Search

The obesity epidemic has grown over the last four decades in most European countries including Finland where 21.5% of women and 20% of men are now living with obesity. There is a large body of evidence establishing that the first years of life, including the foetal period, are critical for obesity and general health later in life. However, a better understanding of the link between early life determinants and the life-course trajectory of obesity is needed. In this thesis, associations between early life determinants and cardio-metabolically healthy obesity, defined as obesity in the absence of any cardiometabolic disorders, were investigated. The relationships between early life determinants and developmental body mass index (BMI) trajectories were explored. Finally, the associations between temperament traits and cardiovascular health and whether eating behaviours and fitness mediated the associations were examined. The research was conducted on data from the prospective Northern Finland Birth Cohorts 1966 (NFBC1966) and 1986 (NFBC1986) using association analyses, latent trajectory modelling and causal mediation analysis. The first study suggested that early life determinants such as age at adiposity rebound were associated with cardio-metabolically healthy obesity and that the association differed between males and females. In the second study, developmental BMI trajectories were modelled from NFBC1966 and NFBC1986. Adverse maternal factors were associated with unfavourable BMI trajectories. A different pattern of association between age at adiposity peak and BMI trajectories was found between the different cohorts, uncovering secular trends. The third study provided evidence that associations between temperament traits, established early in life, and cardiovascular health measures could be sex-specific. Furthermore, eating behaviours and mediators involved in the associations seemed to be associated with sex. The research undertaken in this thesis provides evidence to support the effect of early life determinants on life-course metabolic health and highlights the role of sex in these pathways. In addition, this work further advances the importance of psychological factors in relation to metabolic health with a specific focus on sex-specific temperament and behavioural mediators. Tiivistelmä Lihavuus on yleistynyt viimeisen neljän vuosikymmenen aikana useimmissa Euroopan maissa, myös Suomessa. Suomessa naisista 21,5 % ja miehistä 20 % on ylipainoisia. Aiempien tutkimusten mukaan ensimmäiset elinvuodet, sikiökausi mukaan luettuna, ovat tärkeitä myöhemmän lihavuuden ja yleisen terveyden kannalta. Tieto elämän varhaisvaiheisiin liittyvien tekijöiden ja lihavuuden kehityksen välisestä yhteydestä on kuitenkin puutteellista. Tämän väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä tutkittiin elämän varhaisvaiheiden tekijöiden yhteyttä kardiometabolisesti terveeseen lihavuuteen, joka määritellään lihavuudeksi ilman verenkiertoelimistön sairauksia tai niiden tunnettuja riskitekijöitä. Toisessa osatyössä tutkittiin elämän varhaisvaiheiden tekijöiden ja painoindeksin kehityskaarten välisiä suhteita. Viimeisessä osatyössä tutkittiin temperamentin ja metabolisen terveyden, veren rasva-arvojen, välisiä yhteyksiä sekä näiden yhteyksien välittymistä syömiskäyttäytymisen ja fyysisen kunnon kautta. Tutkimus tehtiin Pohjois-Suomen syntymäkohorteissa 1966 (NFBC1966) ja 1986 (NFBC1986) käyttäen assosiaatioanalyysejä, latenttikasvukäyrämallinnusta sekä kausaalisuhdeanalyysejä. Ensimmäisessä osatyössä havaittiin, että elämän varhaisvaiheiden tekijät vaikuttivat kardiometabolisesti terveeseen lihavuuteen. Tällainen tekijä oli esimerkiksi ikä, jossa leikki-ikäisen lapsen painoindeksi on pienin ennen kuin se alkaa jälleen kasvaa (engl. adiposity rebound). Vaikutus oli kuitenkin erilainen miehillä ja naisilla. Toisessa tutkimuksessa painoindeksin kehityskaaret mallinnettiin NFBC1966 ja NFBC1986 -kohorteissa. Äidin tupakointi ja raskautta edeltänyt korkeampi painoindeksi olivat yhteydessä lapsen epäsuotuisaan painoindeksin kehityskaareen. Yhteys imeväisiän painoindeksin kasvukäyrän huipun ajoittumisen ja mallinnetun painoindeksin kehityskaaren välillä oli kohorteissa erilainen, mikä viittaa aikakaudellisiin ympäristön vaikutuksiin. Kolmannessa työssä tutkittiin erilaisia temperamenttipiirteitä, jotka myös ilmenivät varhaisella iällä. Työ osoitti, että temperamentti on yhteydessä veren rasva-arvoihin, mutta osin eri tavoin eri sukupuolilla. Lisäksi havaittiin miesten ja naisten välisiä eroja siinä, miten elintavat välittivät temperamenttipiirteiden ja veren rasva-arvojen välisiä yhteyksiä. Tämän väitöskirjan tulokset tarjoavat lisänäyttöä elämän varhaisvaiheen tekijöiden yhteyksistä metaboliseen terveyteen läpi elämän ja korostavat sukupuolten välisiä eroja. Tulokset vahvistavat käsitystä metaboliseen terveyteen vaikuttavien tekijöiden monimuotoisuudesta temperamentista terveyskäyttäytymiseen läpi elämän.

Musculoskeletal diseases, such as osteoarthritis (OA), lumbar disc degeneration (LDD) and osteoporosis (OP), are common complex disorders affected by both environmental and genetic factors. OA and LDD are degenerative diseases affecting joints and spine and Modic changes (MC) are a specific phenotype of LDD. OP is a disorder causing bone fragility. There are families with a history of early onset cartilage degradation, disc disorders and bone fragility as well as rare, more severe disorders with these traits as part of the phenotype. The aim of this study was to identify predisposing genetic factors in Finnish families with three different musculoskeletal phenotypes and to investigate the use of whole exome sequencing (WES) as a tool. Six families were studied here, three diagnosed with hip and knee OA, two with MC and one with primary OP. Using WES together with in silico and in vitro analyses we identified new candidate genes. In the two OA families we identified family specific variants, c.-127G>T in the 5’UTR of FIP1L1 and p.Arg210Gly in OLIG3. We observed expression of these genes in human bone and cartilage. Both FIP1L1 and OLIG3 participate in the regulation of transcription. Family specific variants were also found in both families with MC: p.Gln1611fs in HSPG2 and p.Glu553Lys in MAML1. HSPG2 encodes for an important structural protein in the disc and MAML1 is a transcription factor. The family with primary OP had previously been reported to carry a heterozygous COL1A2 deletion leading to nonsense-mediated mRNA decay. In the WES we identified an additional change that may contribute to the phenotype: p.Arg428* in ZNF528. We showed experimentally that the variant leads to expression of a truncated form of ZNF528 in the nucleus. ZNF528 binding sites are located near genes associated with bone phenotypes. We identified twelve potential target genes for ZNF528 that were differentially expressed in patients’ cells compared to controls. Altogether, we identified five new candidate genes for the studied phenotypes demonstrating that WES can be used as a tool in studying complex musculoskeletal phenotypes in families. One of the identified candidate genes, HSPG2, encodes a structural protein, whereas, OLIG3, FIP1L1, MAML1 and ZNF528, participate in the regulation of transcription supporting the importance of regulatory mechanisms in the pathogenesis of musculoskeletal diseases. Tiivistelmä Tuki- ja liikuntaelinsairaudet, kuten nivelrikko, välilevyrappeuma ja osteoporoosi, ovat yleisiä, monitekijäisiä sairauksia. Nivelrikko ja välilevynrappeuma ovat eteneviä nivelten ja selkärangan sairauksia. Modic muutokset ovat välilevyn ja nikaman välisten päätelevyjen muutoksia. Osteoporoosi on luuta haurastuttava sairaus. Varhaisessa iässä ilmenevää ruston haurastumista, välilevyn sairauksia tai luun haurautta tavataan myös suvuittain esiintyvinä sairauksina tai vakavien harvinaisten sairauksien oireina. Tutkimuksen tarkoitus oli tunnistaa altistavia geneettisiä tekijöitä kolmelle tuki- ja liikuntaelimistön sairaudelle suomalaisissa perheissä käyttäen eksomisekvensointi-menetelmää. Aineisto koostui kuudesta perheestä: kolmessa oli diagnosoitu lonkan ja polven nivelrikko, kahdessa selän välilevyjen Modic muutoksia ja yhdessä primaarinen vaikea selän osteoporoosi. Tunnistimme uusia ehdokasgeenejä käyttäen eksomisekvensointi-menetelmää sekä in silico ja in vitro analyysejä. Kahdessa nivelrikkoperheessä tunnistimme perhekohtaiset variantit kahdessa geenissä: c.-127G>T variantin FIP1L1 geenin säätelyalueella ja p.Arg210Gly variantin OLIG3 geenissä. Osoitimme, että nämä traskription säätelyyn osallistuvat geenit ilmenevät ihmisen luu- ja rustokudoksessa. Perhekohtaiset variantit havaittiin myös perheissä, joilla oli todettu Modic muutoksia: p.Gln1611fs HSPG2 -geenissä ja p.Glu553Lys MAML1 -geenissä. HSPG2 koodaa välilevylle tärkeää rakenneproteiinia ja MAML1 on transkriptiota säätelevä tekijä. Primaarista osteoporoosia sairastavalla perheellä oli aiemmin havaittu heterotsygootti, geenituotteen hajottamiseen johtava deleetio, COL1A2 -geenissä. Eksomisekvensoinnlla havaitsimme mahdollisesti taudin ilmiasuun lisäksi vaikuttavan muutoksen ZNF528 -geenissä. Osoitimme kokeellisesti, että havaittu variantti johtaa lyhentyneen proteiinin tuottoon solussa. ZNF528 on transkriptiotekijä, jolle tunnistimme kaksitoista mahdollista kohdegeeniä ja havaitsimme että niiden tuotto oli muuttunut potilaiden soluissa kontrollisoluihin verrattuna. Tunnistimme viisi uutta ehdokasgeeniä kolmessa eri sairaudessa eksomisekvensointi-menetelmän avulla. Yksi tunnistetuista geeneistä, HSPG2, koodaa rakenneproteiinia, ja muut osallistuvat transkription säätelyyn. Tämä tukee käsitystä säätelytekijöiden tärkeydestä TULE sairauksien synnyssä.

Sciatica is a common musculoskeletal disorder, especially among the working-age population. It causes huge costs to society through work absenteeism and hospital treatments. The common cause of sciatica is the herniated lumbar disc compressing the nerve root. The neurological deficit resulting from this compression can be either sensory or motor-related. Earlier studies have shown both genetic and environmental factors to exist in the aetiology of sciatica. The aim of this study was to investigate how individual, physical and work-related risk factors associate with sciatica, and to determine the prevalence of sciatic pain among Finnish adolescents. The data used in this study were from large, population-based Finnish surveys: the Northern-Finland Birth Cohort 1986, the Mobile Clinic Health Examination Survey, the Mini-Finland Health Survey, Health 2000, the Young Finns Study, and the Helsinki Health Studies. The results of this study showed that sciatic symptoms are already common among adolescents. Young women in particular reported sciatic pain more often than men. Low back pain at the age of 16 predicted sciatic pain at the age of 18. Physically demanding work, smoking and obesity were found to predict an increased risk of hospitalization for sciatica. In the Mobile Clinic Health Examination Survey, leisure-time physical activity protected men from hospitalization for sciatica, whereas among women obesity increased this risk. Occupation also modified the effects of various risk factors. In the Mini-Finland Health Survey, overweight and obese participants who had been exposed to whole body vibration in their work were at a higher risk of hospitalization due to sciatica. In addition, lifting and carrying heavy objects at work, or sedentary work involving the handling of heavy objects predicted an increased risk of hospitalization for sciatica. Heavy or very heavy work protected against hospitalization for sciatica. A meta-analysis of four prospective cohort studies showed that walking and cycling to work reduced the risk of hospitalization for sciatica. This thesis extends our knowledge regarding the risk factors for sciatica. Its results show that these risk factors are complex and can modify each other’s effects. Thus, further research on the interactions of the various risk factors is needed. Tiivistelmä Iskias on etenkin työikäisten keskuudessa yleinen sairaus, joka aiheuttaa paljon työkyvyttömyyttä ja sairaalahoitoja ja siten kustannuksia yhteiskunnalle. Iskiaksen taustalla on yleensä välilevyn pullistuma, joka painaa hermojuuria. Hermojuuren puristuksesta aiheutuva neurologinen puutosoire voi olla joko sensorinen tai motorinen. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet iskiaksen taustalla olevan sekä geneettisiä että ympäristötekijöitä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää yksilöllisten, fyysisten ja työhön liittyvien riskitekijöiden yhteyttä iskiakseen sekä tutkia iskiaskivun yleisyyttä suomalaisilla nuorilla aikuisilla. Aineistoina tutkimuksessa käytettiin laajoja väestöpohjaisia suomalaisia aineistoja: Pohjois-Suomen syntymäkohorttia 1986, Autoklinikka- ja Mini-Suomi-aineistoja sekä Terveys 2000-, Young Finns- ja Helsinki Health Study -tutkimuksia. Tutkimuksessa selvisi, että iskiasoireet ovat yleisiä jo nuorilla aikuisilla ja etenkin naiset raportoivat iskiaskipua useammin miehiin verrattuna. 16-vuotiaana ilmennyt alaselkäkipu oli myös yhteydessä iskiasoireisiin 18 vuoden iässä. Työn fyysisen rasittavuuden, tupakoinnin ja lihavuuden todettiin lisäävän sairaalahoitoon johtaneen iskiaksen riskiä. Autoklinikka-aineistossa vapaa-ajan fyysinen aktiivisuus suojasi miehiä sairaalahoitoon johtaneelta iskiakselta, naisilla taas ylipaino lisäsi iskiaksen riskiä. Lisäksi ammatti näytti muokkaavan riskitekijöiden assosiaatioita. Mini-Suomi-aineistossa ylipainoiset ja lihavat henkilöt, jotka olivat altistuneet työssään koko kehon tärinälle, olivat korkeammassa riskissä sairaalahoitoon johtaneen iskiaksen suhteen. Töissä raskaiden esineiden nostaminen tai kantaminen tai painavien esineiden käsittelyä sisältävä istumatyö lisäsivät myös iskiaksen riskiä. Raskas tai erittäin raskas fyysinen työ taas näytti suojaavan sairaalahoitoon johtaneelta iskiakselta. Neljän prospektiivisen kohorttitutkimuksen meta-analyysissä selvisi, että työmatkapyöräily tai -kävely vähensivät sairaalahoitoon johtaneen iskiaksen riskiä. Tämä väitöstutkimus kasvattaa ymmärtämystä iskiaksen taustalla olevista riskitekijöistä. Tulokset osoittavat, että iskiaksen riskitekijät ovat moniulotteisia ja voivat muokata toistensa vaikutuksia, joten lisätutkimusta eri riskitekijöiden välisistä interaktioista tarvitaan.

Metabolic syndrome is a constellation of metabolic abnormalities predisposing to cardiovascular diseases (CVD), type 2 diabetes, and increased mortality. Due to the high prevalence and severe co-morbidities, metabolic syndrome constitutes a major burden for both public health and the global economy. Improved understanding of the detailed molecular mechanisms could provide novel strategies for the treatment and preferably prevention of the metabolic syndrome-related health issues. Recent advancements in ‘omics’ technologies have facilitated the development of novel tools to examine the links between genetic variation and human health. The new techniques allow determination of millions of genotypes or quantification of hundreds of metabolic measures from a single blood sample. In this thesis, genomics and metabolomics approaches are coupled to improve our understanding of the metabolic syndrome-related health issues. More precisely, my projects evaluate the metabolic effects of two lipid-lowering therapies and non-alcoholic fatty liver, as well as assess genetic determinants of chronic inflammation. The present results indicate generally consistent metabolic effects of statins and proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9) genetic inhibition. The subtle discrepancies observed could potentially contribute to differences in the efficacy to lower CVD risk between statins and PCSK9 inhibitors. The dissimilar metabolic effects of the four genetic variants that increase the risk of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) highlight the heterogeneity of the molecular mechanisms involved in NAFLD pathogenesis. The results further suggest that fatty liver by itself might not promote unfavourable metabolic aberrations associated with fatty liver on a population level. The newly identified loci associating with inflammatory phenotypes elucidate the genetic mechanisms contributing to the inflammatory load. In particular, the present results suggest the important role of the locus determining the ABO blood types in the regulation of the soluble adhesion molecule levels. To conclude, this thesis successfully complements the knowledge of the molecular mechanisms involved in metabolic syndrome-related traits and provides examples of how to couple omics technologies in the study of complex traits or in the evaluation of drug effects. Tiivistelmä Metabolinen oireyhtymä on tila, jossa useiden aineenvaihdunnallisten riskitekijöiden kasautuminen suurentaa riskiä sairastua tyypin 2 diabetekseen ja sydän- ja verisuonitauteihin sekä lisää kokonaiskuolleisuutta. Vakavista liitännäissairauksista ja suuresta esiintyvyydestä johtuen metabolinen oireyhtymä kuormittaa merkittävästi sekä terveydenhuoltoa että kansantaloutta. Jotta metabolisen oireyhtymän hoitoon ja ennaltaehkäisyyn voitaisiin kehittää uusia keinoja, on tärkeää ymmärtää paremmin oireyhtymän syntyyn vaikuttavat täsmälliset molekyylimekanismit. Niin sanottujen ’omiikka-tekniikoiden’ viimeaikainen kehitys tarjoaa uusia mahdollisuuksia tutkia geenimuutosten vaikutuksia terveyteen. Uusien tekniikoiden avulla voidaan määrittää miljoonia genotyyppejä tai satoja aineenvaihdunnan merkkiaineita yhdestä verinäytteestä. Tässä väitöskirjatyössä yhdistetään genomiikan ja metabolomiikan menetelmiä metaboliseen oireyhtymään liittyvien terveysongelmien tutkimiseksi. Väitöskirjani osatöissä arvioin kahden lipidilääkkeen sekä ei-alkoholiperäisen rasvamaksan aineenvaihdunnallisia vaikutuksia sekä pyrin tunnistamaan krooniseen tulehdukseen vaikuttavia geneettisiä tekijöitä. Tulosten mukaan statiinien ja PCSK9:n (engl. proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) geneettisen eston aineenvaihduntavaikutukset ovat hyvin samankaltaiset. Kuitenkin havaitut pienet poikkeavuudet tietyissä merkkiaineissa voivat vaikuttaa eroavaisuuksiin siinä, kuinka tehokkaasti lääkeaineet alentavat sydäntautiriskiä. Suuret erot rasvamaksan riskiä lisäävien geenimuutosten vaikutuksissa aineenvaihduntaan korostavat rasvamaksaan liittyvien molekyylimekanismien monimuotoisuutta. Tulosten perusteella vaikuttaa siltä, että rasvan kertyminen maksaan ei luultavasti itsessään aiheuta suuria muutoksia verenkierron aineenvaihduntatuotteiden pitoisuuksiin. Tulehdusmerkkiaineisiin assosioituvat uudet geenialueet täydentävät tulehduksen molekyylimekanismeihin liittyvää tietoa. Tulokset korostavat ABO-veriryhmän määräävän geenin vaikutusta liukoisten adheesiomolekyylien pitoisuuksiin. Kaiken kaikkiaan väitöskirjan osatyöt tuovat uutta tietoa metaboliseen oireyhtymään liittyvien terveysongelmien molekyylimekanismeihin. Projektit havainnollistavat, miten omiikka-tekniikoita voidaan hyödyntää monitekijäisten fenotyyppien tutkimuksessa sekä lääkeaineiden aineenvaihduntavaikutusten arvioinnissa.

Low back pain (LBP) is a highly prevalent musculoskeletal condition and the leading cause for workplace absenteeism. Lumbar disc degeneration (DD) is considered as a contributing factor to LBP. The role of genetic factors in the development of lumbar DD has been demonstrated to be significant, with heritability estimates ranging from 64% to 81%. Modic change (MC), a distinct phenotype of lumbar DD, is a subchondral and vertebral bone marrow change revealed only by magnetic resonance imaging (MRI). MC has been associated with LBP in both clinical samples and the general population. The genetic background of MC is largely unknown, and the heritability of MC has not previously been assessed. The aim of this study was to assess the heritability of MC using a twin study, identify predisposing genetic factors for MC in a family-based design using whole-exome sequencing and to identify genetic loci associated with MC using genome-wide association study (GWAS) meta-analysis. An additional aim was to study the prevalence, incidence and morphology of MC. The data consisted of two general population samples, the Northern Finland Birth Cohort 1966 (NFBC1966) and TwinsUK from the United Kingdom, as well as two Finnish families from the Oulu region. MC was found to be partly heritable with a heritability estimate of 30%. Two novel candidate genes, HSPG2 and MAML1, were found co-segregating with MC in two Finnish families. Both genes are important in the growth and differentiation of chondrocytes. Finally, a genetic locus on chromosome 9 was found to be significantly associated with MC using genome-wide meta-analysis of NFBC1966 and TwinsUK. These results showed that genetic factors play a role in the development of MC. In conclusion, this thesis increased the knowledge on the genetics of MC. However, the specific roles of these genes need to be studied further. Tiivistelmä Alaselkäkivun kansaterveydellinen merkitys on suuri, sillä jopa 84% aikuisista kärsii siitä elämänsä aikana. Selkäkivun vuoksi Suomessa kertyy yli 2 miljoona sairauslomapäivää vuodessa. Välilevyrappeumaa pidetään merkittävänä tekijänä alaselkäkivun synnyssä ja perinnölliset tekijät selittävät välilevyrappeuman synnystä jopa 74%. Modic-muutokset ovat selkärangan välilevyjen päätelevyjen ja subkondraalisen luun muutoksia, jotka voidaan havaita ainoastaan magneettikuvauksella. Niitä pidetään välilevyrappeuman alatyyppinä. Modic-muutosten on osoitettu olevan yhteydessä alaselkäkipuun, mutta etiologia tunnetaan huonosti. Perinnöllisyyden osuutta Modic-muutoksien synnyssä ei ole aiemmin tutkittu ja niiden taustalla vaikuttavat geneettiset tekijät ovat pääasiassa tuntemattomia. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli arvioida perinnöllisyyden osuutta Modic-muutoksissa kaksoisaineistossa, tunnistaa Modic-muutoksille altistavia geneettisiä muutoksia perheaineistossa käyttäen eksomisekvensointia ja tunnistaa genomin alueita, jotka assosioituvat Modic-muutoksiin. Tutkimus perustui kahteen väestöperäiseen aineistoon: Pohjois-Suomen Syntymäkohorttiin 1966 ja TwinsUK-kaksosaineistoon Yhdistyneistä kuningaskunnista sekä kahteen pohjois-suomalaiseen perheeseen. Tutkimuksessa osoitettiin, että Modic-muutokset ovat perinnöllisiä ja, että perinnölliset tekijät selittävät noin 30% niiden ilmenemisestä. Lisäksi tutkimuksessa tunnistettiin kaksi uutta alttiusgeeniä; HSPG2- ja MAML1-geenit. Molemmilla geeneillä on tärkeä rooli rustosolujen kasvamisessa ja erilaistumisessa. Tutkimuksessa myös tunnistettiin kromosomista 9 genomin alue, joka assosioituu Modic-muutoksiin. Väitöskirjassani osoitettiin, että perinnöllisillä tekijöillä on merkitystä Modic-muutosten synnyssä. Kokonaisuudessaan tämä väitöskirja kasvattaa ymmärrystä Modic-muutoksista, mutta lisätutkimusta aiheesta tarvitaan.