Identification of the fungal catabolic D-galacturonate pathway

Pectin is a natural polymer consisting mainly of D-galacturonic acid monomers. Microorganisms living on decaying plant material can use D-galacturonic acid for growth. Although bacterial pathways for D-galacturonate catabolism had been described previously, no eukaryotic pathway for D-galacturonate catabolism was known at the beginning of this work. The aim of this work was to identify such a pathway. In this thesis the pathway for D-galacturonate catabolism was identified in the filamentous fungus Trichoderma reesei. The pathway consisted of four enzymes: NADPH-dependent D-galacturonate reductase (GAR1), L-galactonate dehydratase (LGD1), L-threo-3-deoxy-hexulosonate aldolase (LGA1) and NADPH-dependent glyceraldehyde reductase (GLD1). In this pathway D-galacturonate was converted to pyruvate and glycerol via L-galactonate, L-threo-3-deoxy-hexulosonate and L-glyceraldehyde. The enzyme activities of GAR1, LGD1 and LGA1 were present in crude mycelial extract only when T. reesei was grown on D-galacturonate. The activity of GLD1 was equally present on all the tested carbon sources. The corresponding genes were identified either by purifying and sequencing the enzyme or by expressing genes with homology to other similar enzymes in a heterologous host and testing the activities. The new genes that were identified were expressed in Saccharomyces cerevisiae and resulted in active enzymes. The GAR1, LGA1 and GLD1 were also produced in S. cerevisiae as active enzymes with a polyhistidine-tag, and purified and characterised. GAR1 and LGA1 catalysed reversible reactions, whereas only the forward reactions were observed for LGD1 and GLD1. When gar1, lgd1 or lga1 was deleted in T. reesei the deletion strain was unable to grow with D-galacturonate as the only carbon source, demonstrating that all the corresponding enzymes were essential for D-galacturonate catabolism and that no alternative D-galacturonate pathway exists in T. reesei. A challenge for biotechnology is to convert cheap raw materials to useful and more valuable products. Filamentous fungi are especially useful for the conversion of pectin, since they are efficient producers of pectinases. Identification of the fungal D-galacturonate pathway is of fundamental importance for the utilisation of pectin and its conversion to useful products.

Defining Adequate Vitamin D Intake : Cross-sectional and Intervention Studies

D-vitamiini ylläpitää normaalia luun kasvua ja uudistumista koko elämän ajan. Suomessa, kuten monissa muissakin länsimaissa, väestön D-vitamiinitilanne on riittämätön – talvisin osalla jopa puutteellinen. Tässä väitöskirjassa on tutkittu, lisääkö D-vitamiini luumassan kertymistä kasvuiässä, ja ylläpitäkö D-vitamiini luuston tasapainoista aineenvaihduntaa aikuisiällä. Nämä vaikutukset saattavat ehkäisi osteoporoosin kehittymistä eri ikäkausina. Väitöskirjatyössä tutkittiin erisuuruisten D-vitamiinilisäysten vaikutuksia kolmessa eri ikäryhmässä, jotka olivat 11-12 -vuotiaat tytöt (N=228), 21-49 -vuotiaat miehet (N=54) ja 65-85 -vuotiaat naiset (N=52). Tutkittavat satunnaistettiin ryhmiin, jotka nauttivat joko lumevalmistetta tai 5-20 µg D3-vitamiinia vitamiinilisänä. Tutkimukset olivat kaksoissokkoutettuja. Tutkimuksen aikana tutkittavilta otettiin paastoveri- ja virtsanäytteitä. Lisäksi he täyttivät tutkimuslomakkeen taustatietojen kartoittamiseksi sekä frekvenssikyselylomakkeen kalsiumin ja D-vitamiinin saannin selvittämiseksi. Tyttöjen luunmineraalitiheys (BMD) mitattiin DXA–laitteella ja miesten volumetrinen luuntiheys pQCT-menetelmällä. Näytteistä määritettiin mm. seerumin 25-hydroksi-D-vitamiinin (=S-25-OHD), lisäkilpirauhashormonin (=S-PTH) ja luun aineenvaihduntaa kuvaavien merkkiaineiden pitoisuuksia. Murrosikäisten tyttöjen poikkileikkaustutkimuksessa S-25-OHD- ja luun muodostusmerkkiaineen pitoisuudet vaihtelivat kuukausien välillä; suurimmat pitoisuudet mitattiin syyskuussa ja pienimmät maaliskuussa, mikä kuvastaa vuodenaikaisvaihtelua. Vastaava vaihtelu havaittiin lannerangan ja reisiluun BMD:ssä. D-vitamiinilisäyksellä oli myönteinen vaikutus tyttöjen luumassan lisääntymiseen. Suurin D-vitamiinilisä (10 µg/vrk) lisäsi luumassaa 17.2% enemmän reisiluussa ja 12.5% enemmän lannerangassa verrattuna lumevalmistetta nauttivien tyttöjen vastaaviin tuloksiin, mutta tulos riippui hoitomyöntyvyydestä. D-vitamiinin vaikutus luustoon välittyi vähentyneen luun hajotuksen kautta. Tutkimustuloksiin perustuen riittävä D-vitamiinin saanti murrosikäisille tytöille on 15 µg/vrk. D-vitamiinilisän vaikutus 65-85 -vuotiaiden naisten S-25-OHD-pitoisuuteen vakioitui kuudessa viikossa annoksen ollessa 5-20 µg/vrk. Näillä D-vitamiiniannoksilla ei saavutettu tavoiteltavaa S-25-OHD-pitoisuutta, joka on 80 nmol/l. Arvioimme, että 60 nmol/l -pitoisuuden, jota esiintyy kesäisin tämän ikäryhmän suomalaisilla, tämän ikäryhmän naiset saavuttaisivat 24 µg:n päivittäisellä D-vitamiinin saannilla. Terveillä miehillä havaittiin vuodenaikaisvaihtelu S-25-OHD- ja S-PTH-pitoisuudessa sekä luun hajotusta kuvaavassa merkkiainepitoisuudessa. Toisaalta vaihtelua ei havaittu radiuksen volumetrisessä luuntiheydessä eikä luun muodostusmerkkiaineen pitoisuudessa. Vuodenaikaisvaihtelu estettiin 17 µg:n päivittäisellä D-vitamiinin saannilla, mutta tämän ei havaittu vaikuttavan radiuksen luuntiheyteen kuusi kuukautta kestävän tutkimuksen aikana. Yhteenvetona todetaan, että D-vitamiinin saanti on edelleenkin riittämätöntä tutkimusten kohderyhmillä. Tämä näkyy S-25-OHD- ja PTH-pitoisuuden sekä luunaineenvaihduntaa kuvaavien merkkiaineiden vuodenaikaisvaihteluna, mikä on haitallista luuston hyvinvoinnille. D-vitamiinin saantia tulisi lisätä, jotta vähintäänkin riittävä D-vitamiinitilanne (S-25-OHD>50 nmol/l) tai mahdollisesti jopa tavoiteltava D-vitaminitilanne (S-25-OHD≥80 nmol/l) saavutettaisiin. Jotta D-vitamiinin saannin lisääminen olisi kaikissa ikäryhmissä mahdollista, on suunniteltava nykyistä enemmän D-vitamiinilla täydennettyjä elintarvikkeita.

Synthesis, Reactivity and Biological Activity of 17β-HSD1 Inhibitors Based on a Thieno[2,3-d]pryrimidin-4(3H)-one Core

Breast cancer is the most common cancer in women in Western countries. In the early stages of development most breast cancers are hormone-dependent, and estrogens, especially estradiol, have a pivotal role in their development and progression. One approach to the treatment of hormone-dependent breast cancers is to block the formation of the active estrogens by inhibiting the action of the steroid metabolising enzymes. 17beta-Hydroxysteroid dehydrogenase type 1 (17beta-HSD1) is a key enzyme in the biosynthesis of estradiol, the most potent female sex hormone. The 17beta-HSD1 enzyme catalyses the final step and converts estrone into the biologically active estradiol. Blocking 17beta-HSD1 activity with a specific enzyme inhibitor could provide a means to reduce circulating and tumour estradiol levels and thus promote tumour regression. In recent years 17beta-HSD1 has been recognised as an important drug target. Some inhibitors of 17beta-HSD1 have been reported, however, there are no inhibitors on the market nor have clinical trials been announced. The majority of known 17beta-HSD1 inhibitors are based on steroidal structures, while relatively little has been reported on non-steroidal inhibitors. As compared with 17beta-HSD1 inhibitors based on steroidal structures, non-steroidal compounds could have advantages of synthetic accessibility, drug-likeness, selectivity and non-estrogenicity. This study describes the synthesis of large group of novel 17beta-HSD1 inhibitors based on a non-steroidal thieno[2,3-d]pyrimidin-4(3H)-one core. An efficient synthesis route was developed for the lead compound and subsequently employed in the synthesis of thieno[2,3-d]pyrimidin-4(3H)-one based molecule library. The biological activities and binding of these inhibitors to 17beta-HSD1 and, finally, the quantitative structure activity relationship (QSAR) model are also reported. In this study, several potent and selective 17beta-HSD1 inhibitors without estrogenic activity were identified. This establishment of a novel class of inhibitors is a progressive achievement in 17beta-HSD1 inhibitor development. Furthermore, the 3D-QSAR model, constructed on the basis of this study, offers a powerful tool for future 17beta-HSD1 inhibitor development. As part of the fundamental science underpinning this research, the chemical reactivity of fused (di)cycloalkeno thieno[2,3-d]pyrimidin-4(3H)-ones with electrophilic reagents, i.e. Vilsmeier reagent and dimethylformamide dimethylacetal, was investigated. These findings resulted in a revision of the reaction mechanism of Vilsmeier haloformylation and further contributed to understanding the chemical reactivity of this compound class. This study revealed that the reactivity is dependent upon a stereoelectronic effect arising from different ring conformations.