Abstract Low back pain (LBP) is the leading cause of years lived with disabilities worldwide. Intervertebral disc (IVD) degeneration is a strong contributing factor to LBP. Recent studies have shown that genetic determinants contribute markedly to IVD degeneration but knowledge about the actual genes involved as well as their roles is still limited. The aim of this thesis work was to study genetic factors that may predispose to IVD degeneration. Using both family and case-control association study designs, variants in five genes showed association with IVD degeneration on magnetic resonance imaging (MRI) in a population-based sample and among patients with sciatica due to lumbar disc herniation (LDH). We performed a candidate gene association study of the known variants implicated in IVD degeneration in a Finnish cohort of 538 young individuals with a moderate degree of lumbar IVD degeneration on MRI. We were able to confirm the associations of variants in the IL6, SKT, and CILP genes, which provides further evidence for true associations. Based on our earlier linkage study in Finnish sciatica families, we performed a candidate gene analysis and identified IL17F as a potential candidate gene. To the best of our knowledge this is the first study to observe an association between this gene and discogenic sciatica. Both IL-6 and IL-17 are pro-inflammatory cytokines with elevated expression levels in herniated tissues, which suggest a role in IVD degeneration. Study of the role of genes coding for inflammatory mediators is of interest as it may contribute to the understanding of the overall inflammatory response of the disc. In addition, we reported on the involvement of SKT in the etiology of lumbar disc herniation (LDH) both in Japanese and Finnish case-control samples. Experimental studies in mice have shown that Skt homozygous mutants exhibit disc abnormalities resulting in a kinky tale phenotype. We hypothesized that the human homolog SKT could have long-term importance in the onset of IVD degeneration by making the discs more vulnerable. Finally, through linkage studies and in the subsequent association analyses, the role of CHST3 as a novel risk factor for IVD degeneration was identified. CHST3 encodes an enzyme that catalyzes the sulfation of chondroitin, and mutations in this gene are associated with spondylepiphyseal dysplasia and humerospinal dysostosis. In our study, we identified this gene using genome –wide linkage based on data from a Southern Chinese family and speculated that mild CHST3 reduction caused by the reported susceptibility SNP could result in disc degeneration in adults in conjunction with other risk factors. This thesis provides new information about the genetic background of IVD degeneration and new insights into the etiology of the disease. The specific roles of these genes in the IVD function and pathogenesis of sciatica are not clear however, and need to be elucidated. / Tiivistelmä Alaselkäkipu on yksi yleisimmistä sairauksista ja johtava syy työkyvyttömyyteen. Välilevyrappeuma myötävaikuttaa merkittävästi alaselän kipuun. Vaikka aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että perintötekijöillä on vahva osuus välilevyrappeumaan, altistavat geenit ja niiden rooli tunnetaan huonosti. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli arvioida tiettyjen perintötekijöiden osuutta välilevyrappeumassa ja tunnistaa taudille altistava geeni perheaineistossa aiemmin havaitulta kromosomialueelta. Aineistoina tutkimuksessa olivat perheaineistot sekä laajat potilas-kontrolliaineistot suomalaisesta ja aasialaisista väestöistä. Tutkimuksessa osoitimme, että perimän vaihtelut viidessä tutkitussa geenissä altistivat erilaisille välilevyrappeuman taudin muodoille. Tutkimus, jossa analysoimme aiemmin tunnistettuja alttiusgeenejä, vahvisti IL6, SKT ja CILP geenien vaihteluiden osuuden taudin alttiustekijöinä. Tutkimusaineistona oli pohjoissuomalainen syntymäkohortti, jossa välilevyrappeuma oli määritetty magneettikuvauksella (MRI). Suomalaisessa perheaineistossa tehdyn kokogenomin laajuisen kartoituksen pohjalta analysoimme IL17F geenin mahdollisena uutena alttiusgeeninä oireiselle välilevytaudille. Kahdesta geenin variantista koostuva haplotyyppi assosioitui tautiin merkitsevästi. Lisäksi osoitimme, että SKT-geenin tietty muutos altistaa välilevyn pullistumille sekä japanilaisessa että suomalaisessa potilasaineistossa. Hiirikokeissa on havainnoitu, että SKT-geenin homotsygootti mutaatio johtaa välilevy-poikkeamaan, joka edelleen aiheuttaa hiiren poikkeavan häntäilmiasun-. Hypoteesimme oli, että ihmisen SKT -geeni voi myötävaikuttaa välilevypullistuman kehittymiseen altistamalla välilevyt rappeumalle. Edelleen, laajassa usean populaation aineiston käsittävässä tutkimuksessa osoitimme CHST3-geenin muutoksen altistavan välilevyrappeumalle. Peittyvästi periytyvät muutokset tässä geenissä aiheuttavat perinnöllisiä harvinaisia luusairauksia. Tämä väitöstutkimus tarjoaa uutta tietoa välilevyrappeuman geneettisestä taustasta ja auttaa taudin syiden tutkintaa. Geenien rooli välilevyn toiminnassa ja muutosten vaikutus taudin kulkuun vaativat kuitenkin vielä lisätutkimuksia.

Abstract 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.

Abstract Frontotemporal lobar degeneration (FTLD) is the second most common neurodegenerative disease leading to early-onset dementia (< 65 years), next to Alzheimer’s disease. FTLD is substantially a genetic disorder with up to 50% of cases having a positive family history. Mutations in the genes microtubule-associated protein tau (MAPT) and progranulin (PGRN) account for about 10–20% of all cases of FTLD. Hexanucleotide repeat expansion mutation within the gene C9ORF72 has recently been identified as the major cause of FTLD, FTLD with amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and pure ALS. During this study, hexanucleotide repeat expansion within the C9ORF72 gene was shown to explain nearly 50% of familial and 30% of all FTLD cases in the Finnish population. Otherwise, the genetic background of Finnish FTLD is largely unknown. The object of the present work was to disentangle the genetic aetiology of FTLD in the Finnish population. We studied a cohort of patients with a clinical diagnosis of FTLD from the province of Northern Ostrobothnia, Finland. Sequencing analysis of the genes MAPT, charged multi-vesicular body protein 2B (CHMP2B) and TAR DNA binding protein (TARDBP) were performed and the MAPT haplotypes were analysed. Correlations between genotype and phenotype were studied in patients with C9ORF72 repeat expansion mutation. C9ORF72 expansion mutation explained nearly 30% of cases of FTLD in our cohort. Concomitant ALS and positive family history of the disease increased the possibility of carrying expanded C9ORF72. The clinical phenotype of C9ORF72 expansion carriers varied at presentation: both behavioural and language variants were detected with or without ALS. The behavioural presentations included prominent psychotic features, although psychiatric presentations were not overrepresented in expansion carriers. No pathogenic mutations were identified in the MAPT, CHMP2B and TARDBP genes in our series of FTLD patients. The H2 MAPT haplotype was associated with FTLD in the series. Our findings emphasise the importance of C9ORF72 expansion mutation in FTLD. While mutations in MAPT and PGRN cause a significant proportion of cases of FTLD worldwide, they seem to be rare causes of FTLD in the Finnish population. Besides being infrequent in other populations, mutations in CHMP2B and TARDBP are rare causes of FTLD in the Finnish population as well. Our findings have clinical implications for recognising phenotypic features characteristic of expanded C9ORF72 as well as for genetic counselling of Finnish patients with FTLD. Even though a considerable proportion of our cases of familial FTLD is caused by the C9ORF72 expansion, over 50 % of our familial cases are without a molecular genetic diagnosis, suggesting that there are other unidentified causal genes to be found. / Tiivistelmä Otsa-ohimolohkorappeumat on toiseksi yleisin työikäisten dementiaa aiheuttava etenevä aivojen rappeumasairaus. Toisinaan otsa-ohimolohkorappeumat esiintyvät yhdessä liikehermorappeuman, amyotrofisen lateraaliskleroosin (ALS), kanssa. Perinnöllisillä tekijöillä on todennäköisesti keskeinen merkitys taudin taustalla. Mutaatiot microtubule-associated protein tau (MAPT)- ja progranulin (PGRN) geeneissä aiheuttavat yhteensä 10–20 % otsa-ohimolohkorappeumista maailmalla. C9ORF72-geenissä sijaitsevan toistojaksomonistuman on vastikään todettu olevan yleisin otsa-ohimolohkorappeumia ja ALS:a aiheuttava mutaatio. Mutaatio on erityisen yleinen suomalaisessa väestössä selittäen lähes 50 % suvuittaisista ja 30 % kaikista otsa-ohimolohkorappeumista. Oireyhtymän perinnöllisyys on muutoin huonosti tunnettu suomalaisessa väestössä. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää otsa-ohimolohkorappeumien geneettisiä syitä aineistossa, joka koostui vuosina 1999–2010 Oulun yliopistollisessa sairaalassa tutkituista potilaista. Tutkimuksessa selvitettiin MAPT-, charged multi-vesicular body protein 2B (CHMP2B)- ja TAR DNA-binding protein (TARDBP) geenien mutaatioiden esiintyvyyttä ja määritettiin MAPT-geenin haplotyypit. Lisäksi tutkittiin taudin kliinisiä erityispiirteitä C9ORF72-mutaation kantajilla. C9ORF72-mutaatio selitti lähes 30 % otsa-ohimolohkorappeumista aineistossamme. Tutkimuksessa havaittiin, että suvuittain esiintyvä tautimuoto ja ALS yhdistyneenä otsa-ohimolohkorappeumaan liittyivät merkittävästi C9ORF72-mutaatioon. Monistuman kantajien fenotyyppi oli moninainen – ensioireina oli sekä käytösongelmia että kielellisiä vaikeuksia. Vaikka C9ORF72-mutaation kantajilla on kuvattu runsaasti psykoottisia oireita, psykoottiset oireet eivät olleet selvästi yliedustettuna mutaation kantajilla aineistossamme. Tutkimuksessa ei löydetty tautia aiheuttavia mutaatioita MAPT-, CHMP2B- tai TARDBP-geeneistä. Havaitsimme kuitenkin tilastollisesti merkittävän yhteyden MAPT-geenin H2-haplotyypin ja otsa-ohimolohkorappeumien välillä. Tuloksemme antavat uutta tietoa C9ORF72-mutaation kantajien kliinisistä erityispiirteistä. MAPT-geenin mutaatioiden merkitys otsa-ohimolohkorappeumien synnyssä ei näyttäisi olevan suomalaisessa väestössä niin merkittävä kuin muissa väestöissä. CHMP2B- ja TARDBP-mutaatiot ovat harvinainen oireyhtymän syy myös suomalaisessa väestössä. Tuloksiamme voidaan hyödyntää suomalaisten otsa-ohimolohkorappeumapotilaiden perinnöllisessä neuvonnassa. Huomattavista edistysaskelista huolimatta yli puolet suvuittain esiintyvistä tautitapauksistamme on vailla geneettistä diagnoosia, mikä antaa aihetta jatkotutkimuksille.

Abstract Approximately 5.5% of all infants are born preterm (before 37 completed weeks of gestation) in Finland. Preterm birth is the cause of several life-threatening neonatal diseases and long-term morbidity. The most important risk factor for preterm birth is intrauterine infection and inflammation. Approximately 70% of preterm births have a spontaneous onset. Evidence suggests that genetic factors are involved in spontaneous preterm birth (SPTB), but knowledge about the actual genes conferring genetic predisposition is limited. The major aim of this work was to identify genetic factors that predispose to SPTB. Genome-wide linkage analysis was performed to identify genomic regions associating with SPTB in large northern Finnish families recurrently affected by SPTB. Genes near regions with linkage signals were subsequently analyzed in a Finnish case-control population of mothers and infants. Due to their roles in innate immunity, the genes encoding surfactant protein A (SP-A), SP-C, SP-D and mannose-binding lectin (MBL) were also investigated as candidates for SPTB in this population. In addition, expression of SP-C in human and mouse gestational tissues was examined. Linkage signals were detected on chromosome loci 15q26.3, Xq13.1 and Xq21.1 with the phenotype of being born preterm. In subsequent association analyses, the genes encoding the insulin-like growth factor 1 receptor (IGF1R) located within locus 15q26.3 and the androgen receptor (AR) located near locus Xq13.1 were identified as potential novel fetal SPTB susceptibility genes. These genes did not associate with SPTB in the mothers. An association was found between the Met31Thr polymorphism of the SFTPD gene encoding SP-D and SPTB in the infants. There was no association in the mothers. Polymorphisms of the genes encoding SP-A or MBL did not associate with SPTB. The Thr138Asn polymorphism of the SFTPC gene encoding SP-C did not associate with SPTB. However, this polymorphism associated strongly with the interval between preterm premature rupture of membranes and SPTB in the fetuses. Expression of SP-C was detected in human and mouse fetal membranes and placenta, and in mouse pregnant uterus. Currently, there is no effective method to prevent SPTB. The results of this study may help to clarify some of the biological mechanisms underlying SPTB and finally allow the development of specific treatment strategies for its prevention. / Tiivistelmä Suomessa syntyy noin 5,5 % lapsista ennenaikaisina eli raskauden kestettyä vähemmän kuin 37 täyttä viikkoa. Näillä lapsilla on alttius hengenvaarallisiin sairauksiin, ja osalle heistä jää pysyvä kehitysvamma. Noin 70 % ennenaikaisista syntymistä käynnistyy spontaanisti. Tärkein ennenaikaisen syntymän riskitekijä on kohdunsisäinen tulehdusreaktio. Myös perinnöllisten tekijöiden tiedetään vaikuttavan spontaanin ennenaikaisen syntymän (SEAS) käynnistymiseen, mutta alttiusgeenejä tunnetaan huonosti. Työssä pyrittiin tunnistamaan SEAS:lle altistavia perinnöllisiä tekijöitä. Perimänlaajuista kytkentäanalyysiä käyttäen etsittiin SEAS:ään liittyviä perimän kohtia tutkimalla toistuvasti ennenaikaisia syntymiä kokeneita isoja pohjoissuomalaisia perheitä. Kytkentäsignaalien lähellä olevia geenejä tutkittiin tutkimusaineistossa, joka koostui suomalaisista äideistä ja lapsista. Surfaktanttiproteiini A:ta (SP-A), SP-C:tä, SP-D:tä ja mannoosia sitovaa lektiiniä (MBL) koodaavia geenejä tutkittiin ehdokasgeeneinä SEAS:lle tässä populaatiossa, koska nämä proteiinit osallistuvat elimistön puolustukseen ja voivat siten vaikuttaa SEAS:ään liittyvään tulehdusreaktioon. Lisäksi tutkittiin SP-C:n ilmentymistä ihmisen ja hiiren sikiökalvoilla, istukassa ja kohdussa. Kytkentäsignaaleja havaittiin kromosomikohdissa 15q26.3, Xq13.1 ja Xq21.1, kun tutkittavana ilmiasuna oli ennenaikaisena syntyminen. Lisätutkimukset osoittivat, että sikiön insuliininkaltaisen kasvutekijän 1 reseptoria koodaava IGF1R-geeni (kohta 15q26.3) ja androgeenireseptorigeeni AR (lähellä kohtaa Xq13.1) ovat mahdollisia uusia SEAS:n alttiusgeenejä. Nämä geenit eivät selittäneet SEAS:ää äideissä. Sikiön SP-D:tä koodaavan geenin Met31Thr-polymorfismi tunnistettiin mahdolliseksi riskitekijäksi, mutta tämä polymorfismi ei selittänyt SEAS:ää äideissä. SP-A:ta ja MBL:ää koodaavat geenit eivät liittyneet SEAS:ään. SP-C:tä koodaavan geenin Thr138Asn-polymorfismi ei ollut yhteydessä SEAS:ään. Sikiön Thr138Asn-polymorfismi liittyi kuitenkin vahvasti sikiökalvojen puhkeamisen ja SEAS:n väliseen kestoon. SP-C:n havaittiin ilmentyvän ihmisen ja hiiren sikiökalvoilla ja istukassa sekä raskaana olevan hiiren kohdussa. Tulokset antavat uutta tietoa SEAS:n perinnöllisestä taustasta. Tämä tieto voi auttaa selvittämään sen käynnistymiseen johtavia biologisia mekanismeja ja johtaa lopulta uusiin hoitokeinoihin, joilla pystytään estämään spontaaneja ennenaikaisia syntymiä.