Abstract Novel genetic aetiologies for epileptic encephalopathies and movement disorders have been discovered by using next-generation sequencing methods. The phenotypic and genotypic variability in these conditions is very wide. The aim of this study was to discover novel genetic causes and phenotypes of childhood-onset drug-resistant epilepsy and epileptic or developmental encephalopathies that occur separately or together with movement disorders, and familial movement disorders. Furthermore, the use of whole-exome sequencing (WES) as a diagnostic tool in clinical practice was evaluated. Altogether, 12 children with undefined aetiology, who fulfilled the inclusion criteria, were included in the study. GABRG2 gene was identified as a genetic cause of epileptic encephalopathies. Novel GABRG2-associated phenotypes included progressive neurodegeneration, epilepsy in infancy with migrating focal seizures, and autism spectrum disorder. New pathogenic variants, GABRG2 p.P282T and p.S306F, were discovered. The pathogenic NACC1 variant caused focal epilepsy, developmental disability, bilateral cataracts, and dysautonomia. The novel phenotype associated with the NACC1 p.R298W variant included hyperkinetic movement disorder. SAMD9L was found to be the genetic cause for the familial movement disorder. The phenotype associated with the novel SAMD9L p.I891T variant was very variable. Neuroradiological findings included cerebellar atrophy and periventricular white matter changes. After publication of these results, SAMD9L was reported to be one of the most common genetic aetiologies of childhood bone marrow failure and myelodysplastic syndrome. The pathogenic homozygous MTR variant was found to cause early-onset epileptic encephalopathy that occurred together with movement disorder and haematological disturbances. Drug resistant seizures responded to cofactor and vitamin treatments. Whole-exome sequencing for 10 patients with drug-resistant epilepsy or epileptic or developmental encephalopathy provided a genetic diagnosis for two patients (20%). This study confirmed that, for epileptic encephalopathies and movement disorders in which the genetic causes and phenotypes are heterogeneous and sometimes treatable, WES is a useful tool for diagnostics and in the search for novel aetiologies, which might turn out to be more common than expected. / Tiivistelmä Uusien sekvensointimenetelmien käyttöönotto on mahdollistanut epileptisten enkefalopatioiden ja liikehäiriöiden uusien geneettisten syiden löytymisen. Näissä sairausryhmissä geenien ja ilmiasujen vaihtelevuus on suurta. Tutkimuksen tarkoituksena oli löytää uusia geneettisiä syitä ja ilmiasuja lapsuusiällä alkavissa vaikeahoitoisissa epilepsioissa ja epileptisissä tai kehityksellisissä joko itsenäisesti tai yhdessä liikehäiriön kanssa esiintyvissä enkefalopatioissa sekä perheittäin esiintyvissä liikehäiriöissä. Lisäksi selvitettiin eksomisekvensoinnin käyttökelpoisuutta kliinisessä diagnostiikassa näiden potilasryhmien kohdalla. Tutkimukseen osallistui yhteensä 12 sisäänottokriteerit täyttävää lasta, joiden sairauden syy oli jäänyt tuntemattomaksi. GABRG2-geenin mutaatiot aiheuttivat epileptisiä enkefalopatioita, joiden uutena ilmiasuna oli etenevä taudinkuva, johon liittyivät aivojen rappeutuminen, migroiva imeväisiän paikallisalkuinen epilepsia sekä autismikirjon häiriö. Tutkimuksessa löydettiin uusia GABRG2-mutaatioita: p.P282T ja p.S306F. NACC1-geenin mutaatio aiheutti epilepsian, kehitysvammaisuuden, molemminpuolisen kaihin ja autonomisen hermoston toiminnan häiriön. Hyperkineettinen liikehäiriö oli uusi NACC1 p.R298W -mutaatioon liittyvä ilmiasu. SAMD9L-geenin mutaatio aiheutti perheessä esiintyvän liikehäiriön. Neurologinen ja hematologinen ilmiasu olivat hyvin vaihtelevia. Aivojen kuvantamislöydöksiin sisältyi pikkuaivojen rappeutumista ja valkoisen aivoaineen muutoksia aivokammioiden ympärillä. Näiden tutkimustulosten julkaisemisen jälkeen SAMD9L-geenin mutaatioiden on todettu olevan yksi yleisimmistä perinnöllisistä luuytimen vajaatoiminnan ja myelodysplasian syistä. Homotsygoottinen MTR-geenin mutaatio aiheutti varhain alkaneen epileptisen enkefalopatian, liikehäiriön ja hematologisen häiriön. Kofaktori- ja vitamiini hoidot vähensivät epileptisiä kohtauksia, joihin tavanomainen lääkitys ei tehonnut. Geneettiset syyt ja ilmiasut ovat epileptisissä enkefalopatioissa ja liikehäiriöissä hyvin vaihtelevia, ja osaan on olemassa spesifi hoito. Eksomisekvensointi on käyttökelpoinen diagnostiikan ja uusien geneettisten syiden etsimisen apuna. Tässä tutkimuksessa eksomisekvensoinnin avulla kymmenestä potilaasta kahdelle (20%) saatiin varmistettua geneettinen diagnoosi.

Abstract Cardiovascular disease is currently the leading cause of mortality worldwide. Several factors contribute to its development, including increased body mass index, high blood pressure and smoking. Many genetic and behavioural determinants of these risk factors have been identified, but the interplay between them along the life course is still poorly understood. Life course epidemiology and statistical methods developed for life course studies are required to enhance understanding of the aetiologies of these risk factors for more effective prevention and treatment of cardiovascular disease. In this thesis, structural equation modelling was applied 1) to estimate the effect of variation in the fat mass and obesity-associated gene, FTO, on body mass index over the life course, 2) to identify sensitive periods of growth in influencing adult blood pressure and 3) to identify developmental changes in the effects of two confirmed genetic loci, TTC12-ANKK1-DRD2 and CHRNA5-CHRNA3-CHRNB4, affecting smoking behaviour. Additionally, pleiotropic effects of the variation in CHRNA5-CHRNA3-CHRNB4 on smoking, body mass index and blood pressure were studied. The study population was based on the Northern Finland Birth Cohort 1966 with data available from early gestation until the age of 31 years (N≈6000). The first study indicated that the effect of the FTO variant on body mass index changes over time, with strengthening of the effect by age. The results from the second study demonstrated the important role of both prenatal and postnatal growth in determining adult blood pressure. In the third study, TTC12-ANKK1-DRD2 was shown to influence the initiation of smoking, while CHRNA5-CHRNA3-CHRNB4 was associated with smoking persistence. Finally, some evidence was found for pleiotropic effects of the CHRNA5-CHRNA3-CHRNB4 gene cluster on the three traits of interest. Results from all the studies emphasised the importance of environmental and behavioural factors in determining adult metabolic profile, in addition to genetic predisposition. This study demonstrated the usefulness of life course studies in detecting age-varying genetic effects, and provided new insights into the already identified factors associated with cardiovascular disease risk. The findings also emphasise the importance of early interventions and life style guidance for long-term benefits in health. / Tiivistelmä Sydän- ja verisuonitaudit ovat maailman yleisin kuolemansyy. Useat tekijät vaikuttavat näiden tautien kehittymiseen, mukaan lukien ylipaino ja lihavuus, kohonnut verenpaine sekä tupakointi. Useita geneettisiä ja ei-geneettisiä tekijöitä on yhdistetty näihin riskitekijöihin, mutta niiden yhteisvaikutukset elämänkaaren varrella ovat vielä huonosti tunnettuja. Elämänkaariepidemiologiaa ja sitä varten kehitettyjä tilastollisia menetelmiä tarvitaan, jotta saataisiin uutta tietoa riskitekijöiden etiologioista ja voitaisiin tehokkaammin ennaltaehkäistä ja hoitaa sydän- ja verisuonitauteja. Tässä väitöskirjatyössä käytettiin rakenneyhtälömallitusta 1) estimoimaan FTO-geenin yhteyttä painoindeksiin (BMI) elämänkaaren varrella, 2) tunnistamaan kehityksellisesti tärkeitä ajanjaksoja suhteessa aikuisiän verenpaineeseen ja 3) tutkimaan kahden jo ennestään tunnistetun geneettisen lokuksen, TTC12-ANKK1-DRD2:n ja CHRNA5-CHRNA3-CHRNB4:n, vaikutusta tupakointiin eri elämänvaiheissa. Lisäksi tutkittiin CHRNA5-CHRNA3-CHRNB4:n mahdollisia pleiotrooppisia vaikutuksia tupakointiin, painoindeksiin ja verenpaineeseen. Tutkimusväestönä käytettiin Pohjois-Suomen syntymäkohorttia vuodelta 1966, joka sisältää tutkimusaineistoa varhaisraskaudesta aikuisuuteen 31 vuoden ikään saakka (N≈6000). Ensimmäinen osatyö osoitti, että FTO-geenin vaikutus painoindeksiin voimistuu iän kasvaessa. Toisen osatyön tulokset antoivat näyttöä siitä, että raskaudenaikainen ja syntymän jälkeinen kasvu ovat yhteydessä aikuisiän verenpaineeseen. Kolmannessa osatyössä osoitettiin, kuinka TTC12-ANKK1-DRD2 on yhteydessä tupakoinnin aloittamiseen, kun taas CHRNA5-CHRNA3-CHRNB4 vaikuttaa tupakointikäyttäytymisen pysyvyyteen. Viimeinen osatyö antoi näyttöä CHRNA5-CHRNA3-CHRNB4-geeniklusterin pleiotrooppisista vaikutuksista kolmeen tutkittuun fenotyyppiin. Kaikkien osatöiden tuloksissa korostui, geneettisten tekijöiden lisäksi, ei-geneettisten tekijöiden tärkeys aikuisiän metabolisen profiilin kehityksessä. Tämä työ on osoittanut elämänkaarimallituksen hyödyllisyyden, kun pyritään havaitsemaan iän mukaan vaihtelevia geneettisiä efektejä. Se on myös tuonut uutta tietoa liittyen jo aiemmin todettuihin sydän- ja verisuonitautien riskitekijöihin. Lisäksi tulokset korostavat riittävän varhaisten ehkäisytoimien ja elämäntapaohjauksen tärkeyttä pyrittäessä saavuttamaan pitkäaikaisia terveyshyötyjä.

Abstract The increase in the prevalence of overweight and obesity parallels the increase in physical inactivity and sedentary lifestyle, and leads to the worsening of cardiorespiratory fitness. Both overweight and physical inactivity are recognised risk factors for the development of cardiovascular disease, insulin resistance and type 2 diabetes, but the independent effects of cardiorespiratory fitness and obesity on cardiovascular risk factors remain debated. Lifestyle interventions are the key treatment for overweight and obesity. There are however, limited data from large population-based studies on the efficacy of exercise in modifying cardiovascular risk factors in young adults. Many of the mechanisms underlying the changes in body composition and metabolism achieved by exercise interventions are not well understood. The role of adipokines, and particularly unacylated ghrelin has been proposed in relation to changes in glucose metabolism. Individuals also vary in their response to exercise, which is, at least in part, explained by genetic factors. Improved understanding of the gene-exercise interaction is needed for the development of more targeted intervention strategies. In Finland, military service is compulsory for men. Military service includes large amounts of physical exercise but no dietary restriction. The current study evaluated the health benefits of exercise in young men attending military service in the Sodankylä Jaeger Brigade from 2005 to 2006 (N=1,112, mean age 19.2 years). Changes in endurance and strength performance, body composition, cardiometabolic risk factors and unacylated ghrelin levels were recorded at the beginning and end of the military service (6 to 12 months follow-up). Improvement in cardiometabolic risk factors was observed with improved exercise performance, an association which was attributable to changes in weight and waist circumference. Increase in unacylated ghrelin level was associated with beneficial changes in body composition and fat distribution, as well as in lipid and glucose metabolism. Significant gene-exercise interactions were observed for variants in PPARG, IRS1 and TCF7L2 on changes in weight and/or body composition. This study shows the efficacy of physical activity for the improvement of cardiometabolic health among young men. It shows that unacylated ghrelin plays an important role in the improvement of body composition, and glucose and lipid metabolism achieved by exercise. Finally, the harmful effects of common genetic variants on body composition can be counteracted by improvement in exercise performance. / Tiivistelmä Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että väestötasolla ylipaino ja lihavuus lisääntyvät ja liikunta vähenee. Sekä ylipaino että vähäinen liikunta ovat tunnettuja sydän- ja verisuonitautien, insuliiniresistenssin ja tyypin 2 diabeteksen vaaratekijöitä. Monet interventiotutkimukset ovat osoittaneet, että elämäntapamuutokset ovat avainasemassa ylipainon ja lihavuuden hoidossa. Suurista väestöpohjaisista tutkimuksista saatu tieto liikunnan vaikutuksista nuorten aikuisten sydän- ja verisuonitautien vaaratekijöihin, kehonkoostumukseen ja aineenvaihduntaan on kuitenkin vähäistä. Greliinillä on ehdotettu olevan tärkeitä vaikutuksia glukoosiaineenvaihduntaan, mutta greliinin ja liikunnan yhteisvaikutuksista aineenvaihdunnan ja kehon muutoksiin on vain vähän tietoa. Vasteessa liikunta-interventioihin on lisäksi yksilökohtaisia eroja, jotka saattavat ainakin osittain selittyä geneettisillä tekijöillä. Näin ollen lisätieto geenien ja liikunnan välisistä interaktioista on tärkeää uusien, yksilökohtaisten hoitomuotojen kehittämiseksi. Varusmiespalvelus on maassamme pakollinen kaikille miehille, ja siihen sisältyy huomattava määrä liikuntaa ilman merkittäviä muutoksia ruokavaliossa. Tässä tutkimuksessa selvitettiin varusmiespalveluksen aikana tapahtuvan liikunnan ja kuntomuutosten terveyshyötyjä. Tutkimusaineiston muodostivat Sodankylän Jääkäriprikaatissa vuonna 2005 palvelukseen astuneet miehet (N=1112, keski-ikä 19.2 vuotta). Muutokset kestävyys- ja lihaskunnossa, kehonkoostumuksessa, sydän- ja verisuonisairauksien vaaratekijöissä, sekä asyloimattoman greliinin plasmatasoissa määritettiin palveluksen alussa ja lopussa (seuranta-aika 6-12 kk). Parantuneen fyysisen suorituskyvyn todettiin vaikuttavan edullisesti sydän- ja verisuonisairauksien vaaratekijöihin, joka liittyi samanaikaiseen painonlaskuun ja keskivartalolihavuuden vähenemiseen. Liikunnan ansiosta asyloimattoman greliinin plasmataso lisääntyi ja se oli yhteydessä edullisiin muutoksiin kehonkoostumuksessa ja rasvanjakautumisessa sekä glukoosi- ja lipidiaineenvaihdunnassa. Tärkeitä geeni-liikunta interaktioita todettiin insuliiniherkkyyttä säätelevien geenien (PPARG, IRS1 ja TCF7L2) vaikutuksissa painon ja/tai kehonkoostumuksen muutoksiin. Tutkimus osoitti liikunnan edullisen vaikutuksen nuorten miesten sydän- ja verisuonitautien vaaratekijöiden tasoihin. Tutkimus osoitti lisäksi, että liikunnan aiheuttamalla lisääntyneen asyloimattoman greliinin pitoisuudella oli edullisia vaikutuksia kehonkoostumukseen sekä glukoosi- ja lipidiaineenvaihduntaan. Myös insuliiniresistenssiä säätelevien geenien epäedullinen vaikutus kehonkoostumukseen väheni parantuneen fyysisen suorituskyvyn myötä.

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.