Abstract Leptin is a hormone secreted by adipose tissue. It is involved in the regulation of appetite and energy expenditure. Leptin binds to its receptor (LEPR) that is expressed in the central nervous system as well as in other tissues including adipocytes and endothelial cells. Plasma leptin level reflects the amount of adipose tissue and previously, it has been shown to be associated with the risk for coronary artery disease. Two LEPR polymorphisms, Lys109Arg and Gln223Arg, have been extensively studied and they have been associated with several risk factors of atherosclerosis. Earlier studies have also shown that the risk for developing atherosclerosis and various other diseases might already be determined during the fetal period or immediately after birth. It seems that intrauterine undernourishment might cause changes on epigenetic level and result in alterations in gene expression. It has been suggested that the impaired fetal growth could affect plasma leptin level and leptin messenger RNA expression from adipose tissue. Long-term fructose consumption has also been shown to result in leptin resistance. Recently, leptin has been observed to be associated with autophagy. Autophagy has been demonstrated to act in several interesting processes such as fat storage in adipocytes and liver. Autophagy and the leptin system might also regulate each another. The aim of this thesis was to investigate the association of LEPR polymorphisms with thickness of the wall of carotid artery as well as with fatal and nonfatal cardiovascular disease events. In addition, we aimed to clarify the effects of fetal undernourishment and fructose consumption on the leptin system and autophagy. We were also interested in studying the role of the leptin system and autophagy in elevated triglycerides and liver fat accumulation seen as a result of high-fructose diet. In our studies, we observed that LEPR polymorphisms, Lys109Arg and Gln223Arg, are associated with intima-media thickness of carotid artery. Moreover, 19-year follow-up study showed that 109Arg homozygotes display lower incidence of cardiovascular events and lower total mortality. In our animal experiments, we were able to detect that fructose diet affects both LEPR isoform and autophagy gene expression. It seems that these changes might partly explain the mechanism behind the rise in blood triglyceride levels and liver fat accumulation caused by fructose diet. In conclusion, the results of this study clarify the role of leptin receptor in cardiovascular diseases. In addition, they offer new information especially about the effects of fructose diet on the leptin system, the dysfunction of which might predispose to the development of diseases. / Tiivistelmä Leptiini on rasvakudoksen tuottama hormoni. Se osallistuu ruokahalun ja energiankulutuksen säätelyyn. Leptiini sitoutuu reseptoriinsa (LEPR), joita on sekä keskushermostossa että muissakin kudoksissa, myös adiposyyteissä ja endoteelisoluissa. Plasman leptiinitaso heijastaa rasvakudoksen määrää ja sen on aiemmin osoitettu olevan yhteydessä sepelvaltimotaudin riskiin. Erityisesti kahta LEPR:n polymorfiaa, Lys109Arg ja Gln223Arg, on tutkittu aiemmin ja niiden on osoitettu olevan yhteydessä useisiin ateroskleroosin riskitekijöihin. Aiemmat tutkimukset ovat myös osoittaneet, että ateroskleroosiin ja useisiin muihin sairauksiin sairastumisen riski voi osittain määräytyä jo sikiöaikana tai varhain syntymänjälkeisen kehityksen aikana. Vaikuttaa siltä, että sikiöaikainen aliravitsemus voi aikaansaada muutoksia epigeneettisellä tasolla ja aiheuttaa näin muutoksia geeniekspressiossa. On ehdotettu, että sikiön heikentynyt kasvu vaikuttaisi plasman leptiinitasoon ja rasvakudoksen leptiinin lähetti-RNA:n ilmentymiseen. Pitkäaikaisen fruktoosinkulutuksen on myös osoitettu aiheuttavan leptiiniresistenssiä. Hiljattain leptiinin on havaittu olevan yhteydessä myös autofagiaan. Autofagian on osoitettu vaikuttavan useisiin kiinnostaviin prosesseihin, kuten rasvan varastoitumiseen adiposyytteihin sekä maksaan. Autofagia ja leptiinijärjestelmä mahdollisesti myös säätelevät toisiaan. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia LEPR-polymorfioiden yhteyttä kaulavaltimon seinämän paksuuteen sekä sydän- ja verisuonitautitapahtumiin ja kuolleisuuteen. Pyrimme lisäksi selvittämään sikiöaikaisen aliravitsemuksen ja fruktoosin käytön vaikutusta leptiinijärjestelmään sekä autofagiaan ja olimme kiinnostuneita tutkimaan näiden osuutta fruktoosin kulutuksen seurauksena nähtävien metabolisten muutosten, kuten kohonneiden triglyseridien sekä maksan rasvoittumisen, synnyssä. Tutkimuksessamme havaittiin yhteys LEPR polymorfioiden Lys109Arg ja Gln223Arg sekä kaulavaltimon paksuuden välillä. Lisäksi 19-vuoden seurantatutkimus osoitti 109Arg-homotsygotian liittyvän pienentyneeseen sydän- ja verisuonitapahtumien ilmaantuvuuteen sekä matalampaan kokonaiskuolleisuuteen. Eläinmallissamme havaitsimme sekä LEPR-muotojen että autofagiageenien ilmentymisen muuttuneen fruktoosidieetin vaikutuksesta. Vaikuttaa siltä, että nämä muutokset voisivat osaltaan selittää esimerkiksi fruktoosiruokavalion aiheuttaman veren triglyseriditasojen nousun sekä maksan rasvoittumisen rotilla. Tutkimuksen tulokset selventävät leptiinireseptorin roolia sydän- ja verisuonitautien taustalla. Lisäksi ne tarjoavat uutta tietoa erityisesti fruktoosinkulutuksen vaikutuksesta leptiinijärjestelmään, jonka häiriöt altistavat sairauksien kehittymiselle.

Abstract Metabolic syndrome is a constellation of metabolic abnormalities including abdominal obesity, glucose intolerance, insulin resistance, hypertension and dyslipidemia. Metabolic syndrome increases the risk of cardiovascular diseases and type 2 diabetes mellitus. A unifying pathophysiological mechanism behind these abnormalities has not been detected. The prevalence of cardiovascular diseases and type 2 diabetes mellitus is increasing all over the world. It is important to identify the factors contributing to these diseases. The aim of this thesis was to study how the peptide hormone resistin is associated with metabolic syndrome and find out whether intrauterine growth restriction predisposes to adverse changes in lipid and glucose metabolism and peptide hormones in a rat model. Resistin is secreted mainly from macrophages in humans. It possesses proinflammatory properties. Controversial results about its role on obesity, insulin resistance and metabolic syndrome have been reported. In the first study of this thesis, resistin levels were measured from 1500 Finnish subjects in the cross-sectional Health 2000 study. Higher resistin levels were detected in subjects fulfilling the criteria for metabolic syndrome compared to subjects without metabolic syndrome. Resistin was associated with several components of metabolic syndrome. Data derived from epidemiological studies show that low birth weight is associated with an increased risk for chronic diseases in adulthood. A rat model of intrauterine growth restriction was created. In the second study, unfavorable changes in the peptide hormones resistin and adiponectin were detected that may predispose rats to subsequent insulin resistance. In addition to intrauterine growth restriction, the effect of postnatal fructose-rich diet was explored in the third study. Intrauterine growth restriction and postnatal fructose diet decreased body weight and induced adverse changes in lipid and glucose metabolism in offspring. However, fetally growth-restricted rats were not more susceptible to the adverse effect of fructose diet. In conclusion, this study demonstrates that resistin is associated with metabolic syndrome and is increased by intrauterine growth restriction. Restricted maternal diet during pregnancy influences weight and lipid metabolism in rat offspring. / Tiivistelmä Metaboliseksi oireyhtymäksi kutsutaan sydän- ja verisuonitautien sekä tyypin 2 diabeteksen riskitekijöiden kasaumaa. Näitä riskitekijöitä ovat keskivartalolihavuus, heikentynyt glukoosin sieto, insuliiniresistenssi, korkea verenpaine sekä rasva-aineenvaihdunnan häiriöt, erityisesti korkea triglyseridipitoisuus ja matala HDL-taso. Näiden tekijöiden taustalta ei ole löydetty selkeää yhdistävää mekanismia. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia resistiinin yhteyttä metaboliseen oireyhtymään sekä selvittää, altistaako raskauden aikainen aliravitsemus ja siihen liittyvä alhainen syntymäpaino häiriöille rasva- ja glukoosiaineenvaihdunnassa sekä peptidihormoneissa rotalla. Resistiini erittyy ihmisellä pääasiassa tulehdussoluista, erityisesti makrofageista. Sillä on todettu olevan tulehdusta edistäviä vaikutuksia. Resistiinin yhteydestä lihavuuteen, insuliiniresistenssiin ja metaboliseen oireyhtymään on julkaistu ristiriitaisia tuloksia. Väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä plasman resistiinipitoisuudet määritettiin 1500 suomalaiselta poikkitieteellisessä Terveys 2000 -tutkimuksessa. Havaittiin, että resistiinipitoisuudet olivat korkeammat niillä tutkimushenkilöillä, joilla oli metabolinen oireyhtymä verrattuna henkilöihin, joilta oireyhtymä puuttui. Epidemiologisissa tutkimuksissa on havaittu, että alhainen syntymäpaino on yhteydessä korkeampaan riskiin sairastua moniin kroonisiin sairauksiin, kuten sydän- ja verisuonitauteihin aikuisiässä. Toisessa ja kolmannessa osatyössä tutkittiin rottamallissa raskauden aikaisen ravintorajoituksen vaikutusta jälkeläisten kasvuun, rasva- ja sokerimetaboliaan sekä peptidihormoneihin. Toisessa osatyössä todettiin, että rajoitettu ravinto raskauden aikana aiheutti haitallisia muutoksia resistiini- ja adiponektiinipitoisuuksissa altistaen jälkeläiset insuliiniresistenssille. Kolmannessa osatyössä tutkittiin lisäksi syntymänjälkeisen fruktoosipitoisen ravinnon vaikutuksia. Raskauden aikaisen aliravitsemuksen ja fruktoosiravinnon vaikutuksesta rotat olivat aikuisena pienempiä ja niillä havaittiin häiriöitä rasva- ja sokeriaineenvaihdunnassa. Tutkimus osoittaa, että korkea plasman resistiini-pitoisuus liittyy metaboliseen oireyhtymään. Lisäksi voidaan todeta, että rajoitettu ravinto raskauden aikana aiheuttaa rotalla korkeamman resistiini-pitoisuuden lisäksi muutoksia painossa ja rasva-aineenvaihdunnassa.