Abstract 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.

Abstract Undefined severe neurological and multi-organ diseases are rare as single diseases, but as a group of diseases, they are responsible for significant morbidity, impaired quality of life and mortality, emphasizing the importance of neuroscience research and its translation into novel diagnostic and treatment strategies. Molecular karyotyping and whole-exome sequencing were used to identify three novel disease-causing genes, GLE1, NHLRC2 and MYH7B, in Northem Finnish families having children with undefined progressive neuromuscular diseases. Functional studies on GLE1, NHLRC2, and MYH7B were conducted in order to understand better the impact of these mutations. The studies revealed that the cellular localization of GLE1 was impaired due to a mutation in the coding gene. The NHLRC2 is involved in many biological processes and its dysfunction has a role in the development of a novel FINCA disease and in fibrosis. Furthermore, mutations in MYH7B in the myosin family have now been connected to encephalomyopathies. Mutations in GLE1, NHLRC2 and MYH7B are involved in encephalomyopathies and neurodegeneration, stressing the important role of these genes in normal psychomotor development Analyses of these previously uncharacterized disease-causing gene mutations provided new insights into the etiologies behind these diseases, representing a relevant starting point for resolving the pathomechanisms underpinning these disorders. The newly-discovered human disease-causing genes and the novel phenotypes of childhood onset neuromuscular diseases provide the possibility for offering the relevant families preclinical diagnostics and may be beneficial in the identification of similar clinical phenotypes all around the world. / Tiivistelmä Yksittäiset, määrittelemättömät, vaikeat neurologiset monielinsairaudet ovat harvinaisia. Sen sijaan neurologisten ja monielinsairauksien alle ryhmittyvät taudit ovat merkittävä syy useisiin sairauksiin, jotka heikentävät elämänlaatua ja aiheuttavat kuolleisuutta. Tästä johtuen neurotieteiden tutkimus ja saatujen tulosten soveltaminen diagnostiikassa ja hoitomuotojen kehittämisessä on hyvin tärkeää. Molekyylikaryotyypitys- ja eksomisekvensointi-menetelmiä hyödynnettiin etsittäessä taudin syytä eteneville neuromuskulaarisairauksille pohjoissuomalaisissa perheissä. Tutkimuksessa tehtiin lisäksi funktionaalisia kokeita GLE1-, NHLRC2- ja MYH7B-proteiineilla, jotta ymmärrettäisiin paremmin löydettyjen mutaatioiden vaikutus potilaiden sairauksiin. Havaittiin, että GLE1-mutaatio vaikutti proteiinin solunsisäiseen paikantumiseen. NHLRC2-proteiini puolestaan on mukana useissa solun biologisissa prosesseissa ja sen toiminnanhäiriö vaikuttaa FINCA-taudin ja fibroosin kehittymiseen. MYH7B-myosiinigeenimutaatio puolestaan yhdistettiin ensimmäistä kertaa enkefalomyopatiaan. Havaittujen tautigeenien; GLE1, NHLRC2 ja MYH7B, vaikutus enkefalomyopatioissa ja neurodegeneraatiossa kertoo, että kyseisillä geeneillä on hyvin todennäköisesti tärkeä rooli ihmisen kehityksessä. Kyseisten, aiemmin tuntemattomien sairautta-aiheuttavien geenimutaatioiden analysointi lisäsi tietoa sairauksien etiologiasta ja loi pohjan tautimekanismien ratkaisemiselle tulevaisuudessa. Työssä esitettyjä uusia sairautta-aiheuttavia geenejä ja uusia karakterisoituja lapsuusiän neuromuskulaarisairauksien ilmiasuja voidaan hyödyntää perheille tarjotun sikiödiagnostiikan lisäksi myös muiden potilaiden samankaltaisen taudinkuvan diagnosoinnissa maailmanlaajuisesti.

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.