Understanding Human Drug Conjugating Enzymes; Regio- and Stereoselectivity in Sulfotransferase 1A3 and the UDP-Glucuronosyltransferases

Sulfotransferases (SULTs) and UDP-glucuronosyltransferases (UGTs) are important detoxification enzymes and they contribute to bioavailability and elimination of many drugs. SULT1A3 is an extrahepatic enzyme responsible for the sulfonation of dopamine, which is often used as its probe substrate. A new method for analyzing dopamine-3-O-sulfate and dopamine-4-O-sulfate by high-performance liquid chromatography was developed and the enzyme kinetic parameters for their formation were determined using purified recombinant human SULT1A3. The results show that SULT1A3 strongly favors the 3-hydroxy group of dopamine, which indicates that it may be the major enzyme responsible for the difference between the circulating levels of dopamine sulfates in human blood. All 19 known human UGTs were expressed as recombinant enzymes in baculovirus infected insect cells and their activities toward dopamine and estradiol were studied. UGT1A10 was identified as the only UGT capable of dopamine glucuronidation at a substantial level. The results were supported by studies with human intestinal and liver microsomes. The affinity was low indicating that UGT1A10 is not an important enzyme in dopamine metabolism in vivo. Despite the low affinity, dopamine is a potential new probe substrate for UGT1A10 due to its selectivity. Dopamine was used to study the importance of phenylalanines 90 and 93 in UGT1A10. The results revealed distinct effects that are dependent on differences in the size of the side chain and on the differences in their position within the protein. Examination of twelve mutants revealed lower activity in all of them. However, the enzyme kinetic studies of four mutants showed that their affinities were similar to that of UGT1A10 suggesting that F90 and F93 are not directly involved in dopamine binding in the active site. The glucuronidation of β-estradiol and epiestradiol (α-estradiol) was studied to elucidate how the orientation of the 17-OH group affects conjugation at the 3-OH or the 17-OH of either diastereomer. The results show that there are clear differences in the regio- and stereoselectivities of UGTs. The most active isoforms were UGT1A10 and UGT2B7 demonstrating opposite regioselectivity. The stereoselectivities of UGT2Bs were more complex than those of UGT1As. The amino acid sequences of the human UGTs 1A9 and 1A10 are 93% identical, yet there are large differences in their activity and substrate selectivity. Several mutants were constructed to identify the residues responsible for the activity differences. The results revealed that the residues between Leu86 and Tyr176 of UGT1A9 determine the differences between UGT1A9 and UGT1A10. Phe117 of UGT1A9 participated in 1-naphthol binding and the residues at positions 152 and 169 contributed to the higher glucuronidation rates of UGT1A10. In summary, the results emphasize that the substrate selectivities, including regio- and stereoselectivities, of UGTs are complex and they are controlled by many amino acids rather than one critical residue.

Spatial ecology of food webs : herbivore-parasitoid communities on the pedunculate oak

Herbivorous insects, their host plants and natural enemies form the largest and most species-rich communities on earth. But what forces structure such communities? Do they represent random collections of species, or are they assembled by given rules? To address these questions, food webs offer excellent tools. As a result of their versatile information content, such webs have become the focus of intensive research over the last few decades. In this thesis, I study herbivore-parasitoid food webs from a new perspective: I construct multiple, quantitative food webs in a spatially explicit setting, at two different scales. Focusing on food webs consisting of specialist herbivores and their natural enemies on the pedunculate oak, Quercus robur, I examine consistency in food web structure across space and time, and how landscape context affects this structure. As an important methodological development, I use DNA barcoding to resolve potential cryptic species in the food webs, and to examine their effect on food web structure. I find that DNA barcoding changes our perception of species identity for as many as a third of the individuals, by reducing misidentifications and by resolving several cryptic species. In terms of the variation detected in food web structure, I find surprising consistency in both space and time. From a spatial perspective, landscape context leaves no detectable imprint on food web structure, while species richness declines significantly with decreasing connectivity. From a temporal perspective, food web structure remains predictable from year to year, despite considerable species turnover in local communities. The rate of such turnover varies between guilds and species within guilds. The factors best explaining these observations are abundant and common species, which have a quantitatively dominant imprint on overall structure, and suffer the lowest turnover. By contrast, rare species with little impact on food web structure exhibit the highest turnover rates. These patterns reveal important limitations of modern metrics of quantitative food web structure. While they accurately describe the overall topology of the web and its most significant interactions, they are disproportionately affected by species with given traits, and insensitive to the specific identity of species. As rare species have been shown to be important for food web stability, metrics depicting quantitative food web structure should then not be used as the sole descriptors of communities in a changing world. To detect and resolve the versatile imprint of global environmental change, one should rather use these metrics as one tool among several.

Host-parasitoid relationship in different Cotesia melitaearum and Melitaea cinxia populations around the Baltic Sea

The relationship between hosts and parasites is one of the most studied interactions between living organisms, and it is both universal and common in nature. Parasitoids are special type of parasites whose offspring develop attached to or within a single host organism that it ultimately consumes and kills. Hosts are arthropods and most parasitoids belong to the insect order Hymenoptera. For almost two decades metapopulation research on the Glanville fritillary butterfly (Melitaea cinxia) has been conducted in the Åland Islands, Finland. The studies have been concerned with the population dynamics, evolution, genetics, behavior, natural history and life history characteristics of M. cinxia, as well as with species interacting with the butterfly. The parasitoids of M. cinxia have been under long term studies and much has been learned about specific host-parasitoid interactions during the past decade. The research for this Master s thesis was done in the Åland Islands during summer 2010. I conducted a reciprocal transplant style experiment in order to compare the performance of host butterflies (M. cinxia) under attack by different parasitoid wasps (C. melitaearum). I used hosts and parasitoids from five origins around the Baltic Sea: Öland, Uppland, Åland, Saaremaa and Pikku-Tytärsaari. The host-parasitoid relationship was studied in terms of host susceptibility and parasitoid virulence, addressing specifically the possible effects of inbreeding and local adaptation of both parasitoids and their hosts. I compared various factors such as host defence ratio, parasitoid development rate, cocoon production rate etc. I also conducted a small scale C. melitaearum egg development experiment and C. melitaearum external morphology comparison between different parasitoid populations. The results show that host resistance and parasitoid virulence differ between both host and parasitoid populations. For example, Öland hosts were most susceptible to parasitoids and especially vulnerable to Pikku-Tytärsaari wasps. Pikku-Tytärsaari wasps were most successful in terms of parasitoids virulence and efficiency except in Saaremaa hosts, where the wasp did not succeed. Saaremaa hosts were resistant except towards Åland parasitoids. I did not find any simple pattern concerning host resistance and parasitoid virulence between inbred and outbred populations. Also, the effect of local adaptation was not detected, perhaps because metapopulation processes disturb local adaptation of the studied populations. Morphological comparisons showed differences between studied wasp populations and sexual dimorphism was obvious with females being bigger that males. There were also interesting differences among populations in male and female wing shapes. The results raise many further questions. Especially interesting were Pikku-Tytärsaari wasps that did well in terms of efficiency and virulence. Pikku-Tytärsaari is a small, isolated island in the Gulf of Finland and both the host and parasitoids are extremely inbred. For the host and parasitoid to persist in the island, the host has to have some mechanisms to escape the parasitoid. Further research will be done on the subject to discover the mechanisms of Pikku-Tytärsaari host s ability to escape parasitism. Also, genetic analyses will be conducted in the near future to determine the relatedness of used C. melitaearum populations.

Mehiläisten (Apis mellifera) kukkavierailut mansikalla (Fragaria x ananassa) ja vadelmalla (Rubus idaeus) sekä kukkavierailuihin vaikuttavat tekijät

Hyönteispölytys lisää monien ristipölytteisten viljelykasvien siemensatoa sekä parantaa sadon laatua. Marjakasveilla, kuten mansikalla ja vadelmalla marjojen koko suurenee sekä niiden laatu paranee onnistuneen pölytyksen seurauksena. Aiempien havaintojen mukaan mansikan kukat eivät pääsääntöisesti houkuttele mehiläisiä, kun taas vadelma on yksi mehiläisten pääsatokasveista. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, miten tehokkaasti mehiläiset vierailevat mansikalla sekä vadelmalla, keskittyen kukkakohtaisiin käynteihin tuntia kohti. Mehiläisiä voidaan käyttää Gliocladium catenulatum-vektoreina torjuttaessa mansikan ja vadelman harmaahometta (Botrytis cinerea). Kukkavierailujen perusteella arvioidaan, onko vektorilevitys riittävän tehokas torjumaan harmaahometta ja miten hyvin mehiläisiä voidaan käyttää pölytyspalveluihin, etenkin mansikalla. Havainnot kerättiin kuudelta eri tilalta Sisä-Savosta kesällä 2007. Kukkavierailuja laskettiin mansikan ja vadelman kukinnan aikana erilaisissa sääolosuhteissa, eri kellonaikoina ja eri etäisyyksillä mehiläispesistä. Kukat valittiin satunnaisesti, ja valintaperusteena oli kukan avonaisuus. Tarkkailuaika riippui mehiläisten lentoaktiivisuudesta. Mansikan koko havaintojakson keskiarvoksi tuli 1,75 käyntiä kukkaa kohti tunnissa. Vadelmalla vastaava luku oli 4,27, joten keskiarvojen perusteella vadelma oli houkuttelevampi kuin mansikka. Kasvukauden vaiheella ei ollut eroja vierailuihin kummallakaan kasvilla, mutta vuorokaudenajan suhteen vierailuja oli enemmän aamupäivällä kuin iltapäivällä. Lämpötila korreloi positiivisesti vierailutiheyden kanssa kummallakin kasvilla. Sääolosuhteet rajoittivat havaintojen keräämistä ja kesä oli erittäin sateinen. Mehiläiset vierailivat kukissa riittävästi haastavissakin sääolosuhteissa niin, että harmaahometorjunta onnistui. Vektorilevitystä suunnitellessa, etenkin mansikalla, tulee ottaa huomioon pesien sijoittelu sekä riittävä lukumäärä. Pesien ravinnontarpeen tulee olla suuri, jotta mehiläiset keräisivät ravintoa kukista mahdollisimman tehokkaasti. Pesiin voidaan lisätä tarvittaessa avosikiöitä tai poistaa siitepölyvarastoja ravinnonkeruuaktiivisuuden lisäämiseksi. Lisätutkimusta tarvitaan pesien sijoittelun, kilpailevien kasvien sekä mansikkalajikkeiden houkuttelevuuden vaikutuksesta vierailutiheyteen. Suomalaisten mansikkalajikkeiden meden sekä siitepölyneritystä olisi myös hyvä selvittää.

Studies of fungi associated with Tomicus piniperda L. in Finland

The Scots pine bark beetle, Tomicus piniperda is a secondary colonizer of pine and other conifers. It is a native species from Europe and Asia that was recently introduced in North America. Although it is necessary to understand this insect's interactions with other organisms, few studies have focussed on its fungal associates. This study focused on the effect of latitude in the occurrence of fungi associated with T. piniperda. T. piniperda were collected from Pinus sylvestris in Northern (Rovaniemi) and Southern (Hyytiala) Finland. Both endo- and epi- mycota were isolated. The fungi were identified using a combination of morphological features and molecular data. The results revealed a great diversity of fungi species associated with T. piniperda, with a total of 3073 isolates representing 23 species. The most frequently isolated fungi in the bark beetles from Northern Finland were Beauvaria bassiana, Kuraishia sp. and Penicillium sp. whereas P. brevicompactum and Mortierella sp. were mostly observed in the South. Ophiostoma canum and O. minus were also observed. The number of isolates per insect in the north was 2.83 epi- and 2.38 for endo-mycota fungus. In the south, the number of isolates per insect was 4.1 for epi- and 3.5 for endo-mycota. Statistical analysis indicated that there was significant differences in fungal populations associated with the beetles in Southern and Northern Finland. There was however no significant difference between the epi- and endo-mycota fungal populations. The highest richness and diversity of the fungal species was observed in the South. However, the overall fungal diversity index analysis revealed that the mycobiota was undersampled.

Onttojen puiden lahopuukovakuoriaiset — kolmen pyydystyypin vertailu

Vanhat ja ontot puut ovat tärkeä elinympäristö monelle lahopuusta riippuvaiselle eliölajille. Onttoihin puihin on erikoistunut suuri määrä myös vaarantuneita ja harvinaisia hyönteislajeja, jotka elävät puun onkalon seinämillä tai onkalon pohjalle kerääntyvässä orgaanisessa aineksessa, ns. mulmissa. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, mikä kolmesta pyydystyypistä (ikkuna-, vuoka- ja kuoppapyydys) soveltuu parhaiten onttojen puiden lahopuukovakuoriaisten pyyntiin. Lisäksi tavoitteena oli kartoittaa hyönteisnäytteiden ensimmäiseen laboratoriokäsittelyyn vaadittua aikaa. Tutkimuksessa oli mukana vanhoja rungostaan onttoutuneita lehmuksia, tammia ja vaahteroita pääkaupunkiseudun puisto- ja kartanoalueilta. Puiden onkaloiden sisään aseteltiin ikkuna-, vuoka- ja kuoppapyydyksiä, kaksi kutakin tyyppiä ja ne tyhjennettiin kolmen viikon välein touko-heinäkuussa 2006. Pyydyksiä oli siis yhteensä 90 per pyyntijakso. Kun näytteistä eroteltiin halutut hyönteislahkot (mukaanlukien kovakuoriaiset) niiden käsittelyyn käytetty aika kirjattiin ylös. Aineistosta tunnistettiin yhteensä 3825 kovakuoriaisyksilöä ja 212 lajia, joista lahopuusta riippuvaisia oli yhteensä 3398 yksilöä ja 121 lajia. Ikkunapyydyksissä esiintyi yhteensä 1639 yksilöä ja 140 lajia, vuokapyydyksissä 1506 yksilöä ja 134 lajia, kuoppapyydyksissä 680 yksilöä ja 111 lajia. Näytteiden käsittelyaikojen keskiarvot olivat 48,3 minuuttia ikkunapyydykselle, 65,5 minuuttia vuokapyydykselle ja 34,1 kuoppapyydykselle. Lajistokoostumuksen huomioiva ?-diversiteetti erosi huomattavasti pyydysten välillä, se oli 36,5 % ikkuna- ja vuokapyydysten välillä, 13,1 % ikkuna- ja kuoppapyydysten välillä ja 14,2 % vuoka- ja kuoppapyydysten välillä. Ikkuna- ja vuokapyydysten välillä ei havaittu tilastollisesti merkitsevää eroa saproksyylilajien (p<0,05), -yksilöiden (p<0,05) tai käsittelyaikojen (p<0,05) keskiarvoissa. Ikkuna- ja vuokapyydyksillä saatiin keskimäärin selvästi enemmän saproksyylilajeja ja –yksilöitä kuoppapyydykseen verrattuna. Kuoppapyydyksellä saatiin kokonaisyksilömäärään verrattuna suhteellisesti vähemmän saproksyylejä (59 %) kuin ikkuna- (69 %) ja vuokapyydyksillä (71 %). Ikkunapyydykset olivat tehokkain pyydystyyppi vertailtaessa pyydysten keräämää saproksyyliyksilömäärää suhteessa aineiston käsittelyn vaatimaan aikaan. Tehokkuus (yksilöä minuutissa) ikkunapyydykselle oli 0,74, vuokapyydykselle 0,43 ja kuoppapyydykselle 0,21. Ikkunapyydyksiä ei ole aikaisemmin käytetty puun onkalon sisällä hyönteisiä pyydettäessä vaan ne ovat aikaisemmissa tutkimuksissa roikkuneet onkalon ulkopuolella. Ikkunapyydykset kuitenkin toimivat erinomaisesti myös onkaloiden sisällä. Ikkuna- sekä vuokapyydys toimivatkin selkeästi paremmin lahopuukovakuoriaisten pyynnissä verrattuna kuoppapyydykseen, jonka poisjättäminen olisi kuitenkin tuottanut huomattavasti lajiköyhemmän aineiston. Mahdollisimman monimuotoisen onttojen puiden lahopuukovakuoriaislajiston keräämiseksi tulisi käyttää ikkuna- tai vuokapyydyksiä yhdessä kuoppapyydysten kanssa.