irronneet versonkappaleet leviävät paikallisesti ja uusia kasvustoja syntyy suotuisan elinympäristön sisällä. Suojelutoimia tulisikin kohdentaa nykyisten esiintymien läheisyyteen, jotta esiintymien koko kasvaisi. Tällöin esiintymien herkkyys ympäristön satunnaisille muutoksille vähenisi.

The parasitic wasps are one of the largest insect groups and their life histories are remarkably variable. Common to all parasitic wasps is that they kill their hosts, which are usually beetles, butterflies and sometimes spiders. Hosts are often at a larval or pupal stage and live in concealed conditions, such as in plant tissue. Parasitic wasps have two main ways of finding their host. 1) They can detect chemical compounds emitted by damaged plant material or released by larvae living in plant tissue, and 2) detect the larvae by sound vibrations. Even though pupae are immobile and silent, and therefore do not cause vibration, parasitoids have, however, adapted to find passive developmental stages by producing vibration themselves by knocking the substrate with their antennae, and then detecting the echoes with their legs. This echolocation allows a parasitoid to locate its potential hosts that are deeply buried in wood. This study focuses on the relationships of the subfamily Cryptinae (Hymenoptera: Ichneumonidae) and related taxa, and the evolution of host location mechanism. There are no earlier studies of the phylogeny of the Cryptinae, and the position of related taxa are unclear. According to the earlier classification, which is entirely intuitional, the Cryptinae is divided into three tribes: Cryptini, Hemigasterini and Phygadeuontini. Further, these tribes are subdiveded into numerous subtribes. This work, based on molecular characters, shows that the cryptine tribes Cryptini, Phygadeuon¬tini and Hemigasterini come out largely as monophyletic groups, thus agreeing with the earlier classification. The earlier subtribal classification had no support. In addition, it is shown that modified antennal structures are associated with host usage of wood-boring coleopteran hosts. The cryptines have a clear modification series on their antennal tips from a simply tip to a hammer-like structure. The species with strongly modified antennae belong mostly to the tribe Cryptini and they utilise wood-boring beetles as hosts. Also, field observations on insect behaviour support this result. Loispistiäiset ovat yksi suurimmista ja elintavoiltaan vaihtelevimmista hyönteisryhmistä. Ne ovat parasitoideja, sillä ne tappavat isäntäeläimensä. Tyypillisiä isäntiä ovat muut hyönteiset, erityisesti kovakuoriaiset ja perhoset, mutta toisinaan myös hämähäkit. Parasitoidit hyökkäävät tavallisesti kasviaineksessa elävien toukka- tai kotelovaiheen hyönteisten kimppuun. Loispistiäisille on kehittynyt useita tapoja löytää isäntäeläin, näköaistinsa lisäksi ne voivat aistia vahingoittuneesta kasviaineksesta vapautuvia yhdisteitä tai tunnistaa toukasta erittyviä kemikaaleja. Osa loispistiäisistä kykenee paikallistamaan puun sisällä elävän toukan tunnistamalla sen aiheuttaman värinän puun pinnassa. Parasitoideilla voi olla jaloissaan tätä tarkoitusta varten olevia värinää aistivia elimiä. Passiivisessa kotelovaiheessa oleva hyönteinen ei kuitenkaan liiku eikä sitä voida paikallistaa värähtelyjen perusteella. Kotelossa olevat hyönteiset eivät kuitenkaan ole turvassa loisilta, joille on kehittynyt kyky löytää liikkumattomia isäntiä. Loispistiäiset naputtelevat puun pintaa tuntosarvillaan ja vastaanottavat siitä aiheutuvat kaiut jaloissa olevilla elimillään. Syvällä puuaineksessa elävä isäntä voidaan siis paikallistaa kaikuluotauksen avulla. Tässä tutkimuksessa keskitytään Cryptinae-alaheimon loispistiäisiin, niiden sukulaisuussuhteisiin ja isännän paikallistamisen evoluutioon. Cryptinae-loispistiäisten kehityshistoriasta ei ole aiempia tutkimuksia eikä suhde läheisiin pistiäisryhmiin ole selkeä. Aiemmin käytössä oleva luokittelu on perustunut subjektiiviseen käsitykseen, jonka mukaan alaheimo jakautuu kolmeen erilliseen ryhmään (Cryptini, Hemigasterini ja Phygadeuontini) sekä lukuisiin alaryhmiin. Väitöskirjatyössäni osoitan Cryptinae-loispistiäisten muodostavan evolutiivisesti yhtenäisen ryhmän, jolla on yhteinen kantamuoto. Ryhmän sisäiset suhteet ovat pääpiirteissään yhteneväiset aiemman luokittelun kanssa muodostaen kolme erillistä ryhmää, mutta sukutason luokittelu poikkeaa huomattavasti aiemmasta. Uusi sukupuu ryhmän kehityshistoriasta perustuu DNA:ssa oleviin molekyylituntomerkkeihin. Lisäksi osoitan, että tuntosarvien muuntunut, naputteluun sopiva rakenne on sopeuma puun sisällä elävien kovakuoriaistoukkien paikallistamiseen. Cryptinae-loispistiäisillä on havaittavissa selkeä kehityssarja, jossa tuntosarven pää on muuntunut suippokärkisestä laajaan yhtenäisen pinnan muodostavaan rakenteeseen. Muuntunut rakenne oli niillä Cryptini-tribuksen lajeilla, joiden kovakuoriaisisännät elävät puun sisällä. Tätä tukevat myös tutkimuksen kenttähavainnot hyönteisten käyttäytymisestä.

Wood decay fungi belonging to the species complex Heterobasidion annosum sensu lato are among the most common and economically important species causing root rot and stem decay in conifers of the northern temperate regions. New infections by these pathogens can be suppressed by tree stump treatments using chemical or biological control agents. In Finland, the corticiaceous fungus Phlebiopsis gigantea has been formulated into a commercial biocontrol agent called Rotstop (Verdera Ltd.). This thesis addresses the ecological impacts of Rotstop biocontrol treatment on the mycoflora of conifer stumps. Locally, fungal communities within Rotstop-treated and untreated stumps were analyzed using a novel method based on DGGE profiling of small subunit ribosomal DNA fragments amplified directly from wood samples. Population analyses for P. gigantea and H. annosum s.l. were conducted to evaluate possible risks associated with local and/or global distribution of the Rotstop strain. Based on molecular community profiling by DGGE, we detected a few individual wood-inhabiting fungal species (OTUs) that seemed to have suffered or benefited from the Rotstop biocontrol treatment. The DGGE analyses also revealed fungal diversity not retrieved by cultivation and some fungal sequence types untypical for decomposing conifer wood. However, statistical analysis of DGGE community profiles obtained from Rotstop-treated and untreated conifer stumps revealed that the Rotstop treatment had not caused a statistically significant reduction in the species diversity of wood-inhabiting fungi within our experimental forest plots. Locally, ISSR genotyping of cultured P. gigantea strains showed that the Rotstop biocontrol strain was capable of surviving up to six years within treated Norway spruce stumps, while in Scots pine stumps it was sooner replaced by successor fungal species. In addition, the spread of resident P. gigantea strains into Rotstop-treated forest stands seemed effective in preventing the formation of genetically monomorphic populations in the short run. On a global scale, we detected a considerable level of genetic differentiation between the interfertile European and North American populations of P. gigantea. These results strongly suggest that local biocontrol strains should be used in order to prevent global spread of P. gigantea and hybrid formation between geographically isolated populations. The population analysis for H. annosum s.l. revealed a collection of Chinese fungal strains that showed a high degree of laboratory fertility with three different allopatric H. annosum s.l. taxa. However, based on the molecular markers, the Chinese strains could be clearly affiliated with the H. parviporum taxonomical cluster, which thus appears to have a continuous distribution range from Europe through southern Siberia to northern China. Keywords: Rotstop, wood decay, DGGE, ISSR fingerprinting, ribosomal DNA Juurikäävän biologisen torjunnan vaikutukset lahopuun sienilajiston monimuotoisuuteen Juurikääpien sukuun kuuluvat lahottajasienet (Heterobasidion spp.) ovat taloudellisesti merkittävin havupuiden juuri- ja tyvilahon aiheuttaja Pohjois-Euroopassa. Juurikääpätartuntoja voidaan kuitenkin estää tehokkasti hyödyntämällä juurikäävälle antagonistista harmaaorvakkasientä (Phlebiopsis gigantea), josta on Suomen oloihin kehitetty biologinen kantokäsittelyaine, Rotstop (Verdera Oy). Tämä tutkimuskokonaisuus käsittelee harmaaorvakkakäsittelyn vaikutuksia havupuun kannoissa esiintyvän sienilajiston monimuotoisuuteen. Työn puitteissa kehitettiin menetelmä, jolla ympäristönäytteiden sienilajistoa voidaan tarkastella suoraan lahosta puuaineksesta kullekin sienilajille ominaisten ribosomaalisten merkkimolekyylien (SSU rDNA) monistuksen ja DGGE-analyysin perusteella. Tutkimuksessa osoitettiin lahopuusta suoraan eristettyjen DNA-näytteiden paljastavan lajistoa, jota ei tavoitettu vertailevassa viljelyanalyysissä. Rotstopilla käsiteltyjä ja käsittelemättömiä kantoja vertailtaessa osa lajistosta näytti hyötyvän tai kärsivän käsittelystä, mutta sienidiversiteetin yleistasossa ei kuitenkaan havaittu tilastollisesti merkitsevää laskua käsitellyillä koealoilla. Harmaaorvakan osalta kantokäsittelyn vaikutuksia paikallisten populaatioiden monimuotoisuuteen tarkasteltiin havupuiden kannoista eristetyistä puhdasviljelmistä vertaillen Rotstopilla käsiteltyjä sekä käsittelemättömiä koealoja. ISSR-merkkimolekyylien perusteella voitiin todentaa Rotstop-genotyypin säilyminen kuusen kannoissa kuusi vuotta käsittelyn jälkeen sekä leviäminen myös saman koealan käsittelemättömiin kantoihin. Toisaalta Rotstop-kannan ei havaittu levinneen samoilta koealoilta viiden vuoden kuluttua käsittelystä kaadettujen puiden kantoihin. Lisäksi harmaaorvakan luontainen levintä käsitellyille koealoille näytti estävän tehokkaasti perinnöllisesti monomorfisen populaation syntymisen lyhyellä aikavälillä. Harmaaorvakkasienen lajinsisäisen muuntelun tasoa selvitettäessä havaittiin selvä maantietellinen erilaistuminen sienen eurooppalaisten ja pohjois-amerikkalaisten populaatioiden välillä. Tulosten perusteella biologiseen torjuntaan tulisi käyttää ainoastaan paikallisia harmaaorvakkakantoja, jotta voidaan välttyä geneettisen aineksen siirtymiseltä ja mahdollisten hybridikantojen muodostumiselta. Juurikäävän populaatioanalyysin perusteella voitiin osoittaa Kiinasta peräisin olevien juurikääpäkantojen kuuluvan samaan taksonomiseen ryhmään kuin eurooppalainen kuusenjuurikääpä (H. parviporum). Siten tällä patogeenilajilla näyttäisi olevan katkeamaton levinneisyys ulottuen Euroopasta Etelä-Siperian kautta aina pohjoiseen Kiinaan asti. Asiasanat: Harmaaorvakka, Rotstop, kantokäsittely, juuri- ja tyvilaho, DGGE, diversiteetti

Tropospheric ozone (O3) is one of the most common air pollutants in industrialized countries, and an increasing problem in rapidly industrialising and developing countries in Asia, Africa and South America. Elevated concentrations of tropospheric O3 can lead to decrease in photosynthesis rate and therefore affect the normal metabolism, growth and seed production. Acute and high O3 episodes can lead to extensive damage leading to dead tissue in plants. Thus, O3 derived growth defects can lead to reduction in crop yield thereby leading to economical losses. Despite the extensive research on this area, many questions remain open on how these processes are controlled. In this study, the stress-induced signaling routes and the components involved were elucidated in more detail starting from visual damage to changes in gene expression, signaling routes and plant hormone interactions that are involved in O3-induced cell death. In order to elucidate O3-induced responses in Arabidopsis, mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling was studied using different hormonal signaling mutants. MAPKs were activated at the beginning of the O3 exposure. The activity of MAPKs, which were identified as AtMPK3 and AtMPK6, reached the maximum at 1 and 2 hours after the start of the exposure, respectively. The activity decreased back to clean air levels at 8 hours after the start of the exposure. Both AtMPK3 and AtMPK6 were translocated to nucleus at the beginning of the O3 exposure where they most likely affect gene expression. Differences were seen between different hormonal signaling mutants. Functional SA signaling was shown to be needed for the full protein levels and activation of AtMPK3. In addition, AtMPK3 and AtMPK6 activation was not dependent on ethylene signaling. Finally, jasmonic acid was also shown to have an impact on AtMPK3 protein levels and AtMPK3 activity. To further study O3-induced cell death, an earlier isolated O3 sensitive Arabidopsis mutant rcd1 was mapped, cloned and further characterized. RCD1 was shown to encode a gene with WWE and ADP-ribosylation domains known to be involved in protein-protein interactions and cell signaling. rcd1 was shown to be involved in many processes including hormonal signaling and regulation of stress-responsive genes. rcd1 is sensitive against O3 and apoplastic superoxide, but tolerant against paraquat that produces superoxide in chloroplast. rcd1 is also partially insensitive to glucose and has alterations in hormone responses. These alterations are seen as ABA insensitivity, reduced jasmonic acid sensitivity and reduced ethylene sensitivity. All these features suggest that RCD1 acts as an integrative node in hormonal signaling and it is involved in the hormonal regulation of several specific stress-responsive genes. Further studies with the rcd1 mutant showed that it exhibits the classical features of programmed cell death, PCD, in response to O3. These include nuclear shrinkage, chromatin condensation, nuclear DNA degradation, cytosol vesiculation and accumulation of phenolic compounds and eventually patches of HR-like lesions. rcd1 was found to produce extensive amount of salicylic acid and jasmonic acid in response to O3. Double mutant studies showed that SA independent and dependent processes were involved in the O3-induced PCD in rcd1 and that increased sensitivity against JA led to increased sensitivity against O3. Furthermore, rcd1 had alterations in MAPK signature that resembled changes that were previously seen in mutants defective in SA and JA signaling. Nitric oxide accumulation and its impact on O3-induced cell death were also studied. Transient accumulation of NO was seen at the beginning of the O3 exposure, and during late time points, NO accumulation coincided with the HR-like lesions. NO was shown to modify defense gene expression, such as, SA and ethylene biosynthetic genes. Furthermore, rcd1 was shown to produce more NO in control conditions. In conclusion, NO was shown to be involved in O3-induced signaling leading to attenuation of SA biosynthesis and other defense related genes. Tämän väitöstyön tarkoituksena oli tutkia kasvien signaalinvälitystä solukuoleman eri vaiheissa. Otsoni (O3) on yksi maailman yleisimmistä ilmansaasteista teollistuneissa maissa ja kasvava ongelma myös kehittyvissä maissa. Kohonneet alailmakehän O3-pitoisuudet johtavat yhteyttämiskyvyn alenemiseen ja sitä kautta heikentävät kasvien kasvua ja siementuottoa. Äkilliset, korkeat O3-pitoisuudet puolestaan voivat aiheuttaa laajoja vaurioita, jotka lopulta johtavat solukon kuolemaan ja siten aiheuttavat satotappioita. Vielä ei tiedetä, miten otsonin aiheuttama solukuolema alkaa ja etenee, ja miten näitä prosesseja säädellään. Väitöstutkimukseni tarkoituksena olikin selvittää yksityiskohtaisesti otsonin aiheuttaman stressin signaalireittejä ja solukuoleman muodostumiseen osallistuvia tekijöitä. Väitöskirjassani solukuolema-ilmiötä tutkittiin usealla tasolla lähtien näkyvistä vaurioista aina muutoksiin geenien ilmentymisessä, signalointiverkostoissa sekä kasvihormonien pitoisuuksissa. Väitöstyössä käytettiin materiaalina mallikasvi lituruohoa (Arabidopsis thaliana), jonka koko genomi tunnetaan. Otsonin aiheuttamia vasteita tutkittiin käyttäen lituruohoa ja sen eri mutantteja. MAPK (mitogen-activated protein kinase) signalointia tutkittiin käyttäen hormonisignalointi-mutanteja, joiden kyky siirtää signaalia kasvissa eteenpäin on muuttunut. MAP kinaasit aktivoituivat heti O3 käsittelyn alussa. Tarkempien tutkimusten perusteella havainnoitiin, että AtMPK3 ja AtMPK6 proteiinit siirtyivät tumaan, missä ne ilmeisesti vaikuttivat geenien ilmenemiseen. Eri hormonisignalointi-mutantit erosivat toisistaan vasteiltaan, mikä osoitti että hormonisignalointi on tärkeä osa O3-MAPK -vasteissa. Otsonin aiheuttamaa solukuolemaa tutkittiin myös otsoniherkän lituruohomutantin rcd1: n (radical-induced cell death1) avulla. Ensin rcd1 mutaatio kartoitettiin ja karakterisoitiin tarkasti. RCD1 geenin havaittiin koodaavan tuntematonta proteiinia. Sekvenssianalyysien perusteella geenissä tunnistettiin WWE- ja ADP-ribosylaatio-osat, joiden tiedetään liittyvän proteiinien väliseen kanssakäymiseen sekä signalointiin solun sisällä. rcd1 mutantilla oli myös muuttunut superoksidiherkkyys verrattuna villityyppiin. Lisäksi rcd1:llä oli muutoksia hormoni- ja sokerivasteissa sekä hormonien tuotossa. Nämä muutokset viittaavat siihen, että RCD1 toimii hormonisignalointireittien solmukohdassa säädellen laajalti hormonisignalointia ja geenejä, jotka ovat tärkeitä stressivasteissa. Väitöstyössäni tutkittiin myös typpioksidin (NO) muodostumista lituruoholla ja sen vaikutuksia otsonin aiheuttamaan solukuolemaan. NO on tunnettu signalointimolekyyli, jonka roolia solukuoleman muodostumisessa ei vielä tunneta. O3-altistuksen alussa nähtiin nopea, tilapäinen NO:n muodostuminen, minkä lisäksi myöhemmissä aikapisteissä havaittiin NO:n muodostumista solukuolema-alueilla. NO:n havaittiin vaikuttavan sekä kasvien puolustukseen että hormonien biosynteesiin osallistuvien geenien ilmenemiseen. Lisäksi NO:n näytettiin osallistuvan otsonin aiheuttamaan signalointiin, mikä johti muutoksiin tiettyjen kasvin puolustautumiseen osallistuvien geenien ilmenemisessä. Nämä tutkimukset osoittivat, että NO:lla on tärkeä rooli solukuoleman muodostumisessa.

In most non-mammalian vertebrates, such as fish and reptiles, teeth are replaced continuously. However, tooth replacement in most mammals, including human, takes place only once and further renewal is apparently inhibited. It is not known how tooth replacement is genetically regulated, and little is known on the physiological mechanism and evolutionary reduction of tooth replacement in mammals. In this study I have attempted to address these questions. In a rare human condition cleidocranial dysplasia, caused by a mutation in a Runt domain transcription factor Runx2, tooth replacement is continued. Runx2 mutant mice were used to investigate the molecular mechanisms of Runx2 function. Microarray analysis from dissected embryonic day 14 Runx2 mutant and wild type dental mesenchymes revealed many downstream targets of Runx2, which were validated using in situ hybridization and tissue culture methods. Wnt signaling inhibitor Dkk1 was identified as a candidate target, and in tissue culture conditions it was shown that Dkk1 is induced by FGF4 and this induction is Runx2 dependent. These experiments demonstrated a connection between Runx2, FGF and Wnt signaling in tooth development and possibly also in tooth replacement. The role of Wnt signaling in tooth replacement was further investigated by using a transgenic mouse model where Wnt signaling mediator β-catenin is continuously stabilized in dental epithelium. This stabilization led to activated Wnt signaling and to the formation of multiple enamel knots. In vitro and transplantation experiments were performed to examine the process of extra tooth formation. We showed that new teeth were continuously generated and that new teeth form from pre-existing teeth. A morphodynamic activator-inhibitor model was used to simulate enamel knot formation. By increasing the intrinsic production rate of the activator (β-catenin), the multiple enamel knot phenotype was reproduced by computer simulations. It was thus concluded that β-catenin acts as an upstream activator of enamel knots, closely linking Wnt signaling to the regulation of tooth renewal. As mice do not normally replace teeth, we used other model animals to investigate the physiological and genetic mechanisms of tooth replacement. Sorex araneus, the common shrew was earlier reported to have non-functional tooth replacement in all antemolar tooth positions. We showed by histological and gene expression studies that there is tooth replacement only in one position, the premolar 4 and that the deciduous tooth is diminished in size and disappears during embryogenesis without becoming functional. The growth rates of deciduous and permanent premolar 4 were measured and it was shown by competence inference that the early initiation of the replacement tooth in relation to the developmental stage of the deciduous tooth led to the inhibition of deciduous tooth morphogenesis. It was concluded that the evolutionary loss of deciduous teeth may involve the early activation of replacement teeth, which in turn suppress their predecessors. Mustela putorius furo, the ferret, has a dentition that resembles that of the human as ferrets have teeth that belong to all four tooth families, and all the antemolar teeth are replaced once. To investigate the replacement mechanism, histological serial sections from different embryonic stages were analyzed. It was noticed that tooth replacement is a process which involves the growth and detachment of the dental lamina from the lingual cervical loop of the deciduous tooth. Detachment of the deciduous tooth leads to a free successional dental lamina, which grows deeper into the mesenchyme, and later buds the replacement tooth. A careful 3D analysis of serial histological sections was performed and it was shown that replacement teeth are initiated from the successional dental lamina and not from the epithelium of the deciduous tooth. The molecular regulation of tooth replacement was studied and it was shown by examination of expression patterns of candidate regulatory genes that BMP/Wnt inhibitor Sostdc1 was strongly expressed in the buccal aspect of the dental lamina, and in the intersection between the detaching deciduous tooth and the successional dental lamina, suggesting a role for Sostdc1 in the process of detachment. Shh was expressed in the enamel knot and in the inner enamel epithelium in both generations of teeth supporting the view that the morphogenesis of both generations of teeth is regulated by similar mechanisms. In summary, histological and molecular studies on different model animals and transgenic mouse models were used to investigate tooth replacement. This thesis work has significantly contributed to the knowledge on the physiological mechanisms and molecular regulation of tooth replacement and its evolutionary suppression in mammals. Monilla alemmilla selkärankaisilla, kuten kaloilla ja liskoilla, hampaat uusiutuvat läpi elämän ja uusia hampaita kasvaa pudonneiden ja vioittuneiden hampaiden tilalle sekä leuan kasvaessa. Nisäkkäillä, kuten ihmisellä, hampaiden jatkuva uusiutuminen on kuitenkin estetty ja useimmilla nisäkkäillä kehittyy vain kahdet hampaat, primääriset maitohampaat ja sekundääriset pysyvät hampaat. Ei tiedetä kuinka hampaiden uusiutuminen on geneettisesti säädeltyä ja myös pysyvien hampaiden kehityksen histologinen mekanismi tunnetaan huonosti. Syitä hampaiden uusiutumisen vähenemiseen evoluutiossa ei tiedetä. Väitöskirjassani olen yrittänyt löytää vastauksia näihin kysymyksiin. On olemassa syndrooma, kleidokraniaalinen dysplasia, jossa potilaiden hampaiden uusiutuminen jatkuu. Tämän syndrooman aiheuttaa mutaatio Runx2 geenissä. Käyttämällä Runx2 muuntogeenistä hiirtä, kudosviljely ja in situ hybridisaatio tekniikoita tutkin Runx2 geenin säätelemiä geenejä. Osoitin, että Wnt signaalipolun estäjä Dickkopf1 geenin ilmentyminen puuttui kokonaan Runx2 muuntogeenisen hiiren kehittyvän hampaan aiheessa. Kudosviljelyolosuhteissa osoitin, että FGF4 proteiini indusoi Dickkopp1 geeniä hampaan mesenkyymikudoksessa ja tämä ilmentyminen oli Runx2 geenistä riippuvainen. Nämä kokeet osoittivat, että Runx2, FGF ja Wnt signaalipolut toimivat ainakin osittain yhdessä hampaan kehityksen aikana. Koska Runx2 geeni vaikuttaa myös primäärihampaiden kehityksen säätelyyn ja homotsygootilla muuntogeenisellä hiirellä primäärihampaiden kehitys pysähtyy jo varhaisessa lakki vaiheessa eikä uusia hampaita pääse syntymään, en pystynyt tällä hiiri mallilla tutkimaan hampaiden uusiutumisen mekanismia. Pohdin, että nämä samat signaalimekanismit, FGF ja Wnt, voivat säädellä myös pysyvien hampaiden kehitystä yhdessä Runx2 geenin kanssa. Täten halusin tutkia tarkemmin Wnt signaalipolkua hampaan uusiutumisessa. Myös aikaisempien tutkimustulosten perusteella Wnt signaalipolun on osoitettu liittyvän hampaiden uusiutumiseen. On osoitettu, että Axin2 geenin mutaatio ihmisillä aiheuttaa hampaiden puutosta erityisesti pysyvissä hampaissa. Axin2 on Wnt signaalipolkuun kuuluva estäjä, jonka omaa pitoisuutta solussa Wnt signaalipolku myös säätelee. Tutkimuksessani käytin hiirimallia, missä Wnt signaalipolun välittäjä Beta-kateniini on jatkuvasti aktiivinen hiiren kehittyvän hampaan epiteelikudoksessa. Lisäämällä Beta-kateniini geenin aktiivisuutta hiiren hampaan epiteelikudoksessa, Wnt signaalipolku stimuloitui ja tämä johti hampaiden jatkuvaan uusiutumiseen. Tämä tulos osoitti, että olen löytänyt hampaiden uusiutumista säätelevän geenin, jonka aktiivisuutta lisäämällä sain nisäkkäillä aikaan hampaiden jatkuvaa uusiutumista. Lisäksi näiden muuntogeenisten hampaiden muoto muistutti kalojen tai liskojen yksinkertaisia kartiomaisia hampaita. Tämä viittaa siihen, että Beta-kateniini geenillä on ollut mahdollisesti rooli myös hampaiden muodon kehityksessä monimutkaisemmaksi, nisäkkäiden moninystermäisiksi hampaiksi, samalla kun hampaiden uusiutuminen evoluutiossa väheni. Koska hiiret eivät normaalisti uusi hampaitaan, yritin löytää mallieläimen jolla pysyvien hampaiden kehityksen morfologista ja molekulaarista kehitystä voisi tutkia. Käytin mallieläimenä metsäpäästäistä (Sorex araneus). Aikaisemmin on osoitettu, että metsäpäästäiselle kehittyy kaksi hampaistoa, joista kuitenkaan maitohampaat eivät koskaan puhkea, vaan häviävät yksilönkehityksen aikana. Histologisilla leikkeillä, mittausmenetelmillä ja in situ hybridisaatio tekniikoilla osoitin, että vain yhdessä kohtaa hammasrivistöä tapahtui hampaiden uusiutumista. Osoitin, että maitohampaan kehitys pysähtyi varhaisessa vaiheessa ja se hävisi yksilönkehityksen aikana ennen syntymää. Mittasin maito- ja pysyvän hampaan kasvunopeudet ja osoitin, että päästäisen pysyvä hammas alkaa kehittyä niin varhaisessa vaiheessa, että se estää maitohampaan kasvun. Nämä tulokset viittaavat siihen, että hampaiden evolutiiviseen häviämiseen liittyy pysyvien hampaiden kehityksen varhainen aktivaatio, joka estää sitä edeltävän maitohampaan kehityksen. Koska päästäisellä vain pysyvät hampaat puhkeavat ja vain yhden hampaan kohdalla tapahtui uusiutumista, halusin löytää mallieläimen jolla myös maitohampaat puhkeavat ja ovat toimivat, ja jonka hampaisto muistuttaisi enemmän ihmisen hampaistoa. Hilleri (Mustela putorius furo) osoittautui sopivaksi mallieläimeksi. Hillerillä kehittyvät sekä maitohampaat että pysyvät hampaat ja hampaiden lukumäärä on lähes sama kuin ihmisellä. Histologisien leikkeiden, in situ hybridisaatio tekniikoiden ja 3D mallien avulla tutkin hillerin hampaiden kehitystä. Huomasin, että pysyvien hampaiden kehitys on tapahtuma, jossa hammaslamina on ajallisesti vain väliaikaisesta osa primäärihammasta ja hampaan uusiutumisen aikana hammaslamina kasvaa ja eroaa maitohampaan kielenpuoleisesta epiteelistä. Hammaslaminan irtoaminen maitohampaasta johtaa vapaaseen hammaslaminaan, joka kasvaa syvemmälle mesenkyymikudokseen ja myöhemmin aktivoituu silmikoimaan pysyvän hampaan. 3D analyysin avulla osoitin, että pysyvät hampaat kehittyvät hammaslaminasta eivätkä maitohampaan epiteelistä. Tutkin myös pysyvien hampaiden kehityksen molekulaarista säätelyä ja geenien ilmentymiskuvioita. Osoitin, että Wnt/BMP signaalipolkujen estäjä molekyyli Sostdc1 ilmentyi voimakkaasti juuri irtoavan hammaslaminan ja maitohampaan välissä, sekä hammaslaminan poskenpuoleisellla reunalla, viitaten siihen että Sostdc1 geeni vaikuttaa mahdollisesti hammaslaminan irtoamiseen primäärihampaasta ja täten sillä olisi keskeinen rooli pysyvien hampaiden kehityksessä. Shh geeni ilmentyi myös pysyvien hampaiden signaalikeskuksessa ja sisäepiteelissä, viitaten siihen, että sekä maito-, että pysyvien hampaiden morphogeneesiä säädellään samanlaisin mekanismein. Nämä tulokset viittaavat siihen, että hammaslamina on hampaiden uusiutumisen säätelyssä avainkudos, jota aktivoimalla mahdollistetaan uusien hampaiden kehitys. Tämä väitöskirja on tuonut huomattavasti uutta tietoa hampaiden uusiutumisen histologisista ja molekulaarisista säätelymekanismeista sekä hampaiden uusiutumisen vähentymisestä evoluution aikana. Tutkimukseni perusteella voidaan olettaa, että ihmisilläkin näyttäisi säilyneen potentiaali hampaiden jatkuvaan uusiutumiseen. Tätä tietoa voidaan mahdollisesti käyttää tulevaisuudessa lääketieteellisiin sovelluksiin.

The diversity of functions of eukaryotic cells is preserved by enclosing different enzymatic activities into membrane-bound organelles. Separation of exocytic proteins from those which remain in the endoplasmic reticulum (ER) casts the foundation for correct compartmentalization. The secretory pathway, starting from the ER membrane, operates by the aid of cytosolic coat proteins (COPs). In anterograde transport, polymerization of the COPII coat on the ER membrane is essential for the ER exit of proteins. Polymerization of the COPI coatomer on the cis-Golgi membrane functions for the retrieval of proteins from the Golgi for repeated use in the ER. The COPII coat is formed by essential proteins; Sec13/31p and Sec23/24p have been thought to be indispensable for the ER exit of all exocytic proteins. However, we found that functional Sec13p was not required for the ER exit of yeast endogenous glycoprotein Hsp150 in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Hsp150 turned out to be an ATP phosphatase. ATP hydrolysis by a Walker motif located in the C-terminal domain of Hsp150 was an active mediator for the Sec13p and Sec24p independent ER exit. Our results suggest that in yeast cells a fast track transport route operates in parallel with the previously described cisternal maturation route of the Golgi. The fast track is used by Hsp150 with the aid of its C-terminal ATPase activity at the ER-exit. Hsp150 is matured with a half time of less than one minute. The cisternal maturation track is several-fold slower and used by other exocytic proteins studied so far. Operative COPI coat is needed for ER exit by a subset of proteins but not by Hsp150. We located a second active determinant to the Hsp150 polypeptide s N-terminal portion that guided also heterologous fusion proteins out of the ER in COPII coated vesicles under non-functional COPI conditions for several hours. Our data indicate that ER exit is a selective, receptor-mediated event, not a bulk flow. Furthermore, it suggests the existence of another retrieval pathway for essential reusable components, besides the COPI-operated retrotransport route. Additional experiments suggest that activation of the COPI primer, ADP ribosylation factor (ARF), is essential also for Hsp150 transport. Moreover, it seemed that a subset of proteins directly needed activated ARF in the anterograde transport to complete the ER exit. Our results indicate that coat structures and transport routes are more variable than it has been imagined. Aitotumallisessa solussa toiminnat osastoituvat rasvakalvojen rajaamiin jaoksiin, joissa on runsaasti kalvonläpäiseviä sekä liukoisia valkuaisaineita eli proteiineja. Niiden laadulla, määrällä ja sijainnilla on perustavaa laatua oleva vaikutus solun hyvinvoinnille ja kommunikoinnille elinympäristössään. Proteiinin sijoitusprosessi alkaa aminohappoketjun rakentuessa solulimakalvostoon. Laskostuttuaan oikeaan muotoon se erotetaan solulimakalvostoon jäävistä proteiineista kalvon ulkopuolelle rakentuvan proteiinikuoren (COPII) yhteyksillä kalvoproteiineihin. Liukoiset erittyvät proteiinit tunnistetaan ja lajitellaan välittäjäaineen avulla. COPII-kuori kuroo proteiineja sisältävän rasvarakkulan irti solukalvostosta ja se sulautuu seuraavaan osastoon Golgin laitteeseen. Golgista proteiinit kuljetetaan toimintakohteeseensa. Tätä tapahtumaa kutsutaan eritysreitiksi. Toinen kuorijärjestelmä, COPI, toimii uudelleen käytettävien osien, kuten välittäjäaineiden palautuksessa takaisin solulimakalvostoon. Olemme tutkineet perusaitotumallisen solun, leivinhiivan liukoisen proteiinin Hsp150:n kuljetusvaihtoehtoja solulimakalvoston ja Golgin laitteen välillä käyttämällä ylälämpötiloissa toimimattomia kuoriproteiinimuotoja. Havaitsimme, että Hsp150-proteiinissa on kaksi ominaisuutta, mitkä ohjaavat sen ulos solulimakalvostosta. Hsp150:n loppupäässä on alue, joka purkaa korkeaenergistä yhdistettä, ATP:tä. Tätä ominaisuutta Hsp150 tarvitsee kulkeakseen reitillä, mikä toimii osan COPII kuoresta (sec13-1, sec24-1) ollessa toimimaton, muiden proteiinien jäädessä solulimakalvostoon. Solulimakalvostosta poistuminen on aktiivista ja valikoivaa, sillä Hsp150 loppupäähän liitettynä muutoin erittymätön testiproteiini erittyi COPII mutanteissa. Lisäksi Hsp150:n kuljetusvauhti solulimakalvostosta läpi Golgin laitteen on nopeampi kuin muiden tutkittujen proteiinien, mikä viittaa toisenlaiseen Golgin läpi kuljetukseen kuin aiemmin hiivassa tunnettu Golgin osastojen kypsymisreitti (cisternal maturation). Kun takaisinkuljetuskuori COPI on toimimaton, Hsp150:n aminohappoketjun keskellä toistuvista aminohapoista rakentuva alue auttaa proteiinia poistumaan solusta useita tunteja. Solulimakalvostosta poistuminen COPII kuoren avulla täytyy jälleen kerran tapahtua välittäjäaineen avulla, koska kuljetus on valikoivaa, osa solun erittyvistä proteiineista jää solulimakalvostoon. Koska Hsp150 kuljetus jatkuu tunteja toimimattomassa COPI-palautusolosuhteissa, solussa on ilmeisesti toinen solulimakalvostoon palauttava reitti. Tuloksemme viittaavat, että syy proteiinien kuljetuksen estymiseen solulimakalvostosta COPI-kuoren ollessa toimimaton saattaa olla estynyt eteenpäin kuljetus, eikä seurannaisvaikutus takaisinkuljetuksen estymisestä. Tutkimuksemme osoittaa hiivasolun proteiinikuljetusreittien olevan monimutkaisempi kuin aiemmin ajateltiin.

Bone is a mineralized tissue that enables multiple mechanical and metabolic functions to be carried out in the skeleton. Bone contains distinct cell types: osteoblasts (bone-forming cells), osteocytes (mature osteoblast that embedded in mineralized bone matrix) and the osteoclasts (bone-resorbing cells). Remodelling of bone begins early in foetal life, and once the skeleton is fully formed in young adults, almost all of the metabolic activity is in this form. Bone is constantly destroyed or resorbed by osteoclasts and then replaced by osteoblasts. Many bone diseases, i.e. osteoporosis, also known as bone loss, typically reflect an imbalance in skeletal turnover. The cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and the cyclic guanosine monophosphate (cGMP) are second messengers involved in a variety of cellular responses to such extracellular agents as hormones and neurotransmitters. In the hormonal regulation of bone metabolism, i.e. via parathyroid hormone (PTH), parathyroid hormone-related peptide (PTHrp) and prostaglandin E2 signal via cAMP. cAMP and cGMP are formed by adenylate and guanylate cyclases and are degraded by phosphodiesterases (PDEs). PDEs determine the amplitudes of cyclic nucleotide-mediated hormonal responses and modulate the duration of the signal. The activities of the PDEs are regulated by multiple inputs from other signalling systems and are crucial points of cross-talk between the pathways. Food-derived bioactive peptides are reported to express a variety of functions in vivo. The angiotensin-converting enzymes (ACEs) are involved in the regulation of the specific maturation or degradation of a number of mammalian bioactive peptides. The bioactive peptides offer also a nutriceutical and a nutrigenomic aspect to bone cell biology. The aim of this study was to investigate the influence of PDEs and bioactive peptides on the activation and the differentiation of human osteoblast cells. The profile of PDEs in human osteoblast-like cells and the effect of glucocorticoids on the function of cAMP PDEs, were investigated at the mRNA and enzyme levels. The effects of PDEs on bone formation and osteoblast gene expression were determined with chemical inhibitors and siRNAs (short interfering RNAs). The influence of bioactive peptides on osteoblast gene expression and proliferation was studied at the mRNA and cellular levels. This work provides information on how PDEs are involved in the function and the differentiation of osteoblasts. The findings illustrate that gene-specific silencing with an RNA interference (RNAi) method is useful in inhibiting, the gene expression of specific PDEs and further, PDE7 inhibition upregulates several osteogenic genes and increases bALP activity and mineralization in human mesenchymal stem cells-derived osteoblasts. PDEs appear to be involved in a mechanism by which glucocorticoids affect cAMP signaling. This may provide a potential route in the formation of glucocorticoid-induced bone loss, involving the down-regulation of cAMP-PDE. PDEs may play an important role in the regulation of osteoblastic differentiation. Isoleucine-proline-proline (IPP), a bioactive peptide, possesses the potential to increase osteoblast proliferation, differentiation and signalling. Monet luusairaudet, kuten osteoporoosi, johtuvat epätasapainosta luun uusiutumiskierrossa. Luusairauksien ehkäisemiseksi ja hoitamiseksi on tärkeää ymmärtää niitä tekijöitä, jotka säätelevät luukudoksen aineenvaihduntaa ja fysiologiaa. Osteoblastit ovat luuston soluja, jotka vastaavat luunmuodostuksesta. Solujen toimintaa ohjaavat solun sisäiset ja ulkoiset signaalit, jotka voivat tehostaa tai heikentää solun jakautumista, erilaistumista ja elinikää. Osteoblastien lukumäärä ja aktiivisuus vaikuttavat luukudoksen määrään ja laatuun, jolla on iso merkitys luun kestävyyteen ja murtuma-alttiuteen. Väitöskirjatyön osatöissä I-III tutkittiin luutamuodostavien solujen signaalivälitystä, toimintaa ja erilaistumista in vitro. Syklinen AMP (cAMP) on tärkeä luun aineenvaihduntaa säätelevä toisiolähetti mm. kilpirauhashormonin vaikutukset välittyvät sen kautta. Fosfodiesteraasit (PDE:t) ovat entsyymejä, jotka inaktivoivat cAMP:in. PDE perheitä on 11 ja niiden luustovaikutukset saattavat vaihdella. Väitöskirjatyössä kartoitettiin ihmisen luuta muodostavien solujen PDEiden ilmenemistä, selvitettiin PDE7 ja PDE8 geenien hiljentämisen luusoluvaikutuksia ja tutkittiin synteettisen glukokortikoidin vaikutusta osteoblastien cAMP:hen, fosfodiesteraasigeenien ilmenemiseen ja aktiivisuuteen. Osatyössä IV tutkittiin kolmen bioaktiivisen peptidin IPP, LKP ja VPP lyhytaikaisvaikutusta osteoblastien geenien ilmenemiseen ja solujen jakautumiseen. Proteiinien peptidit toimivat elimistön rakennusaineena, mutta ohjaavat myös solujen toimintaa. Vaikka PDE:t ovat tärkeä osa solun signaalivälitystä, niista tiedetään hyvin vähän luusoluissa. Fosfodiesteraasi-estäjistä on tullut tärkeitä terapeuttisia aineita monen sairauden, kuten sydämen vajaatoiminnan, masennuksen, astman ja impotenssin hoidossa. Tunnetuin fosfodiesteraasi-estäjistä lienee sildenafiilisitraatti (Viagra®). Väitöskirjatyö valaiseen osteoblastien fosfodiestraasientsyymien ilmenemistä ja estämisen seurauksia luuta muodostaviin soluihin. PDE7:n toiminnan estäminen lisää osteoblastien erilaistumista ja mineraalin muodostamista. Deksametasoni, kortisonijohdos vähentää PDE4:n entsyymi-aktiivisuutta luuta muodostavissa soluissa. Glukokortikoideja käytetään hillitsemään tulehdusreaktioita ja niiden pitkäaikaiskäytöllä on havaittu luustovaikutuksia. Luustoa heikentävä vaikutus saattaa osin välittyä PDE4:n toiminnan estämisen kautta. Fosfodiesteraasientsyymien aktiivisuuden hallittu ja kohdennettu säätely tarjoaa mahdollisuuden tehostaa osteoblastien erilaistumista ja toimintaa ja siten uuden luun muodostusta. IPP, yksi tutkituista bioaktiivisista peptideistä, lisäsi osteoblastisolujen jakautumista, ja erilaistumiseen, signaloitumiseen ja elinkykyyn vaikuttavien geenien ilmenemistä. Bioaktiivisten peptidien luusoluvaikutukset saattavat lisätä kiinnostusta funktionaalisia ja luustoaktiivisia peptidejä sisältävien ravintoaineiden kehittämiseen.

In this study we used electro-spray ionization mass-spectrometry to determine phospholipid class and molecular species compositions in bacteriophages PM2, PRD1, Bam35 and phi6 as well as their hosts. To obtain compositional data of the individual leaflets, phospholipid transbilayer distribution in the viral membranes was studied. We found that 1) the membranes of all studied bacteriophage are enriched in PG as compared to the host membranes, 2) molecular species compositions in the phage and host membranes are similar, and 3) phospholipids in the viral membranes are distributed asymmetrically with phosphatidylglycerol enriched in the outer leaflet and phosphatidylethanolamine in the inner one (except Bam35). Alternative models for selective incorporation of phospholipids to phages and for the origins of the asymmetric phospholipid transbilayer distribution are discussed. Notably, the present data are also useful when constructing high resolution structural models of bacteriophages, since diffraction methods cannot provide a detailed structure of the membrane due to high motility of the lipids and lack of symmetric organization of membrane proteins. Lipid-containing bacterial viruses (bacteriophages) are useful models in which to study membrane assembly and lipid-protein interactions. Interpretation of high-resolution structures of these viruses require knowledge on the detailed compositions of their components. In this study we determined phospholipid class and molecular species compositions in bacteriophages PM2, PRD1, Bam35 and phi6 as well as their hosts. Quantitative electro-spray ionization mass-spectrometry was used to obtain this compositional data. In addition, the phospholipid transbilayer distribution in the viral membranes was studied in order to determine the phospholipid compositions of individual sides of these membranes. We found that 1) there is relatively more of phosphatidylglycerol in bacteriophage membranes as compared to the host membranes, but the molecular species compositions in the viral and host membranes are similar, and 2) phospholipids in the viral membranes are distributed asymmetrically with phosphatidylglycerol enriched in the outer side of the mmebrane and phosphatidylethanolamine in the inner one (except in one virus).

The highly dynamic remodeling of the actin cytoskeleton is responsible for most motile and morphogenetic processes in all eukaryotic cells. In order to generate appropriate spatial and temporal movements, the actin dynamics must be under tight control of an array of actin binding proteins (ABPs). Many proteins have been shown to play a specific role in actin filament growth or disassembly of older filaments. Very little is known about the proteins affecting recycling i.e. the step where newly depolymerized actin monomers are funneled into new rounds of filament assembly. A central protein family involved in the regulation of actin turnover is cyclase-associated proteins (CAP, called Srv2 in budding yeast). This 50-60 kDa protein was first identified from yeast as a suppressor of an activated RAS-allele and a factor associated with adenylyl cyclase. The CAP proteins harbor N-terminal coiled-coil (cc) domain, originally identified as a site for adenylyl cyclase binding. In the N-terminal half is also a 14-3-3 like domain, which is followed by central proline-rich domains and the WH2 domain. In the C-terminal end locates the highly conserved ADP-G-actin binding domain. In this study, we identified two previously suggested but poorly characterized interaction partners for Srv2/CAP: profilin and ADF/cofilin. Profilins are small proteins (12-16 kDa) that bind ATP-actin monomers and promote the nucleotide exchange of actin. The profilin-ATP-actin complex can be directly targeted to the growth of the filament barbed ends capped by Ena/VASP or formins. ADF/cofilins are also small (13-19 kDa) and highly conserved actin binding proteins. They depolymerize ADP-actin monomers from filament pointed ends and remain bound to ADP-actin strongly inhibiting nucleotide exchange. We revealed that the ADP-actin-cofilin complex is able to directly interact with the 14-3-3 like domain at the N-terminal region of Srv2/CAP. The C-terminal high affinity ADP-actin binding site of Srv2/CAP competes with cofilin for an actin monomer. Cofilin can thus be released from Srv2/CAP for the subsequent round of depolymerization. We also revealed that profilin interacts with the first proline-rich region of Srv2/CAP and that the binding occurs simultaneously with ADP-actin binding to C-terminal domain of Srv2/CAP. Both profilin and Srv2/CAP can promote nucleotide exchange of actin monomer. Because profilin has much higher affinity to ATP-actin than Srv2/CAP, the ATP-actin-profilin complex is released for filament polymerization. While a disruption of cofilin binding in yeast Srv2/CAP produces a severe phenotype comparable to Srv2/CAP deletion, an impairment of profilin binding from Srv2/CAP results in much milder phenotype. This suggests that the interaction with cofilin is essential for the function of Srv2/CAP, whereas profilin can also promote its function without direct interaction with Srv2/CAP. We also show that two CAP isoforms with specific expression patterns are present in mice. CAP1 is the major isoform in most tissues, while CAP2 is predominantly expressed in muscles. Deletion of CAP1 from non-muscle cells results in severe actin phenotype accompanied with mislocalization of cofilin to cytoplasmic aggregates. Together these studies suggest that Srv2/CAP recycles actin monomers from cofilin to profilin and thus it plays a central role in actin dynamics in both yeast and mammalian cells. Kaikista aitotumallisista soluista löytyvä solutukiranka koostuu erilaisista säikeisistä proteiineista, jotka täyttävät solun sisäisen tilan ylläpitäen solun muotoa ja auttaen solua kestämään mekaanista rasitusta. Eräs keskeinen solutukirangan proteiini on nimeltään aktiini. Aktiinilla muodostaa säikeitä, jotka samanaikaisesti kasvavat niin sanotuista plus- ja hajoavat vastakkaisista miinus-päistä. Liikkumattomassa hiivasolussa aktiini-säikeillä on tärkeä tehtävä endosytoosissa, kalvorakkuloiden kuljetuksessa solun sisällä sekä solunjakautumisessa. Eläinsoluissa aktiini osallistuu näiden toimintojen lisäksi solun liikkumiseen. Solun työntyessä eteenpäin kasvavat aktiini-säikeiden plus-päät painavat solukalvoa eteenpäin. Säädelläkseen aktiinitukirangan muutoksia, solulla on laaja kirjo aktiinia sitovia proteiineja. Nämä proteiinit aikaansaavat mm. aktiini-säikeiden rakentumista, hajoamista, haaroittumista ja kiinnittymistä toisiinsa. Näitä ilmiöitä on tutkittu paljon, mutta siitä, miten aktiini-monomeerit saadaan ohjattua kasvaviin aktiini-säikeiden päihin, tiedetään hyvin vähän. Yksi keskeinen aktiinin kierrätykseen osallistuva proteiini on nimeltään syklaasiin assosioituva proteiini, CAP (cyclase-associated protein). Hiivan vastaavasta proteiinista käytetään nimeä Srv2/CAP. CAP proteiinit painavat noin 50-60 kilodaltonia ja koostuvat useista toiminnallisista domeenista. Proteiinin amino-terminaalisessa päässä sijaitsee cc(coiled-coil)-domeeni, jota seuraa 14-3-3-domeeni. Tämän jälkeen proteiinissa on kaksi proliini-rikasta aluetta sekä WH2-domeeni. Karboksi-terminaalisessa domeenissa sijaitsee aiemmin karakterisoitu konservoitunut ADP-aktiinin sitomisalue. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin kahden tunnetun aktiinia sitovan proteiinin, profiliinin ja ADF/kofiliinin, sitoutumista Srv2/CAP:iin, sekä niiden yhteistyötä aktiini-tukirangan dynamiikassa. Profiliinit ovat pieniä (12-15 kDa) ATP-aktiinia sitovia proteiineja, joilla on tärkeä tehtävä aktiiniin sitoutuneen nukleotidin, ADP:n, vaihtamisessa ATP-muotoon. ADF/kofiliinit ovat myös pieniä (13-19 kDa), konservoituneita proteiineja, jotka sitoutuvat voimakkaasti ADP-aktiiniin ja hajottavat aktiinisäikeitä. Tutkimuksessa saimme selville Srv2/CAP:in sitoutuvan suoraan hiivan kofiliiniin, mutta vain, jos tähän on sitoutuneena myös ADP-aktiini. Tuloksemme viittaavat siihen, että tämän jälkeen Srv2/CAP:n karboksi-terminaalinen aktiinia sitoa alue kilpailee ADP-aktiinin kofiliinilta. Koska Srv2/CAP sitoutuu hyvin heikosti pelkkään kofiliiniin, tämä todennäköisesti irtoaa kompleksista ja on taas vapaana toistamaan omaa tehtäväänsä. Totesimme myös profiliinin sitoutuvan Srv2/CAP:in ensimmäiseen proliini-rikkaaseen alueeseen samanaikaisesti kun ADP-aktiini on sitoutuneena Srv2/CAP:iin. Aktiinin nukleotidi vaihdetaan ATP:ksi, joko profiliinin tai Srv2/CAP:n toimesta. Profiliini sitoutuu voimakkaasti ATP-aktiiniin ja irtoaa Srv2/CAP:stä. Vapautuvia Profiliini-ATP-aktiini komplekseja käytetään solussa kontrolloituun aktiini-säikeiden kasvuun. Kofiliinin sitomisen poistaminen Srv2/CAP:sta aiheuttaa hiivassa vakavan fenotyypin, johon liittyy ongelmia mm. solun kasvussa ja aktiinirakenteiden muodostumisessa. Tästä voi päätellä kofiliinin sitomisen olevan hyvin keskeinen ominaisuus Srv2/CAP:in toiminnalle. Tutkimuksissamme hiiren CAP proteiineilla, CAP1:llä ja CAP2:lla, havaitsimme CAP2:n ilmentymisen rajoittuvan lihassoluihin, kun taas CAP1 ilmentyi kaikissa muissa solutyypeissä. CAP1:in poistaminen hiiren melanoomasoluista aiheutti kofiliinin kasaantumisen aktiinin kanssa epänormaaleihin kerääntymiin. Nämä tutkimukset osoittavat CAP:in olevan keskeinen komponentti kofiliinin ja aktiinin kierrätyksessä niin hiiva- kuin eläinsoluissakin.

RAPADILINO syndrome is an autosomally resessively inherited condition that belongs to a group of rare syndromes more common in Finland than in other parts of the world. RAPADILINO is characterized by pre- and postnatal growth retardation, radial ray defects, diarrhoea of unknown aetiology during chilhood, a facial resemblance with other patients and normal intelligence. In Finland, 15 patients with this condition have been found which compares with only five patients in other parts of the world. We found RECQL4 gene mutations in RAPADILINO patients and proved this syndrome to be allelic with a subgroup of Rothmund-Thomson syndrome (RTS). Later we found RECQL4 mutations in patients with Baller-Gerold syndrome (BGS). These three syndromes share clinical findings and differential diagnostics rely on poikiloderma and craniosynostosis not seen in RAPADILINO syndrome. We found five different mutations in the Finnish RAPADILINO patients. The g.2545delT mutation is the founder mutation in the Finnish population as all the patients are either homozygotes or compound heterozygotes for it. This mutation leads to the inframe skipping of exon seven from mRNA. The protein encoded by this mutant mRNA lacks the nuclear retention signal and thus leads to the mislocalization of the mutant protein. The genotype-phenotype correlation is not straightforward but it seems that RAPADILINO could be due to alteration in protein function and truncating mutations in both alleles are more common among RTS patients. RTS patients with RECQL4 mutations have an elevated risk for osteosarcoma, but their risk to develop other types of malignancies is not increased.Two Finnish RAPADILINO patients have been diagnosed with osteosarcoma, but in addition to this we have found an excess of lymphoma cases among the Finnish RAPADILINO patients. This difference between cancer types could be due to different mutations found in these syndromes. The mutation screening of the patients will help to differentiate patients who have RECQL4 mutations and thus the elevated cancer risk. Patients will benefit from the follow up since early detection of malignancies is important for the treatment. RAPADILINO-oireyhtymä on harvinainen suomalaiseen tautiperintöön kuuluva autosomaalisesti peittyvästi periytyvä oireyhtymä, joka on Suomessa löydetty 15 henkilöltä ja muualla maailmassa viideltä henkilöltä. Useimmiten potilailla on jo ennen syntymää alkanut kasvuhäiriö, joka jatkuu syntymän jälkeen ja johtaa pienikasvuisuuteen. Lisäksi heillä on luuston kehityshäiriöitä, kuten puuttuvat tai alikehittyneet peukalot, värttinäluut sekä polvilumpiot. Potilaat kärsivät lapsuudessaan selittämättömästä syystä johtuvasta ripulista, joka yleensä paranee itsestään lasten kasvaessa. Potilaat muistuttavat kasvonpiirteiltään toisiaan ja oireyhtymään ei liity henkistä jälkeenjääneisyyttä. RAPADILINO-oireyhtymän taustalta löytyivät mutaatiot RECQL4-geenissä. Kuten muissakin suomalaisen tautiperinnön taudeissa, RAPADILINO-oireyhtymän taustalla on yksi yhteinen perustajamutaatio. Lisäksi Suomesta on tunnistettu neljä muuta harvinaisempaa mutaatiota. Mutaatiot RECQL4-geenissä voivat aiheuttaa myös Rothmund-Thomson (RTS) sekä Baller-Gerold (BGS) oireyhtymät. Nämä oireyhtymät ovat oireistoltaan osittain samanlaisia RAPADILINO-oireyhtymän kanssa, mutta erottavina piirteinä ovat poikilodermaksi kutsuttu ihottuma sekä kraniosynostasia eli kallonluiden liian aikainen sulkeutuminen, joita ei ole tavattu RAPADILINO-potilailla. Aiemmin osteosarkoomien eli luusyöpien ajateltiin olevan RTS-potilailla tietyn tyyppisiin mutaatioihin liittyvä piirre, mutta tutkimuksissamme olemme huomanneet kohonneen syöpäriskin liittyvän muihinkin RECQL4-geenin mutaatiosta aiheutuviin oireyhtymiin. Lisäksi havaitsimme suomalaisilla RAPADILINO-potilailla kohonneen riskin sairastua lymfoomaan, mitä ei muilla näihin oireyhtymiin kuuluvilla potilailla ole havaittu. Geenitestin avulla voidaan tunnistaa ne potilaat joiden oireyhtymä johtuu RECQL4-geenin mutaatioista. Koska näihin oireyhtymiin liittyy kohonnut syöpäalttius, täytyy potilaiden terveydentilaa seurata mahdollisten kasvainten havaitsemiseksi, sillä aikainen havaitseminen on erittäin tärkeää hoidon kannalta.

Biological invasions are considered as one of the greatest threats to biodiversity, as they may lead to disruption and homogenization of natural communities, and in the worst case, to native species extinctions. The introduction of gene modified organisms (GMOs) to agricultural, fisheries and forestry practices brings them into contact with natural populations. GMOs may appear as new invasive species if they are able to (1) invade into natural habitats or (2) hybridize with their wild relatives. The benefits of GMOs, such as increased yield or decreased use of insecticides or herbicides in cultivation, may thus be reduced due the potential risks they may cause. A careful ecological risk analysis therefore has to precede any responsible GMO introduction. In this thesis I study ecological invasion in relation to GMOs, and what kind of consequences invasion may have in natural populations. A set of theoretical models that combine life-history evolution, population dynamics, and population genetics were developed for the hazard identification part of ecological risks assessment of GMOs. In addition, the potential benefits of GMOs in management of an invasive pest were analyzed. In the first study I showed that a population that is fluctuating due to scramble-type density dependence (due to, e.g., nutrient competition in plants) may be invaded by a population that is relatively more limited by a resource (e.g., light in plants) that is a cause of contest-type density dependence. This result emphasises the higher risk of invasion in unstable environments. The next two studies focused on escape of a growth hormone (GH) transgenic fish into a natural population. The results showed that previous models may have given too pessimistic a view of the so called Trojan gene -effect, where the invading genotype is harmful for the population as a whole. The previously suggested population extinctions did not occur in my studies, since the changes in mating preferences caused by the GH-fish were be ameliorated by decreased level of competition. The GH-invaders may also have to exceed a threshold density before invasion can be successful. I also showed that the prevalence of mature parr (aka. sneaker) strategy among GH-fish may have clear effect on invasion outcome. The fourth study assessed the risks and developed methods against the invasion of the Colorado Potato Beetle (CPB, Leptinotarsa decemlineata). I showed that the eradication of CPB is most important for the prevention of their establishment, but the cultivation of transgenic Bt-potato could also be effective. In general, my results emphasise that invasion of transgenic species or genotypes to be possible under certain realistic conditions and resulting in competitive exclusion, population decline through outbreeding depression and genotypic displacement of native species. Ecological risk assessment should regard the decline and displacement of the wild genotype by an introduced one as a consequence that is as serious as the population extinction. It will also be crucial to take into account different kinds of behavioural differences among species when assessing the possible hazards that GMOs may cause if escaped. The benefits found of GMO crops effectiveness in pest management may also be too optimistic since CPB may evolve resistance to Bt-toxin. The models in this thesis could be further applied in case specific risk assessment of GMOs by supplementing them with detailed data of the species biology, the effect of the transgene introduced to the species, and also the characteristics of the populations or the environments in the risk of being invaded. Tulokaslajit ovat yksi luonnon monimuotoisuutta pahiten uhkaavista tekijöistä elinympäristöjen tuhoutumisen ohella. Tulokaslajit voivat kilpailla samoista resursseista alueen alkuperäislajien kanssa, joka voi johtaa jopa alkuperäislajin syrjäytymiseen alueelta. Toisaalta tulokkaat voivat myös risteytyä sukulaislajiensa kanssa, jolloin alkuperäislaji voi lopulta sulautua tulokaspopulaatioon, mikäli tulokkaan tai syntyvän risteymän kelpoisuus on parempi kuin alkuperäislajin. Maan- ja vesiviljelyn tuottavuuden tehostamiseksi kehitetyt muuntogeeniset organismit (GMO), kuten tuholaisen kestävät viljelyskasvit tai kasvuhormonilisätyt kalat, voivat kehittyä uusiksi tulokaslajeiksi, mikäli ne pystyvät runsastumaan luonnonympäristöissä tai risteytymään villien sukulaistensa kanssa. Siksi arvioitaessa GMO lajikkeista saatavaa hyötyä verrattuna tavanomaisiin lajikkeisiin, on myös niihin liittyvät riskitekijät otettava huomioon. Väitöskirjassani selvitin, minkälaiset ominaisuudet GMO lajikkeissa voisivat johtaa niiden levittäytymiseen ympäristöön ja minkälaisia vaikutuksia sillä voisi olla alueen alkuperäislajistolle populaatioekologisten ja -geneettisten mallien avulla. Toisaalta tarkastelin olisiko GMO- lajikkeen torjuntateho parempi tuholaislajin leviämistä vastaan, kuin tavanomaiset menetelmät. Tulokset osoittivat, että epävakaan dynamiikan omaava alkuperäispopulaatio on altis dynamiikaltaan vakaan tulokaslajin invaasiolle. Invaasioalttius on siten suurin esim. häirityissä ja ravinnekilpailun rajoittamissa kasvipopulaatioissa. Häiriöitä sietävä ja valorajoitteinen tulokaslaji (tai GMO lajike) voi jopa syrjäyttää tällaisen alkuperäispopulaation kilpailussa. Tarkastellessani kasvuhormonimuunnellun kalan mahdollisuutta levittäytyä luonnonpopulaatioon risteytymisen kautta havaitsin, että GMO lajike voi syrjäyttää alkuperäislajikkeen, jos GMO muotoa suositaan seksuaalivalinnassa. Risteytyminen voi johtaa myös koko populaation koon pienenemiseen, jos GMO:n elinkyky on heikompi kuin alkuperäislajikkeen (ns. Troijan geeni efekti). Havaitsin myös, että alkuperäislajikkeen ja GMO:n erilainen pariutumiskäyttäytyminen vaikuttaa invaasion onnistumiseen ja lopputulokseen. Toisaalta havaitsin, että tuholaisenkestävän GMO perunan viljely tavanomaisen perunan tilalla voi olla tehokas torjuntakeino koloradonkuoriaisen levittäytymistä vastaan entistä pohjoisemmille elinalueille ilmastonlämpenemisen myötä. Muuntogeeniset organismit näyttävät siis voivan kehittyä uusiksi tulokaslajeiksi ja syrjäyttää tai heikentää alkuperäislajien populaatioita joko kilpailun tai risteytymisen kautta tietyissä olosuhteissa. Nämä uhkatekijät on otettava huomioon ekologisessa riskinarvioinnissa ennen GMO lajikkeen käyttöönottoa. Myös muut tekijät, kuten tuhohyönteisten kehittyminen vastustuskykyisiksi tuholaistenkestäville GMO lajikkeille, voivat heikentää GMO lajikkeista saatavaa hyötyä. Kehitettyjen mallien soveltaminen tapauskohtaiseen riskinarviointiin edellyttäisi kuitenkin niiden täydentämistä yksityiskohtaisilla tiedoilla geenimuunneltavien kohdelajien biologiasta, muuntogeenin vaikutuksista kohdelajeissa sekä sen ympäristön erityispiirteistä, jonne GMO:n arvellaan voivan levittäytyä uutena tulokaslajina.

Cation chloride cotransporters (CCCs) are critical for controlling intracellular chloride homeostasis. The CCC family is composed of four isoforms of K-Cl cotransporters (KCC1-4), two isoforms of Na-K-2Cl cotransporters (NKCC1-2), one Na-Cl cotransporter (NCC) and two the structurally related proteins with unknown function, CCC8 also known as cation-chloride cotransporter interaction protein, CIP, and CCC9. KCC2 is a neuron-specific isoform, which plays a prominent role in controlling the intracellular Cl- concentration in neurons and is responsible for producing the negative shift of GABAA responses from depolarizing to hyperpolarizing during neuronal maturation. In the present studies we first used in situ hybridization to examine the developmental expression patterns of the cation-chloride cotransporters KCC1-4 and NKCC1. We found that they display complementary expression patterns during embryonic brain development. Most interestingly, KCC2 expression in the embryonic central nervous system strictly follows neuronal maturation. In vitro data obtained from primary and organotypic neuronal cultures support this finding and revealed a temporal correlation between the expression of KCC2 and synaptogenesis. We found that KCC2 is highly expressed in filopodia and mature spines as well as dendritic shaft and investigated the role of KCC2 in spine formation by analyzing KCC2-/- neurons in vitro. Our studies revealed that KCC2 is a key factor in the maturation of dendritic spines. Interestingly, the effect of KCC2 in spine formation is not due to Cl- transport activity, but mediated through the interaction between KCC2 C-terminal and intracellular protein associated with cytoskeleton. The interacting protein we found is protein 4.1N by immunoprecipitation. Our results indicate a structural role for KCC2 in the development of functional glutamatergic synapses and suggest KCC2 as a synchronizer for the functional development of glutamatergic and GABAergic synapses in neuronal network. Studies on the regulatory mechanisms of KCC2 expression during development and plasticity revealed that synaptic activity of both the glutamatergic and GABAergic system is not required for up-regulation of KCC2 during development, whereas in acute mature hippocampal slices which undergo continuous synchronous activity induced by the absence of Mg2+ solution, KCC2 mRNA and protein expression were down-regulated in CA1 pyramidal neurons subsequently leading to a reduced capacity for neuronal Cl- extrusion. This effect is mediated by endogenous BDNF-TrkB down-stream cascades involving both Shc/FRS-2 and PLCγ-CREB signaling. BDNF mediated changes in KCC2 expression indicate that KCC2 is significantly involved in the complex mechanisms of neuronal plasticity during development and pathophysiological conditions. Cellular ionic concentrations have to be maintained for correct physiological functions of the cell. Ionic concentrations are regulated by membrane expressed channels and cotransporters. In this study, we focused on chloride regulatory mechanisms in central nervous system by studying the functional role of a cation-chloride cotransporter (CCC) protein family. The cation-chloride cotransporter family contains four isoforms of K-Cl cotransporters (KCC1-4), two isoforms of Na-K-2Cl cotransporters (NKCC1-2), one Na-Cl cotransporter (NCC) and two the structurally related proteins with unknown function, CCC8 also known as cation-chloride cotransporter interaction protein, CIP, and CCC9. We first analyzed the developmental expression pattern of the cation-chloride cotransporters KCC1-4 and NKCC1. We found that they display complementary expression patterns during embryonic brain development indicating chloride regulatory mechanisms are critically involved in neuronal development. Most interestingly, KCC2 expression in the embryonic central nervous system strictly follows neuronal maturation and there is a temporal correlation between the expression of KCC2 and synaptogenesis. Furthermore, we found that KCC2 is highly expressed in filopodia and mature spines as well as dendritic shaft. Thus, we investigated the role of KCC2 in spine formation by analyzing the phenotype of KCC2 knock out neurons. The study revealed that KCC2 is a key factor in the maturation of excitatory synapses. Mechanistic study demonstrated that a structural interaction between KCC2 C-terminal and cytoskeleton associated protein 41.N underlies the effect of KCC2 in excitatory synapse formation. These results suggest KCC2 acts as a molecular synchronizer in the functional maturation of excitatory and inhibitory synapses. During development, the expression of KCC2 is up-regulated. We demonstrated that the up-regulation of KCC2 do not require the synaptic activity of both the glutamatergic and GABAergic system. However, KCC2 mRNA and protein expression were down-regulated in CA1 pyramidal neurons in acute mature hippocampal slices which undergo continuous synchronous activity induced by the absence of Mg2+ solution. This effect is mediated by endogenous BDNF-TrkB down-stream cascades involving both Shc/FRS-2 and PLCγ-CREB signaling. In general, our results indicate that KCC2 is significantly involved in the complex mechanisms of developmental neuronal disorders such as autism and schizophrenia.