Chemical Biology Screen for Prostate Cancer Therapeutics

Prostate cancer initially responds to hormone-based therapeutics such as anti-androgen treatment or chemotherapeutics but eventually becomes resistant. Novel treatment options are therefore urgently needed. This thesis study applied a high-throughput screen of 4910 known drugs and drug-like small molecules to identify compounds that selectively inhibit growth of prostate cancer cells. In addition, the mechanisms underlying the cellular sensitivity to potent cancer selective compounds were addressed. Surprisingly, many of the compounds currently used in the clinics or studied in clinical trials were not cancer-selective. Only four drugs, aldehyde dehydrogenase inhibitor disulfiram (Antabus), antibiotic ionophore monensin, histone deacetylase inhibitor tricostatin A and fungicide thiram inhibited prostate cancer cell growth at nanomolar concentrations without major effects on non-malignant prostate epithelial cells. Disulfiram, monensin and a structurally similar compound to monensin, salinomycin, induced oxidative stress and inhibited aldehyde dehydrogenase activity. Moreover, monensin and salinomycin reduced androgen receptor signalling and steroidogenesis, enforced cell differentiation and reduced the overall levels of cancer stem cells. Taken together, novel and potentially prostate cancer-selective therapeutic agents were identified in this study, including the description of a multitude of intoxicating mechanisms such as those relating to oxidative stress. The results provide novel insights into prostate cancer biology and exemplify useful means of considering novel approaches to cancer treatment.

Cellular responses to stress and kinase signaling activation : apoptosis and differentiation

Stressignaler avkänns många gånger av membranbundna proteiner som översätter signalerna till kemisk modifiering av molekyler, ofta proteinkinaser Dessa kinaser överför de avkodade budskapen till specifika transkriptionsfaktorer genom en kaskad av sekventiella fosforyleringshändelser, transkriptionsfaktorerna aktiverar i sin tur de gener som behövs för att reagera på stressen. En av de mest kända måltavlorna för stressignaler är transkriptionsfaktor AP-1 familjemedlemen c-Jun. I denna studie har jag identifierat den nukleolära proteinet AATF som en ny regulator av c-Jun-medierad transkriptionsaktivitet. Jag visar att stresstimuli inducerar omlokalisering av AATF vilket i sin tur leder till aktivering av c-Jun. Den AATF-medierad ökningen av c-Jun-aktiviteten leder till en betydande ökning av programmerad celldöd. Parallellt har jag vidarekarakteriserat Cdk5/p35 signaleringskomplexet som tidigare har identifierats i vårt laboratorium som en viktig faktor för myoblastdifferentiering. Jag identifierade den atypiska PKCξ som en uppströms regulator av Cdk5/p35-komplexet och visar att klyvning och aktivering av Cdk5 regulatorn p35 är av fysiologisk betydelse för differentieringsprocessen och beroende av PKCξ aktivitet. Jag visar att vid induktion av differentiering fosforylerar PKCξ p35 vilket leder till calpain-medierad klyvning av p35 och därmed ökning av Cdk5-aktiviteten. Denna avhandling ökar förståelsen för de regulatoriska mekanismer som styr c-Jun-transkriptionsaktiviteten och c-Jun beroende apoptos genom att identifiera AATF som en viktig faktor. Dessutom ger detta arbete nya insikter om funktionen av Cdk5/p35-komplexet under myoblastdifferentiering och identifierar PKCξ som en uppströms regulator av Cdk5 aktivitet och myoblast differentiering.

Regulation of Spermatogenesis: Differentiation of GFP-labeled Stem Cells and the Function of Cytoplasmic Bridges

During spermatogenesis, different genes are expressed in a strictly coordinated fashion providing an excellent model to study cell differentiation. Recent identification of testis specific genes and the development of green fluorescence protein (GFP) transgene technology and an in vivo system for studying the differentiation of transplanted male germ cells in infertile testis has opened new possibilities for studying the male germ cell differentiation at molecular level. We have employed these techniques in combination with transillumination based stage recognition (Parvinen and Vanha-Perttula, 1972) and squash preparation techniques (Parvinen and Hecht, 1981) to study the regulation of male germ cell differentiation. By using transgenic mice expressing enhanced-(E)GFP as a marker we have studied the expression and hormonal regulation of beta-actin and acrosin proteins in the developmentally different living male germ cells. Beta-actin was demonstrated in all male germ cells, whereas acrosin was expressed only in late meiotic and in postmeiotic cells. Follicle stimulating hormone stimulated b-actin-EGFP expression at stages I-VI and enhanced the formation of microtubules in spermatids and this way reduced the size of the acrosomic system. When EGFP expressing spermatogonial stem cells were transplanted into infertile mouse testis differentiation and the synchronized development of male germ cells could be observed during six months observation time. Each colony developed independently and maintained typical stage-dependent cell associations. Furthermore, if more than two colonies were fused, each of them was adjusted to one stage and synchronized. By studying living spermatids we were able to demonstrate novel functions for Golgi complex and chromatoid body in material sharing between neighbor spermatids. Immunosytochemical analyses revealed a transport of haploid cell specific proteins in spermatids (TRA54 and Shippo1) and through the intercellular bridges (TRA54). Cytoskeleton inhibitor (nocodazole) demonstrated the importance of microtubules in material sharing between spermatids and in preserving the integrity of the chromatoid body. Golgi complex inhibitor, brefeldin A, revealed the great importance of Golgi complex i) in acrosomic system formation ii) TRA54 translation and in iii) granule trafficking between spermatids.

Temporal trends in chemical parameters of upland forest soils in southern Finland

Abstract

Immunopathogenesis of Asthma and Atopic Diseases – The specific Role of a selected Panel of Genes in human T helper Cell Differentiation

T helper cell (Th) functions are crucial for proper immune defence against various intra- and extracellular pathogens. According to the specific immune responses, Th cells can be classified into subtypes, Th1 and Th2 cells being the most frequently characterized classes. Th1 and Th2 cells interact with other immune cells by regulating their functions with specific cytokine production. IFN, IL-2 and TNF- are the cytokines predominantly produced by Th1 cells whereas Th2 cells produce Th2-type cytokines, such as IL-4, IL-5 and IL-13. Upon TCR activation and in the presence of polarizing cytokines, Th cells differentiate into effector subtypes from a common precursor cell. IFN and IL-12 are the predominant Th1 polarizing cytokines whereas IL-4 directs Th2 polarization. The cytokines mediate their effects through specific receptor signalling. The differentiation process is complex, involving various signalling molecules and routes, as well as functions of the specific transcription factors. The functions of the Th1/Th2 cells are tightly regulated; however, knowledge on human Th cell differentiation is, as yet, fairly poor. The susceptibility for many immune-mediated disorders often originates from disturbed Th cell responses. Thus, research is needed for defining the molecular mechanisms involved in the differentiation and balanced functions of the Th cells. Importantly, the new information obtained will be crucial for a better understanding of the pathogenesis of immune-mediated disorders, such as asthma or autoimmune diseases. In the first subproject of this thesis, the role of genetic polymorphisms in the human STAT6, GATA3 and STAT4 genes were investigated for asthma or atopy susceptibility in Finnish asthma families by association analysis. These genes code for key transcription factors regulating Th cell differentiation. The study resulted in the identification of a GATA3 haplotype that associated with asthma and related traits (high serum IgE level). In the second subproject, an optimized method for human primary T cell transfection and enrichment was established. The method can be utilized for functional studies for the selected genes of interest. The method was also utilized in the third subproject, which aimed at the identification of novel genes involved in early human Th cell polarization (0-48h) using genome-wide oligonucleotide arrays. As a result, numerous genes and ESTs with known or unknown functions were identified in the study. Using an shRNA knockdown approach, a panel of novel IL-4/STAT6 regulated genes were identified in the functional studies of the genes. Moreover, one of the genes, NDFIP2, with a previously uncharacterized role in the human Th differentiation, was observed to promote IFN production of the differentiated Th1 cells. Taken together, the results obtained have revealed potential new relevant candidate genes serving as a basis for further studies characterizing the detailed networks involved in the human Th cell differentiation as well as in the genetic susceptibility of Th-mediated immune disorders.

Regulatory Mechanisms involved in Th2 Cell Differentiation. A Proteomics Approach.

Th2-solujen erilaistumista ohjaavat säätelyverkostot ja niiden tutkiminen proteomiikan avulla Astma ja allergiat ovat laajalle levinneitä ja vakavia sairauksia, joista kärsivät miljoonat ihmiset ympäri maailmaa. Koe-eläimillä tehdyt tutkimukset osoittavat, että interleukiini-4 (IL-4) on tärkeä allergisen astman ja allergioiden kehittymiselle ja kroonistumiselle. Se ohjaa T-auttajasolujen (Th-solujen) kehittymistä Th2-tyypin soluiksi, joilla on merkittävä rooli näiden tautien puhkeamisessa. Th2-solut tuottavat myös itse IL-4:ä, joka edesauttaa taudin seuraavien vaiheiden kehittymistä. Erityisesti STAT6-proteiini, joka aktivoituu IL-4-stimulaation seurauksena, on tarpeen Th2- vasteen syntymiselle ja kroonistumiselle antigeenin aiheuttamassa keuhkoputkien astmaattisessa tulehduksessa. Väitöskirjatyöni tarkoituksena oli käyttää kaksidimensionaaliseen elektroforeesiin (2- DE) perustuvaa proteomiikkaa ja massaspektrometriaa uusien Th2-solujen erilaistumista säätelevien proteiinien tunnistamiseksi. Erilaistumattomat Th-solut eristettiin vastasyntyneen napaverestä tai hiiren pernasta. Solut aktivoitiin Tsolureseptorin ja ns. ko-stimulatoristen reseptorien kautta ja erilaistettiin joko Th1- tai Th2-suuntaan vastaavasti erilaistavien IL-12- ja IL-4-sytokiinien avulla. Ensimmäisessä tutkimuksessa in vitro -erilaistettujen Th1- ja Th2-solujen proteomeja verrattiin keskenään proteiinien ilmenemisessä tai proteiinimodifikaatioissa olevien erojen tunnistamiseksi. Kaksi muuta päätutkimusta keskittyivät IL-4:n aiheuttamaan proteiinitason säätelyyn ensimmäisen vuorokauden aikana T-soluaktivaation jälkeen. Näistä ensimmäisessä IL-4:n aiheuttamia eroja tunnistettiin aktivoiduista ihmisen Thsoluista. IL-4:n todettiin säätelevän useita proteiineja kaspaasien välittämissä signalointiteissä sekä lisäävän T-solujen elävyyttä ja aktivoitumista. Toisessa tutkimuksessa STAT6-poistogeenisten hiirien lymfosyyttien proteomia verrattiin villityypin kontrollisoluihin T-soluaktivaation ja IL-4-stimulaation jälkeen. Näissä tutkimuksissa karakterisoitiin useita uusia IL-4:n ja STAT6:n kohdeproteiineja ja löydettiin uusia säätelyverkostoja. Tutkimustulokset ovat johtaneet uusiin Th2-erilaistumismekanismeja koskeviin hypoteeseihin.

Jätekeskuksen jasuljetun kaatopaikan jätevesien esikäsittelyn tehostamismahdollisudet

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia toiminnassa olevan jätekeskuksen ja suljetun kaatopaikan jätevesien esikäsittelyn tehostamismahdollisuuksia. Tutkimuksessa pyrittiin löytämään niitä teknisiä keinoja, joilla jätevesien esikäsittelyä voidaan tehostaa erityisesti ammoniumtypen osalta. Tapausesimerkkinä työssä käytettiin Jätekukko Oy:n toiminnassa olevaa Kuopion jätekeskusta ja Kuopion kaupungin suljettua Silmäsuon kaatopaikkaa. Kohteiden jätevedet johdetaan kunnalliselle jätevedenpuhdistamolle, jossa jätevesien korkea ammoniumtyppipitoisuus ja matala lämpötila ovat häirinneet puhdistusprosessia. Tutkimuksen taustana selvitettiin jätekeskusten jakaatopaikkojen jätevesien käsittelyyn vaikuttavaa lainsäädäntöä, jätevesien ominaisuuksia ja niiden käsittelytekniikoita. Jätevesien käsittelyn nykytilaa Suomessa kartoitettiin jätehuoltoyhtiöille ja kunnille suunnatulla kyselyllä. Lisäksitutkimus perustui kenttäkokeisiin, joissa tutkittiin Kuopion jätekeskuksen nykyisen tasausaltaan toimivuutta vuoden ajan. Sekä Kuopion jätekeskuksen että Silmäsuon suljetun kaatopaikan jätevesistä otettiin vesien tarkkailuohjelmaan kuuluvien näytteiden lisäksi ylimääräisiä näytteitä, joilla pyrittiin saamaan uutta tietoa jäteveden laatumuuttujien vuodenaikaisvaihtelusta. Kuopion jätekeskuksen ja Silmäsuon suljetun kaatopaikan jätevesien käsittelyä tulevaisuudessa tarkasteltiin erilaisilla tilannemalleilla. Tutkimuksessa havaittiin, että Kuopion jätekeskuksen ja Silmäsuon suljetun kaatopaikan jätevedet olivat laadultaan ja määrältään erilaisia. Jätekeskuksen nykyinen jätevesien tasausallas poistaa ammoniumtyppeä vain kesäisin. Jätekeskuksen jätevesien nykyisen tasausaltaan toiminnan tehostaminen ei ole taloudellisesti perusteltua, vaan resurssit on kohdistettava uuden tasausaltaan rakentamiseen. Kuopion jätekeskuksen jätevesienesikäsittely ilman Silmäsuon suljetun kaatopaikan jätevesiä ei ole tarkoituksenmukaista, koska jätevedet johdetaan jätevedenpuhdistamolle samaa viemärilinjaa pitkin. Tällöin Silmäsuon suljetun kaatopaikan jätevedet tulevat mitätöimään jätekeskuksella tehdyn esikäsittelyn puhdistustuloksen Mahdollisen jätevesien yhteisen esikäsittelymenetelmän tulee olla fysikaalis-kemiallinen, jätevesien ominaisuuksista johtuen. Jos jätevesiä ei esikäsitellä yhdessä, jätekeskuksen jätevesien käsittelyksi riittävät uusi tasausallas ja siihen asennettava ilmastus. Tässä tapauksessa jätekeskuksen ympäristölupamääräysten ammoniumtyppipitoisuuden raja-arvoa on arvioitava uudelleen.

Effect of physico-chemical conditions and operating parameters on flux and retention of different components in ultrafiltration and nanofiltration fractionation of sweet whey

Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin fysikaaliskemiallisten olosuhteiden ja toimintaparametrien vaikutusta juustoheran fraktiointiin. Kirjallisuusosassa on käsitelty heran ympäristövaikutusta, heran hyödyntämistä ja heran käsittelyä kalvotekniikalla. Kokeellinen osa on jaettu kahteen osaan, joista ensimmäinen käsittelee ultrasuodatusta ja toinen nanosuodatusta juustoheran fraktioinnissa. Ultrasuodatuskalvon valinta tehtiin perustuen kalvon cut-off lukuun, joka oli määritetty polyetyleeniglykoliliuoksilla olosuhteissa, joissa konsentraatiopolariosaatioei häiritse mittausta. Kriittisen vuon konseptia käytettiin sopivan proteiinikonsentraation löytämiseksi ultrasuodatuskokeisiin, koska heraproteiinit ovat tunnetusti kalvoa likaavia aineita. Ultrasuodatuskokeissa tutkittiin heran eri komponenttien suodattumista kalvon läpi ja siihen vaikuttavia ominaisuuksia. Herapermeaattien peptidifraktiot analysoitiin kokoekskluusiokromatografialla ja MALDI-TOF massaspektrometrillä. Kokeissa käytettävien nanosuodatuskalvojen keskimääräinen huokoskoko analysoitiin neutraaleilla liukoisilla aineilla ja zeta-potentiaalit virtauspotentiaalimittauksilla. Aminohappoja käytettiin malliaineina tutkittaessa huokoskoon ja varauksen merkitystä erotuksessa. Aminohappojen retentioon vaikuttivat pH ja liuoksen ionivahvuus sekä molekyylien väliset vuorovaikutukset. Heran ultrasuodatuksessa tuotettu permeaatti, joka sisälsi pieniä peptidejä, laktoosia ja suoloja, nanosuodatettiin happamassa ja emäksisessä pH:ssa. Emäksisissä oloissa tehdyssä nanosuodatuksessa foulaantumista tapahtui vähemmän ja permeaattivuo oli parempi. Emäksisissä oloissa myös selektiivisyys laktoosin erotuksessa peptideistä oli parempi verrattuna selektiivisyyteen happamissa oloissa.

Practical applications of a systematic approach to the chemical abatement of pollutants in water and air

The present dissertation is devoted to the systematic approach to the development of organic toxic and refractory pollutants abatement by chemical decomposition methods in aqueous and gaseous phases. The systematic approach outlines the basic scenario of chemical decomposition process applications with a step-by-step approximation to the most effective result with a predictable outcome for the full-scale application, confirmed by successful experience. The strategy includes the following steps: chemistry studies, reaction kinetic studies in interaction with the mass transfer processes under conditions of different control parameters, contact equipment design and studies, mathematical description of the process for its modelling and simulation, processes integration into treatment technology and its optimisation, and the treatment plant design. The main idea of the systematic approach for oxidation process introduction consists of a search for the most effective combination between the chemical reaction and the treatment device, in which the reaction is supposed to take place. Under this strategy,a knowledge of the reaction pathways, its products, stoichiometry and kinetics is fundamental and, unfortunately, often unavailable from the preliminary knowledge. Therefore, research made in chemistry on novel treatment methods, comprisesnowadays a substantial part of the efforts. Chemical decomposition methods in the aqueous phase include oxidation by ozonation, ozone-associated methods (O3/H2O2, O3/UV, O3/TiO2), Fenton reagent (H2O2/Fe2+/3+) and photocatalytic oxidation (PCO). In the gaseous phase, PCO and catalytic hydrolysis over zero valent ironsare developed. The experimental studies within the described methodology involve aqueous phase oxidation of natural organic matter (NOM) of potable water, phenolic and aromatic amino compounds, ethylene glycol and its derivatives as de-icing agents, and oxygenated motor fuel additives ¿ methyl tert-butyl ether (MTBE) ¿ in leachates and polluted groundwater. Gas-phase chemical decomposition includes PCO of volatile organic compounds and dechlorination of chlorinated methane derivatives. The results of the research summarised here are presented in fifteenattachments (publications and papers submitted for publication and under preparation).

Quantitative proteomics in the characterization of T helper lymphocyte differentiation

The term proteome is used to define the complete set of proteins expressed in cells or tissues of an organism at a certain timepoint. Respectively, proteomics is used to describe the methods, which are used to study such proteomes. These methods include chromatographic and electrophoretic techniques for protein or peptide fractionation, mass spectrometry for their identification, and use of computational methods to assist the complicated data analysis. A primary aim in this Ph.D. thesis was to set-up, optimize, and develop proteomics methods for analysing proteins extracted from T-helper (Th) lymphocytes. First, high-throughput LC-MS/MS and ICAT labeling methods were set-up and optimized for analysing the microsomal fraction proteins extracted from Th lymphocytes. Later, iTRAQ method was optimized to study cytokine regulated protein expression in the nuclei of Th lymphocytes. High-throughput LC-MS/MS analyses, like ICAT and iTRAQ, produce large quantities of data and robust software and data analysis pipelines are needed. Therefore, different software programs used for analysing such data were evaluated. Moreover, a pre-filtering algorithm was developed to classify good-quality and bad-quality spectra prior to the database searches. Th-lymphocytes can differentiate into Th1 or Th2 cells based on surrounding antigens, co-stimulatory molecules, and cytokines. Both subsets have individual cytokine secretion profiles and specific functions. Th1 cells participate in the cellular immunity against intracellular pathogens, while Th2 cells have important role in the humoral immunity against extracellular parasites. An abnormal response of Th1 and Th2 cells and imbalance between the subsets are charasteristic of several diseases. Th1 specific reactions and cytokines have been detected in autoimmune diseases, while Th2 specific response and cytokine profile is common in allergy and asthma. In this Ph. D. thesis mass spectrometry-based proteomics was used to study the effects of Th1 and Th2 promoting cytokines IL-12 and IL-4 on the proteome of Th lymphocytes. Characterization of microsomal fraction proteome extracted from IL-12 treated lymphobasts and IL-4 stimulated cord blood CD4+ cells resulted in finding of cytokine regulated proteins. Galectin-1 and CD7 were down-regulated in IL-12 treated cells, while IL-4 stimulation decreased the expression of STAT1, MXA, GIMAP1, and GIMAP4. Interestingly, the transcription of both GIMAP genes was up-regulated in Th1 polarized cells and down-regulated in Th2 promoting conditions.