Abstract Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1α (PGC-1α) is a master regulator of energy metabolism and mitochondrial biology in high-energy cell types and tissues. The regulation of PGC-1α is versatile, and both transcriptional and post-transcriptional mechanisms play major roles. External stimuli affect PGC-1α-regulation which in turn adapts cellular signals to meet them. For example, conditions like fasting and diabetes mellitus (DM) are known to activate PGC-1α expression in the liver, resulting in enhanced de novo glucose production, gluconeogenesis. In the present study, the mechanisms of hepatic PGC-1α regulation and PGC-1α-regulated functions were elucidated. We found that PGC-1α was induced by oral type 2 diabetes therapeutic metformin, via AMPK and SIRT1, regulating the mitochondrial gene response, against previous assumptions. Simultaneously, gluconeogenesis was repressed by other means. Furthermore, PGC-1α upregulated the anti-inflammatory interleukin 1 receptor antagonist (IL1Rn). PGC-1α also diminished interleukin 1β-mediated inflammatory response in hepatocytes. Novel, xenobiotic and endobiotic metabolizing Cytochrome P450 enzymes regulated by PGC-1α were also identified in this thesis. CYP2A5 was induced by PGC-1α through hepatocyte nuclear factor 4α (HNF-4α) coactivation. Also, vitamin D metabolizing CYP2R1 and CYP24A1 were identified as novel genes regulated by PGC-1α, suggesting a role for PGC-1α in the regulation of active vitamin D levels. The findings presented in this thesis provide insight into the pathology of glucose perturbations such as type 2 diabetes, and stimulate discovery of therapeutic agents to treat this disease. Furthermore, the findings suggest that vitamin D metabolism and energy metabolism are tightly linked, with PGC-1α emerging as a novel mediator. / Tiivistelmä Peroksisomiproliferaattori-aktivoituvan reseptori γ:n koaktivaattori 1α (PGC-1α) on merkittävä glukoosiaineenvaihdunnan ja mitokondrioiden toiminnan säätelijä korkeaenergisissä soluissa ja kudoksissa. PGC-1α:a säädellään monin tavoin: sekä transkriptionaalisella säätelyllä että transkription jälkeisellä muokkauksella on merkittävä rooli. Monet ulkoiset tekijät säätelevät PGC-1α:n aktiivisuutta, joka puolestaan säätelee solunsisäisiä signaalireittejä vastaamaan tähän signaaliin. Esimerkiksi paasto ja diabetes mellitus (DM) ovat fysiologisia tiloja, jotka lisäävät voimakkaasti PGC-1α:n ilmentymistä maksassa, jolloin glukoosin uudistuotanto eli glukoneogeneesi kiihtyy. Tässä väitöskirjassa tutkittiin PGC-1α:n säätelyä sekä PGC-1α -säädeltyjä signaalireittejä maksassa. Osoitimme, että tyypin 2 diabeteslääke metformiini indusoi PGC-1α:n ilmentymistä maksassa, vastoin aikaisempia käsityksiä. PGC-1α indusoitui AMPK:n ja SIRT1:n välityksellä, säädelleen edelleen mitokondriaalisten geenien aktiivisuutta. Samalla glukoneogeneesi kuitenkin repressoitui muilla mekanismeilla. Lisäksi osoitimme, että PGC-1α indusoi tulehdusreaktiota vaimentavaa interleukiini 1 reseptorin antagonistia (IL1Rn). PGC-1α esti interleukiini 1β:n aiheuttamaa tulehdusvastetta hepatosyyteissä. Lisäksi väitöskirjassa tunnistettiin uusia, PGC-1α -säädeltyjä lääkeaineita ja elimistön sisäisiä yhdisteitä metaboloivia sytokromi P450 -entsyymejä (CYP). Hiiren CYP2A5:n ilmentymisen osoitettiin olevan PGC-1α- ja HNF4α-välitteistä. Lisäksi osoitettiin, että D-vitamiinia metaboloivat CYP2R1 ja CYP24A1 ovat uusia PGC-1α -säädeltyjä geenejä. Tämä löydös viittaa siihen, että PGC-1α:lla on rooli aktiivisen D-vitamiinin säätelyssä. Tämän väitöskirjan löydökset lisäävät tietoa glukoosiaineenvaihdunnan häiriöiden kuten tyypin 2 diabeteksen molekulaarisista mekanismeista, joita voidaan hyödyntää mahdollisten uusien lääkeaineiden kehittämisessä. Lisäksi väitöskirjassa osoitettiin, että D-vitamiinimetabolia on kytköksissä energia-aineenvaihduntaan ja että PGC-1α:lla on tässä rooli, jota ei aiemmin ole tunnettu.

Abstract The aim of the present study was to examine associations between serum 25-hydroxyvitamin D [25(OH)D] and 1,25-dihydroxyvitamin D[(1,25(OH)2D]—the circulating and active forms of vitamin D—and periodontal infection. The data were gathered from a case-control study (63 periodontitis patients and 30 periodontally healthy controls) and an intervention study among individuals with type 1 diabetes mellitus (T1DM, 80 patients at the baseline and 65 after periodontal treatment). The periodontal data and the levels of serum 25(OH)D, 1,25(OH)2D and parathyroid hormone (PTH) were available. A third data set included periodontal data and the serum level of 25(OH)D of 1262 non-smoking and non-diabetic 30–49-year-old individuals (Health 2000 Survey). Serum 25(OH)D analyses were done using enzyme-linked immunoassay and radioimmunoassay, 1,25(O)2D analyses using enzyme-immunoassay after purification of 1,25(OH)2D by immunoextraction and PTH analyses using electrochemiluminescence immunoassay. In the case-control study individuals with a low serum 1,25(O)2D level were more likely to belong to the periodontitis group than to the periodontally healthy group and an inverse association was observed between serum 1,25(OH)2D and severity of periodontitis at the baseline of the intervention study. Serum 1,25(OH)2D increased significantly after periodontal treatment in the T1DM patients; a finding that was considered suggestive of a causal relationship between serum 1,25(OH)2D and periodontal infection. Also, serum PTH increased after periodontal treatment; this increase, which was statistically significant (p = 0.016) in patients with moderate or severe periodontitis, may partly account for the earlier observed post-treatment increase in serum 1,25(OH)2D level. Possible explanations for low serum 1,25(OH)2D in periodontal infection may be increased degradation of 1,25(OH)2D, increased use of 1,25(OH)2D, or decreased hydroxylation of 25(OH)D The association between serum 25(OH)D level and periodontal infection was weak, if existent. An inverse association between serum 25(OH)D and the severity of periodontal infection was observed only in the T1DM patients. Among individuals with low plaque level, those in higher 25(OH)D quintiles tended to have fewer teeth with deepened periodontal pockets than those in lower quintiles; a finding which was interpreted to mean a slight protective role of 25(OH)D against periodontal infection. / Tiivistelmä Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää seerumin 25-hydroksivitamiini D:n [25(OH)D, D-vitamiinin varastomuoto] ja 1,25-dihydroksivitamiini D:n [1,25(OH)2D, D-vitamiinin aktiivinen muoto] tasojen yhteyttä parodontiumin alueen infektiosairauksiin. Tulokset perustuvat kolmeen tutkimusasetelmaan: tapaus-verrokki-tutkimus (63 parodontiitti-potilasta, 30 verrokkia), interventio-tutkimus [80 tyypin 1 diabetes mellitus (T1DM) potilasta, joista 65 osallistui seurantaan parodontologisen hoidon jälkeen] ja poikittaistutkimus Terveys 2000 tutkimuksen osa-aineistossa (1262 30-49 vuotiasta tupakoimatonta ei-diabeetikkoa). Tapaus-verrokki- ja interventiotutkimuksissa tutkittiin myös seerumin parathormoonin (PTH) yhteyttä parodontaali-infektioon sekä PTH:n vaikutusta seerumin 1,25(OH)2D tasoon infektion hoidon jälkeen. D-vitamiinin ja PTH:n tasot määritettiin immunologisin menetelmin. Yhteyksiä tutkittiin käyttäen vakioituja monimuuttujamalleja. Tapaus-verrokki-tutkimuksessa yksilöt, joilla seerumin 1,25(OH)2D taso oli alhainen, kuuluivat todennäköisemmin parodontiitti- kuin verrokkiryhmään. Interventiotutkimuksen alkutilanteessa seerumin 1,25(OH)2D:n ja parodontaali-infektion vaikeusasteen välillä vallitsi tilastollisesti merkittävä käänteinen yhteys ja taso nousi merkittävästi infektion hoidon jälkeen. Myös seerumin PTH taso nousi parodontaali-infektion hoidon jälkeen; nousu oli tilastollisesti merkittävä (p = 0.016) pitkälle edennyttä parodontiittia sairastavilla. Interventiotutkimuksen tulokset viittaavat kausaaliseen yhteyteen 1,25(OH)2D:n ja parodontaali-infektion välillä. Alhainen seerumin 1,25(OH)2D pitoisuus infektion vallitessa voi selittyä sen suurella käytöllä immuunipuolustukseen infektion aikana tai lisääntyneellä hajoamisella. Tason nousu hoidon jälkeen tukee edellä mainittua. PTH on 25(OH)D:n hydroksylaation pääsäätelijä ja 1,25(OH)2D:n nousua hoidon jälkeen voi osittain selittää myös seerumin PTH tason kohoaminen. Seerumin 25(OH)D:n ja parodontaali-infektion välillä havaittu yhteys oli heikko, mutta ei täysin sulje pois 25(OH)D:n suojaavaa vaikutusta. Käänteinen yhteys löytyi vain interventiotutkimuksen alkutilanteessa T1DM potilailla. Infektion hoito ei vaikuttanut 25(OH)D tasoon. Terveys 2000 tutkimuksen osa-aineistossa havaittiin hyvän suuhygienian omaavilla jonkin verran alhaisempi määrä syventyneitä ientaskuja ylemmissä kuin alemmissa 25(OH)D kvintiileissä.

Abstract Vitamin D deficiency, obesity and short telomere length are reported to be associated with increased risk of metabolic diseases and all-cause mortality, through modulation of inflammatory pathways. The season of blood sampling, obesity and physical activity have been identified as determinants of 25-hydroxyvitamin D [25(OH)D], but their association with 25(OH)D2 (D2) and 25(OH)D3 (D3) is still poorly understood. In addition, relationships between 25(OH)D, body mass index (BMI), inflammation, and leukocyte telomere length (LTL) has not been previously established. A better understanding of the determinants, risk factors of vitamin D deficiency, and their relationship with BMI, inflammation, and LTL is needed. The study was based on the 31-year follow-up study of the Northern Finland Birth Cohort 1966 (N=4,758). Statistical analyses were used to 1) examine potential determinants of D2 and D3, and identify risk factors associated with hypovitaminosis D, 2) investigate the relationship of 25(OH)D and BMI with LTL and test whether it is independent of inflammatory pathways and, 3) assess how the association of BMI with inflammatory biomarkers might be mediated through 25(OH)D. Our results showed that D2 contributed 5% and D3 95% of the total 25(OH)D concentrations. When examined, the determinants for each isoform, periods of low sunlight exposure associated with increased D2, but with decreased D3. Oral contraceptives associated with increased concentrations of both. We confirmed the known risk factors of low vitamin D: low sunlight periods, residing in northern latitudes, and physical inactivity. Serum 25(OH)D was not an important determinant of LTL, and inflammation may partly mediate the BMI-LTL association. Higher serum 25(OH)D was inversely associated with inflammatory biomarkers, and the association between BMI and biomarkers was modestly mediated through lowered 25(OH)D. In conclusion, our results support the role of known risk factors in vitamin D deficiency and add information on specific determinants of D2 and D3. 25(OH)D did not associate with LTL in young adulthood. We have also provided new insights into a plausible role of vitamin D in BMI associated inflammation. An improved understanding of the role of vitamin D benefits public health in many ways (it can help prevent vitamin D deficiency by implementing lifestyle modification and supplementation). / Tiivistelmä D-vitamiinin puutos, lihavuus ja lyhyt telomeerien pituus liittyvät mahdollisesti lisääntyneeseen riskiin sairastua metabolisiin sairauksiin sekä yleisemmin kuolleisuuteen. Eräs selitys tälle voi löytyä tulehdustekijöistä. Lihavuuden, liikunnan puutteen ja verinäytteenoton ajankohdan tiedetään vaikuttavan 25-hydroksi-D-vitamiinin [25(OH)D]-pitoisuuteen, mutta niiden yhteys D-vitamiinin isomuotoihin (D2, D3) on vielä huonosti tunnettu. Aiemmin ei ole selvitetty 25(OH)D:n, painoindeksin (BMI), tulehduksen ja leukosyyttien telomeerien pituuden (LTL) välisiä yhteyksiä, ja siksi näistä tarvitaan lisätutkimusta. Tutkimusaineistona oli Pohjois-Suomen 1966 syntymäkohortin, 31-vuoden seurantaan osallistuneet henkilöt (N=4,758). Tutkimuksessa keskityttiin 1) selvittämään D2- ja D3-vitamiinipitoisuuksien määrittäviä tekijöitä ja tunnistamaan D-vitamiinin puutteeseen liittyviä riskitekijöitä, 2) tutkimaan 25(OH)D-pitoisuuden ja BMI:n suhdetta LTL:n kanssa sekä testaamaan, onko suhde riippumaton tulehduksellisista tekijöistä ja 3) arvioimaan ilmeneekö BMI:n ja tulehdussytokiinien välinen yhteys 25(OH)D-pitoisuuden kautta. Tutkimus osoitti, että D2-isomuodon osuus oli 5 % ja D3:n osuus 95 % koko 25(OH)D-pitoisuudesta. Näitä isomuotoja määrittäviä tekijöitä tutkittaessa havaittiin, että vähäisellä auringonvalolle altistumisella on todennäköisesti yhteys lisääntyneeseen D2-pitoisuuteen, mutta alhaisempaan D3-pitoisuuteen. Suun kautta otettavien ehkäisypillereiden käytöllä oli yhteys molempien muotojen lisääntyneisiin pitoisuuksiin. Tutkimus vahvisti alhaisten D-vitamiinipitoisuuksien tunnetut riskitekijät: lyhyt altistus auringon valolle sekä fyysinen passiivisuus. 25(OH)D-pitoisuus ei ollut yhteydessä LTL:ään mutta tulehdus näytti osittain vaikuttavan BMI-LTL-assosiaatioon. Korkeampi 25(OH)D-pitoisuus yhdistyi matalampiin tulehdussytokiinipitoisuuksiin, kun taas matala 25(OH)D-pitoisuus muokkasi BMI:n ja biomarkkereiden välisisiä yhteyksiä, tosin heikosti. Yhteenvetona voidaan todeta, että tulokset tukevat tunnettujen riskitekijöiden merkitystä D-vitamiinin puutoksessa ja tuovat lisää tietoa eri isomuotoihin vaikuttavista tekijöistä. Tutkimus antaa myös uusia näkemyksiä D-vitamiinin roolista lihavuuteen liittyvässä matala-asteisessa tulehduksessa. D-vitamiinin vaikutuksien tarkempi tunteminen on merkityksellistä myös kansanterveyden kannalta.