Abstract Species of Lactobacillus (L.) are important starter and probiotic lactic acid bacteria used in the dairy industry. Industrial fermentation processes are prone to phage infections, which can cause severe economic losses. The main objective of this thesis was to examine in more depth the genetic variation and evolution of L. delbrueckii and L. rhamnosus phages. Aspects of interactions and co-evolution of a phage and its host have also been included in this study. In this study, the complete genomic DNA sequences of four Lactobacillus phages were determined and analyzed in detail. Specific phage genes and genetic elements were identified and studied in more depth. The L. delbrueckii phage JCL1032 was found to be a temperate phage which is able to integrate into two distinct genes of L. delbrueckii, but with exceptionally low frequency. The isolated JCL1032-lysogenic bacteria expressed a complex phage resistance against several L. delbrueckii phages. The rarely reported coexistence of phage adsorption resistance and immunity could not be explained by lysogenic conversion. Instead, the spontaneously induced JCL1032 may have provided a selective advantage to adsorption resistant lysogens. The biological activity of two group I introns residing within the terminase large subunit and tape measure genes of the JCL1032 genome (49,433 bp) was demonstrated. The diversification of L. delbrueckii phages is mainly due to insertions, deletions and recombination, as was demonstrated by comparative analyses of the LL-Ku and c5 genomes of 31,080 bp and 31,841 bp, respectively. Interestingly, both phages have possible autonomous transcription units of genes within their genomes. It seemed that evolution of the 36,366-bp genome of the L. casei phage Lc-Nu has been fuelled by deletions as well. The lytic phage Lc-Nu has an imperfect lysogeny module and the phage is genetically closely related to L. casei prophages. This clearly demonstrated that Lc-Nu has a recent temperate origin. This study provides genetic tools, genes, and regulatory elements for biotechnological applications and for developing starter strains with enhanced phage resistance properties. / Tiivistelmä Hapatteina ja probiootteina käytetyt Lactobacillus-maitohappobakteerit (L. ) ovat merkittävässä asemassa meijeriteollisuudessa. Teolliset käymisprosessit ovat alttiita faagi-infektioille, jotka voivat aiheuttaa tuotantolaitoksille huomattavia taloudellisia tappioita. Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli syventää tietoa L. delbrueckii ja L. rhamnosus -bakteereita infektoivien faagien geneettisestä muuntelusta ja evoluutiosta. Tutkimuksessa käsitellään myös faagin ja isäntäbakteerin välistä vuorovaikutusta sekä yhteisevoluutiota. Tutkimuksessa määritettiin neljän Lactobacillus-faagin genominen DNA-sekvenssi, identifioitiin faagigeenejä ja muita geneettisiä elementtejä sekä tutkittiin niiden toimintaa. L. delbrueckiin JCL1032-faagi osoittautui tutkimuksessa temperaatiksi. JCL1032-genomi voi integroitua kahteen eri geeniin isäntäbakteerin kromosomissa, joskin lysogeniafrekvenssi on hyvin alhainen. Tutkimuksessa eristetyt JCL1032-lysogeeniset bakteerikannat olivat resistenttejä useille Lactobacillus-faageille. Osassa lysogeenisia bakteereita resistenssi ilmeni jo faagin adsorptiovaiheessa. Vastaavanlainen ilmiö on kuvattu vain harvoin aiemmin. Havaittua kompleksista resistenssiä ei voitu selittää lysogeenisella konversiolla. Sen sijaan ilmiön taustalla voi olla JCL1032-profaagien spontaani indusoituminen bakteerin kromosomista, mikä voi antaa valintaetua adsorptioresistenteille lysogeenisille bakteereille. JCL1032-genomissa (49 433 emäsparia) osoitettiin olevan kaksi biologisesti aktiivista intronia terminaasin suurta alayksikköa ja hännän mittaproteiinia koodaavissa geeneissä. LL Ku- ja c5-faagien genomien (31 080 ja 31 841 emäsparia) vertailu osoitti L. delbrueckii -faagien evoluution olevan pääasiassa seurausta insertioista, deleetioista ja rekombinaatiosta. Kummassakin genomissa oli mahdollisesti päällekkäisiä ja itsenäisesti transkriptoituvia geenialueita. Deleetiot ovat muokanneet myös L. casein lyyttisen Lc- Nu-faagin genomia (36 466 emäsparia). Faagin lysogeniamoduuli sisälsi vain osan lysogeeniseen elinkiertoon tarvittavista geeneistä. Lc-Nu on geneettisesti läheistä sukua L. casei -profaageille, mikä myös viittaa siihen, että Lc-Nu on kehittynyt temperaatista faagista. Tutkimustuloksia faagien geeneistä ja säätelyelementeistä voidaan hyödyntää hapatebakteerien faagiresistenssiominaisuuksien kehittämisessä sekä erilaisissa bioteknologisissa sovelluksissa.

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 Advances over the past few decades in ante- and neonatal care have led to the survival of a growing number of premature infants of extremely low gestational age. However, the occurrence of serious diseases, particularly those affecting the most immature infants, remains high. Bronchopulmonary dysplasia (BPD), a chronic lung disease of premature infants, is one such disease. Our current understanding of the molecular pathogenesis of BPD is incomplete; consequently, there are few preventive and therapeutic options for BPD. Moreover, it is challenging to predict the risk of BPD. Previous studies of BPD in twins revealed that the heritability of BPD is quite high. However, the individual genes that predispose premature infants to BPD are largely unknown. The aim of this study was to identify and study genes associated with BPD in order to investigate its pathogenesis. An additional aim was to add to knowledge of the risk of BPD in newborn premature infants, with an emphasis on twins. A candidate gene study found no consistent association between common polymorphisms of vascular endothelial growth factor receptor 2 and BPD. A second candidate gene study noted an association between the gene encoding Kit ligand and BPD. A genome-wide association study found a suggestive association between a locus close to the gene encoding C-reactive protein (CRP) and BPD, and in subsequent analyses, plasma levels of CRP during the first week of life predicted BPD. Finally, a nationwide register study found that the risk of BPD was lower in twins than in singletons. The results of this study add to what is known of the genetics and pathogenesis of BPD. They also provide new data on the risk of BPD, which may be used to improve early identification of infants for whom the risk of developing BPD is high. / Tiivistelmä Ennenaikaisen syntymän ja keskoslasten hoidon kehittymisen myötä yhä useammat huomattavan epäkypsinä syntyneet lapset jäävät henkiin. Samalla erityisesti juuri näitä lapsia uhkaavien sairauksien esiintyvyys on pysynyt korkeana. Bronkopulmonaalinen dysplasia (BPD, keskosen krooninen keuhkosairaus) on yksi näistä sairauksista. BPD:n molekyylitasoinen tautimekanismi on vielä osin tuntematon, eikä BPD:tä tehokkaasti estävää tai siitä parantavaa hoitoa ole. Myös BPD riskin arvioiminen vastasyntyneen keskoslapsen kohdalla on vaikeaa. BPD on huomattavan perinnöllinen tauti. BPD:lle altistavista geeneistä on kuitenkin vasta vähän tietoa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli lisätä tietoa BPD:n tautimekanismista tutkimalla BPD:lle altistavia geenejä. Lisäksi tutkimuksessa tarkasteltiin BPD:n esiintyvyyttä ja syntymää edeltäviä riskitekijöitä erityisesti kaksosten osalta. Ehdokasgeenitutkimuksessa verisuonten endoteelikasvutekijää koodaava geeni ei assosioitunut toistuvasti BPD:hen. Kit ligandia koodaava geeni sen sijaan assosioitui. Koko genomin assosiaatiotutkimuksessa C-reaktiivista proteiinia (CRP) koodaavan geenin lähistöltä löydettiin BPD:hen mahdollisesti assosioituva alue. Lisäksi ensimmäisen viikon CRP-arvojen osoitettiin ennakoivan myöhemmin kehittyvää BPD:tä. BPD-riskin todettiin olevan matalampi kaksi- kuin yksisikiöisistä raskauksista syntyneillä lapsilla. Tutkimuksen tulokset lisäävät tietoa BPD:n perinnöllisyydestä ja sitä kautta BPD:n tautimekanismista. Tutkimus toi myös uutta tietoa BPD:n riskitekijöistä parantaen vastasyntyneen keskoslapsen BPD-riskin arviota.

Abstract Coronary heart disease (CHD), a manifestation of atherosclerosis, is the leading single cause of death in Finland. CHD is affected by numerous genetic and environmental factors, their combined effects and interactions between them. Low HDL-cholesterol (HDL-C) is an independent risk factor for atherosclerosis and the most common dyslipidemia associated with early onset CHD, but the mechanisms regulating HDL-C levels and protecting from atherosclerosis are still not completely understood. Adiponectin is a hormone that is secreted by adipose tissue and has several anti-atherosclerotic effects. There is multiple evidence suggesting that adiponectin could protect against CHD via positive effects on HDL metabolism. Vascular endothelial growth factor (VEGF) is a potent angiogenic growth factor that has a potentially conflicting role in atherosclerosis; it may have protecting or predisposing effects. The objective of this thesis was to study the genetic background of HDL-C regulation and atherosclerosis. Three studies were executed using extended families with CHD or case-control setting, with samples collected from Northern Finland. In the first study, seven chromosomal regions showing suggestive evidence of linkage were identified for HDL-C regulation, using genome-wide linkage approach. In the second study, we found a strong correlation between HDL-C and adiponectin, but failed to show evidence of a shared genetic background. However, a genetic correlation between adiponectin and low-density lipoprotein-cholesterol was revealed. We also studied the genetic regulation of adiponectin, and for the first time its most active form, high-molecular weight adiponectin, and found suggestive evidence of linkage to three chromosomal regions. In the third study, it was discovered that the studied VEGF gene polymorphisms did not have a major effect on atherosclerosis quantified as carotid intima-media thickness or the risk of acute myocardial infarction (AMI). This thesis presents potential regions for the genetic regulation of HDL-C and adiponectin and gives new information about their relationship and the effect of VEGF polymorphisms in atherosclerosis. The strong correlation between adiponectin and HDL-C was further strengthened, but we failed to show a shared genetic background between them. / Tiivistelmä Sepelvaltimotauti, eräs valtimonkovettumataudin ilmentymä, on yleisin yksittäinen kuolinsyy maassamme. Taudin syntyyn vaikuttavat lukuisat geneettiset ja ympäristötekijät sekä niiden väliset yhteis- ja vuorovaikutukset. Pieni HDL-kolesterolipitoisuus on valtimonkovettumataudin itsenäinen riskitekijä ja yleisin kolesterolipoikkeavuus, joka liittyy varhain ilmenevään sepelvaltimotautiin. HDL-kolesterolin vaihtelun syitä ja tämän "hyvän kolesterolin" sepelvaltimotaudilta suojaavia vaikutusmekanismeja ei kuitenkaan pystytä täysin selittämään. Adiponektiini on rasvakudoksen tuottama hormoni, jonka sepelvaltimotaudilta suojaavan ominaisuuden on ehdotettu johtuvan siitä, että se vaikuttaisi HDL-kolesterolin aineenvaihduntaan. VEGF (vascular endothelial growth factor) on verisuonten sisäseinämissä vaikuttava kasvutekijä, jolla saattaa olla joko sepelvaltimotaudilta suojaavia tai sille altistavia vaikutuksia. Väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia HDL-kolesterolin ja valtimonkovettumataudin geneettistä taustaa. Kolmessa osatyössä tutkittiin suuria pohjoissuomalaisia sepelvaltimotautisukuja; lisäksi käytettiin väestö- ja potilasaineistoja. Ensimmäisessä tutkimuksessa löydettiin koko genomin kytkentäkartoitusmenetelmällä seitsemän kromosomialuetta, jotka saattavat vaikuttaa HDL-kolesterolin säätelyyn. Toisessa tutkimuksessa selvitettiin adiponektiinin, ja ensimmäistä kertaa myös sen aktiivisimman muodon, HMW-adiponektiinin geneettistä taustaa. Kytkentäanalyysissä saatiin viitteitä kolmesta adiponektiineja mahdollisesti säätelevästä kromosomialueesta. Havaittiin myös, että HDL-kolesterolin ja adiponektiinin pitoisuudet korreloivat vahvasti keskenään, mutta yhteistä geneettistä säätelytekijää ei pystytty osoittamaan. LDL-kolesterolin ja adiponektiinin välillä kuitenkin havaittiin geneettinen korrelaatio. Kolmannessa tutkimuksessa todettiin, ettei tutkituilla VEGF-geenin nukleotidimuutoksilla todennäköisesti ole merkittävää syy-yhteyttä valtimonkovettumatautiin kaulavaltimoiden sisäseinämän paksuudella tai sydäninfarktiriskillä mitattuna. Tämä tutkimus tuo uutta tietoa HDL-kolesterolin ja adiponektiinin geneettisestä säätelystä ja niiden suhteesta sekä VEGF-geenin nukleotidimuutosten osuudesta valtimonkovettumataudissa. Tutkimus vahvistaa edelleen HDL-kolesterolin ja adiponektiinin yhteyden, muttei pysty osoittamaan niille yhteistä geneettistä tekijää.