Abstract Ghrelin is a peptide hormone with anabolic functions. It increases growth hormone secretion and appetite, decreases fat utilisation as a metabolic fuel and increases fat storage in the adipose tissue. In addition, ghrelin exerts effects on glucose metabolism, heart function and inflammatory processes. Due to these characteristics ghrelin has become a hot topic for research focusing on obesity and its co-morbidities such as hypertension, type 2 diabetes and atherosclerosis. The aims of this study were to detect new sequential variations in the genes coding for the ghrelin receptor and ghrelin and to study whether these variations associate with obesity and metabolic risk factors for atherosclerosis. The roles of genetic and environmental factors in the determination of plasma ghrelin levels were also examined. In addition, the association of plasma ghrelin concentrations with disordered glucose regulation and type 2 diabetes was assessed in a longitudinal study. Five single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the exons of the ghrelin receptor and 11 SNPs in the ghrelin gene 5´flanking area were found. The SNPs in the ghrelin receptor gene did not associate with plasma IGF-1 concentrations, but two of them did reveal an association with insulin and/or lipid metabolism related parameters. The SNPs found in the ghrelin gene 5´flanking area did not associate with plasma ghrelin levels, but one of them associated with body mass index (BMI). In monozygotic twins discordant for obesity, ghrelin levels were higher in the lean compared with the obese co-twins. Serum ghrelin levels at baseline did not differ between those who maintained normal glucose tolerance and those who developed impaired glucose regulation or type 2 diabetes during the follow up. In conclusion, the results suggest that two variations in the ghrelin receptor gene might be associated with glucose and lipid metabolism but not with IGF-1 levels. One SNP in the ghrelin gene might be associated with obesity. The results also indicate that plasma ghrelin levels are influenced by acquired obesity rather than genetic determinants. Finally, fasting serum ghrelin concentrations do not seem to have a significant predictive value on the incidence of impaired glucose tolerance and type 2 diabetes. / Tiivistelmä Greliini on peptidihormoni, jolla on osoitettu olevan anabolisia vaikutuksia. Se voimistaa kasvuhormonin eritystä, toimii ruokahalua ja ravinnonottoa lisäävänä signaalina, vähentää rasvahappojen käyttöä energian lähteenä ja lisää rasvakudoksen määrää. Lisäksi greliinillä on osoitettu olevan vaikutuksia sokeriaineenvaihduntaan, sydämen toimintaan ja tulehduksellisiin prosesseihin. Näiden ominaisuuksiensa ansiosta greliinistä on tullut tärkeä tutkimuskohde lihavuuteen ja sen liitännäissairauksiin, kuten verenpainetautiin, tyypin 2 diabetekseen ja ateroskleroosiin liittyvässä tutkimuksessa. Tässä väitöskirjatutkimuksessa oli tavoitteina etsiä uusia geneettisiä poikkeamia greliiniä ja greliinireseptoria koodaavista geeneistä ja tutkia löytyneiden poikkeamien kytkeytymistä lihavuuteen sekä ateroskleroosin aineenvaihdunnallisiin riskitekijöihin. Tavoitteina oli myös selvittää geneettisten- ja ympäristötekijöiden roolia greliinipitoisuuksien säätelyssä. Lisäksi greliinipitoisuuksien yhteyttä tyypin 2 diabetekseen ja sokeriaineenvaihdunnan häiriöihin tutkittiin seurantatutkimuksessa. Greliinireseptorin geenin eksoneista löytyi viisi ja greliinigeenin 5´reunustavilta alueilta yksitoista yhden nukleotidin geneettistä poikkeamaa. Löytyneillä greliinireseptorin geenin poikkeamilla ei havaittu olevan yhteyttä plasman IGF-1 pitoisuuksiin, mutta kahdella niistä oli yhteyttä insuliini- ja/tai lipidiaineenvaihduntaan liittyviin muuttujiin. Greliinigeenin 5´reunustavan alueen geneettiset poikkeamat eivät liittyneet plasman greliinipitoisuuksiin, mutta yhdellä variaatiolla oli yhteyttä kehon painoindeksiin. Kaksostutkimukimuksissa greliinipitoisuudet olivat korkeammat hoikilla kaksosilla verrattuna lihaviin kaksospareihinsa, huolimatta samasta geeniperimästä. Seurantatutkimuksen alussa mitatut seerumin greliinipitoisuudet eivät ennustaneet tyypin 2 diabeteksen tai muun sokeriaineenvaihdunnan häiriön ilmaantumista. Yhteenvetona voidaan sanoa, että tutkimuksessa löytyneet greliinireseptorin geneettiset poikkeamat saattavat liittyä sokeri- ja rasva-aineenvaihduntaan, mutta eivät niinkään muihin tunnettuihin ateroskleroosin riskitekijöihin. Yksi greliinigeenin variaatioista näyttäisi liittyvän lihavuuteen. Tutkimukset osoittavat, että geneettiset tekijät säätelisivät plasman greliinipitoisuutta vähemmän kuin hankittu lihavuus. Lisäksi serumin greliinipitoisuuksilla ei ole merkittävää ennusteellista arvoa tyypin 2 diabeteksen ilmaantuvuuden suhteen.

Abstract Atherosclerosis is the major cause of cardiovascular diseases and the leading cause of death globally. Atherosclerosis is a complex, chronic disease characterized by lipid accumulation and inflammation within the intima layer of vessel wall. Novel biomarkers and therapeutics are still being sought to provide both better diagnosis and treatment. Ghrelin represents an attractive target for studies into atherosclerosis. Ghrelin is a gastric peptide hormone, which has multiple functions, including regulation of appetite and energy metabolism. Emerging evidence suggests that it may also have a role in the cardiovascular and immune systems. The aim of the present study was to explore the role of ghrelin in atherosclerosis. The specific aims were 1) to investigate the association between the plasma ghrelin level and early atherosclerosis as determined by carotid artery intima media thickness (IMT) in a large (n =  1024) cross-sectional population-based study of middle-aged subjects, 2) to measure the associations between plasma ghrelin levels and already established risk factors of atherosclerosis in human subjects, 3) to assess the effects of ghrelin on atherogenesis in vitro by analyzing monocyte adhesion to endothelial cells, oxidized low density lipoprotein (LDL) binding and acetylated LDL uptake using macrophages, and 4) to study the influence of ghrelin on atherosclerosis using ghrelin vaccination in a mouse model of atherosclerosis. Plasma total ghrelin levels were positively associated with carotid IMT in male subjects. Association studies demonstrated plasma ghrelin levels to be negatively associated with total and LDL cholesterol, and triglyceride concentrations as well as with body mass index (BMI), and positively assocated with high density lipoprotein (HDL) cholesterol concentration in postmenopausal women and in a population-based study. In addition, estrogen increased plasma acylated ghrelin levels in postmenopausal women. Cell culture studies demonstrated that ghrelin could increase the binding of oxidized LDL and monocytes to endothelial cells. Interestingly, when endothelial cells were stimulated with tumor necrosis factor α (TNFα), then ghrelin prevented monocyte adhesion. The study with LDL receptor knockout mice, revealed that ghrelin vaccination could increase plasma ghrelin levels but had no effects on the development of atherosclerosis. However, the plasma MCP-1 level decreased in mice immunized with ghrelin vaccine. In conclusion, these studies suggest that ghrelin has modulatory functions in the vascular system and atherogenesis though the effect may not be as dominant as that of the known traditional risk factors. Whether this effect of ghrelin is positive or negative in atherogenesis will be clarified in further studies. / Tiivistelmä Sydän- ja verisuonitaudit ovat suurin kuolinsyy niin Suomessa kuin useimmissa länsimaissakin. Näiden sairauksien taustalla on yleensä valtimonkovettumatauti eli ateroskleroosi, joka voi kliinisesti ilmentyä mm. sepelvaltimotautina, aivoveritulppana ja laskimotautina. Ateroskleroosissa tulehdussoluja ja kolesterolia kertyy verisuonen seinämään muodostaen ahtauman eli ateroomaplakin valtimoon. Valtimonkovettumataudin riskitekijäitä tunnetaan jo hyvin, mutta uusia tautia ennustavia merkkiaineita sekä hoitomuotoja tarvitaan yhä. Greliini on mahalaukusta eritettävä peptidihormoni, joka osallistuu elimistössä mm. ruokahalun, energiametabolian, tulehdustekijöiden sekä sydän- ja verenkiertoelimistön toiminnan säätelyyn. Tämän työn tavoitteena oli tutkia greliinin yhteyttä ihmisen valtimonkovettumatautiin. Tutkimus toteutettiin käyttämällä kahta eri potilasaineistoa, soluviljelykokeita sekä valtimonkovettumataudin hiirimallia. Laajassa väestöpohjaisessa potilasaineistossa tutkittiin veren greliinipitoisuuden yhteyttä kaulavaltimon seinämän paksuuteen, jota pidetään valtimonkovettumista kuvaavana tekijänä. Veren greliinipitoisuuden yhteyttä valtimonkovettumataudin tunnettuihin riskitekijöihin tutkittiin myös laajassa potilasaineistossa sekä vaihdevuosi-ikäisillä naisilla, joille annettiin estrogeenikorvaushoitoa. Solukokeilla selvitettiin greliinin vaikutusta tärkeisiin valtimonkovettumataudin syntyvaiheisiin käyttäen monosyytti-, endoteelisolu- sekä makrofaagi-soluviljelmiä. Greliinin vaikutusta ateroskleroosiin in vivo selvitettiin rokottamalla LDL-reseptoripuutteiset hiiret greliini-rokotteella. Tutkimuksessa havaittiin yhteys veren korkean greliinipitoisuuden ja kaulavaltimon seinämän paksuuden välillä miehillä laajassa potilasaineistossa (n =  1024). Tulosta tukivat soluilla tehdyt kokeet, joissa greliini lisäsi hapettuneen LDL:n sitoutumista makrofaageihin sekä monosyyttien tarttumista endoteelisolujen pinnalle. Greliinin vaikutukset monosyyttien tarttumiseen endoteelisolujen pinnalle olivat päinvastaiset silloin, kun endoteelisolut käsiteltiin tulehdusta stimuloivalla tekijällä. Matalat veren greliinipitoisuudet olivat myös yhteydessä korkeisiin LDL-kolesteroli- ja triglyseriditasoihin sekä painoindeksiin ja matalaan HDL-kolesterolitasoon potilasaineistoissa. Estrogeeni nosti veren greliinipitoisuutta vaihdevuosi-ikäisillä naisilla. Greliinirokote ei vaikuttanut ateroskleroosin kehittymiseen hiirimallissa. Tutkimustulosten perusteella greliinillä näyttäisi osallistuvan valtimonkovettumataudin kehitykseen, vaikkakin sen vaikutus on pienempi kuin aiemmin tunnetuilla taudin riskitekijöillä.

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 The increasing prevalence of metabolic syndrome and the consequent cardiovascular diseases, including atherosclerotic diseases and type 2 diabetes, are a cause of public concern worldwide. This development has stimulated an active search for novel risk factors and new candidate genes. The hormones regulating energy balance and the polymorphisms associated with them are of special interest as potential risk factors for metabolic syndrome. Ghrelin is a novel peptide hormone from stomach with strong growth hormone releasing activity. It is also able to modify glucose and insulin metabolism, blood pressure levels, cardiac function, adipogenesis and inflammatory processes in experimental conditions. Whether ghrelin and ghrelin gene variations have a role in the development of metabolic syndrome and the associated diseases, is not known. In the present study, the associations between fasting plasma ghrelin concentrations, ghrelin gene mutations (Arg51Gln and Leu72Met), features of metabolic syndrome, type 2 diabetes and carotid artery atherosclerosis were analysed. In addition, the relationship between ghrelin and insulin-like growth factor I (IGF-I) concentrations was studied. The study population consisted of 1045 middle-aged subjects of the hypertensive and the control cohorts of the OPERA project from the City of Oulu, Finland. Low ghrelin concentrations were found to be associated with several components of metabolic syndrome: adiposity, low HDL cholesterol levels, high insulin concentrations and high blood pressure levels. The prevalence of insulin resistance and type 2 diabetes was increased amongst the subjects with low ghrelin concentrations. Out of the individual factors tested, IGF-I concentration was the most significant predictor of ghrelin concentrations. This negative association was strongest in the subjects with insulin resistance and type 2 diabetes, which suggests that changes in ghrelin/IGF-I interactions might be involved in the development of these conditions. The subjects with the Gln51 allele of the ghrelin gene had lower ghrelin concentrations and, consistent with the findings mentioned above, higher prevalence of type 2 diabetes and hypertension compared with the subjects homozygous for the Arg51 allele. No correlation between ghrelin and C-reactive protein concentrations was seen. However, there was a positive association between ghrelin concentrations and carotid artery intima-media thickness. This association was independent of the commonly recognised risk factors of atherosclerosis and was only seen in men, who also had more advanced atherosclerosis than women. These observations call for further studies to clarify the potential causative role of ghrelin in the etiology of metabolic syndrome, type 2 diabetes and atherosclerotic cardiovascular diseases. / Tiivistelmä Metaboliseen oireyhtymään liittyy kohonnut riski sairastua sydän- ja verisuonisairauksiin kuten tyypin 2 diabetekseen ja sepelvaltimotautiin. Metabolisen oireyhtymän nopea esiintyvyyden kasvu on johtanut aktiiviseen uusien riskitekijöiden etsintään. Erityisen kiinnostuksen kohteena ovat olleet energia-aineenvaihduntaa säätelevät hormonit ja niihin liittyvät polymorfiat. Greliini on ensisijaisesti vatsalaukusta erittyvä hormoni, joka lisää voimakkaasti kasvuhormonin eritystä. Koeolosuhteissa sillä on myös vaikutuksia sokeriaineenvaihduntaan, verenpaineeseen, sydämen toimintaan, rasvakudoksen kehittymiseen ja tulehduksellisiin tapahtumiin, minkä perusteella on syytä epäillä greliinillä olevan osuutta metabolisen oireyhtymän ja siihen liittyvien sairauksien synnyssä. Tässä tutkimuksessa selviteltiin greliinin paastoplasmapitoisuuksien ja greliinipolymorfioiden (Arg51Gln ja Leu72Met) yhteyksiä metabolisen oireyhtymän piirteisiin, tyypin 2 diabetekseen ja kaulavaltimoiden ateroskleroosiin. Lisäksi tutkittiin greliinin ja insuliinin kaltaisen kasvutekijän (IGF-I) pitoisuuksien yhteyksiä. Tutkimusväestö koostui 1045 oululaisesta keski-ikäisestä OPERA tutkimukseen kuuluvasta henkilöstä. Tutkimuksessa matalien greliinipitoisuuksien havaittiin olevan yhteydessä useisiin metabolisen oireyhtymän piirteisiin: lihavuuteen, alhaisiin HDL kolesterolin pitoisuuksiin, korkeisiin insuliinipitoisuuksiin ja kohonneeseen verenpaineeseen. Matala greliinipitoisuus yhdistyi myös tyypin 2 diabeteksen ja verenpainetaudin esiintyvyyteen. Tutkituista tekijöistä IGF-I -pitoisuudet selittivät parhaiten greliinipitoisuuksia. Tämä käänteinen yhteys oli erityisen vahva tyypin 2 diabeetikoilla ja insuliiniresistenteillä henkilöillä viitaten greliinin ja IGF-I:n mahdollisen vuorovaikutukseen liittyvän näiden tilojen kehittymiseen. Lisäksi havaittiin, että greliinigeenin Gln51-alleelia kantavien henkilöiden greliinipitoisuudet olivat alhaiset, ja että he sairastivat enemmän diabetesta ja verenpainetautia kuin henkilöt jotka olivat homotsygootteja Arg51-alleelin suhteen. Greliinipitoisuudet ja C-reaktiivisen proteiinin pitoisuudet eivät korreloineet keskenään. Kaulavaltimon seinämäpaksuus korreloi positiivisesti greliinipitoisuuksien kanssa miehillä riippumatta perinteisistä ateroskleroosin riskitekijöistä. Tutkimustulokset tukevat olettamusta, että greliinillä saattaa olla merkitystä metabolisen oireyhtymän, tyypin 2 diabeteksen ja ateroskleroosin kehittymisessä. Jatkotutkimukset ovat tarpeen tämän yhteyden osoittamiseksi.