Abstract Low back pain (LBP) is a truly enervating condition, presenting with considerable negative socioeconomic and health impacts on many levels. Although LBP may be attributed to many factors, there is increasing evidence that disc degeneration (DD) of the lumbar spine is a strong contributing factor, especially among young individuals. Understanding the aetiopathogenesis of DD has changed over the past few decades as numerous studies have indicated that inherited factors are largely responsible for the development of DD. Despite the many genetic associations in DD that have been reported, these associations have proven difficult to validate. The genetic component of DD is still unexplained for the most part. Previous studies have focused on adults, who have been exposed to environmental risk factors of DD, which may mask genetic associations. Thus, investigations among young individuals are well justified. The purpose of this study was to validate the associations between DD defined by magnetic resonance imaging (MRI) and genetic polymorphisms in two study populations of Finnish and Danish young individuals. New polymorphisms that have not been associated with DD were also included in the study. Associations with progression of DD were also investigated among Danish individuals. Furthermore, this study aimed to clarify the level of evidence of previously identified associations. Among Finnish individuals, polymorphisms in IL6, SKT and CILP were associated with moderate DD, but the association in CILP was significant only in women. Among Danish individuals, polymorphisms in IL6 and IL1A were associated with early DD and progression of DD. The genetic associations among the Danish teenagers were gender-specific as they were mainly observed in girls. Among both populations, the individuals with DD were significantly taller than individuals without DD. In the systematic analysis of previous reports, polymorphisms in GDF5, THBS2, MMP9, COL11A1, SKT and ASPN were found to have a moderate level of association evidence. The results mostly support earlier findings in adults. However, unexpected differences between genders were observed. In conclusion, this study increased the knowledge of genetics in DD but more investigations are needed to draw any solid conclusions. / Tiivistelmä Alaselkäkipu on yksi merkittävimmistä toimintakykyyn vaikuttavista sairauksista. Alaselkäkivun riskitekijöitä tunnetaan useita, mutta näyttö siitä, että selän välilevyrappeuma on yksi tärkeimmistä riskitekijöistä, erityisesti nuorilla henkilöillä, lisääntyy jatkuvasti. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että perintötekijöillä on merkittävä osuus välilevyjen rappeutumisessa. Useiden geenien on raportoitu vaikuttavan välilevyrappeumaan. Positiivisten tulosten toistaminen on kuitenkin osoittautunut vaikeaksi, ja kokonaiskuva on vielä suurelta osin epäselvä. Aikaisemmat tutkimukset aiheesta ovat keskittyneet aikuisiin, joilla nuoria pidempi altistus ympäristötekijöille saattaa peittää geneettisten tekijöiden yhteyttä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli varmentaa yhteyksiä magneettikuvauksella (MRI) määritetyn välilevyrappeuman ja geneettisten monimuotoisuuskohtien (polymorfioiden) välillä käyttäen yhtä suomalaisista ja yhtä tanskalaisista nuorista koostuvaa aineistoa. Työssä analysoitiin myös polymorfioita, joita ei ole aiemmin yhdistetty välilevyrappeumaan. Yhteyttä polymorfioiden ja välilevyrappeuman etenemisen välillä tutkittiin tanskalaisessa aineistossa. Lisäksi tutkimuksen tavoitteena oli selvittää aiemmin tunnistettujen geneettisten yhteyksien näytön aste. Suomalaisten nuorten aineistossa polymorfiat IL6-, SKT- ja CILP-geeneissä olivat yhteydessä kohtalaista astetta olevaan välilevyrappeumaan. Tanskalaisten nuorten aineistossa polymorfiat IL6- ja IL1A-geeneissä olivat yhteydessä varhaiseen välilevyrappeumaan ja sen etenemiseen. Tanskalaisten nuorten aineistossa nämä yhteydet olivat sukupuolesta riippuvaisia, koska yhteyksiä havaittiin pääasiassa tytöillä. Suomalaisten nuoren aineistossa yhteys CILP-geenissä havaittiin ainoastaan nuorilla naisilla. Kummassakin tutkimusaineistossa nuoret, joilla oli välilevyrappeuma, olivat pidempiä, kuin nuoret, joilla ei ollut välilevyrappeumaa. Aikaisempien tutkimusten systemaattinen analyysi osoitti, että tunnistetun geneettisen yhteyden näytön aste on kohtalainen GDF5-, THBS2-, MMP9-, COL11A1-, SKT- ja ASPN-geenien polymorfioissa. Tutkimusten tulokset ovat pääosin samansuuntaisia aiempien tutkimuksien kanssa, mutta nyt nähty eroavaisuus sukupuolten välillä on uusi havainto. Kokonaisuudessaan tämä väitöstutkimus kasvattaa ymmärtämystä välilevyrappeumasta, mutta lisätutkimuksia aiheesta tarvitaan.

Abstract Low back pain (LBP) is the leading cause of years lived with disabilities worldwide. Intervertebral disc (IVD) degeneration is a strong contributing factor to LBP. Recent studies have shown that genetic determinants contribute markedly to IVD degeneration but knowledge about the actual genes involved as well as their roles is still limited. The aim of this thesis work was to study genetic factors that may predispose to IVD degeneration. Using both family and case-control association study designs, variants in five genes showed association with IVD degeneration on magnetic resonance imaging (MRI) in a population-based sample and among patients with sciatica due to lumbar disc herniation (LDH). We performed a candidate gene association study of the known variants implicated in IVD degeneration in a Finnish cohort of 538 young individuals with a moderate degree of lumbar IVD degeneration on MRI. We were able to confirm the associations of variants in the IL6, SKT, and CILP genes, which provides further evidence for true associations. Based on our earlier linkage study in Finnish sciatica families, we performed a candidate gene analysis and identified IL17F as a potential candidate gene. To the best of our knowledge this is the first study to observe an association between this gene and discogenic sciatica. Both IL-6 and IL-17 are pro-inflammatory cytokines with elevated expression levels in herniated tissues, which suggest a role in IVD degeneration. Study of the role of genes coding for inflammatory mediators is of interest as it may contribute to the understanding of the overall inflammatory response of the disc. In addition, we reported on the involvement of SKT in the etiology of lumbar disc herniation (LDH) both in Japanese and Finnish case-control samples. Experimental studies in mice have shown that Skt homozygous mutants exhibit disc abnormalities resulting in a kinky tale phenotype. We hypothesized that the human homolog SKT could have long-term importance in the onset of IVD degeneration by making the discs more vulnerable. Finally, through linkage studies and in the subsequent association analyses, the role of CHST3 as a novel risk factor for IVD degeneration was identified. CHST3 encodes an enzyme that catalyzes the sulfation of chondroitin, and mutations in this gene are associated with spondylepiphyseal dysplasia and humerospinal dysostosis. In our study, we identified this gene using genome –wide linkage based on data from a Southern Chinese family and speculated that mild CHST3 reduction caused by the reported susceptibility SNP could result in disc degeneration in adults in conjunction with other risk factors. This thesis provides new information about the genetic background of IVD degeneration and new insights into the etiology of the disease. The specific roles of these genes in the IVD function and pathogenesis of sciatica are not clear however, and need to be elucidated. / Tiivistelmä Alaselkäkipu on yksi yleisimmistä sairauksista ja johtava syy työkyvyttömyyteen. Välilevyrappeuma myötävaikuttaa merkittävästi alaselän kipuun. Vaikka aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että perintötekijöillä on vahva osuus välilevyrappeumaan, altistavat geenit ja niiden rooli tunnetaan huonosti. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli arvioida tiettyjen perintötekijöiden osuutta välilevyrappeumassa ja tunnistaa taudille altistava geeni perheaineistossa aiemmin havaitulta kromosomialueelta. Aineistoina tutkimuksessa olivat perheaineistot sekä laajat potilas-kontrolliaineistot suomalaisesta ja aasialaisista väestöistä. Tutkimuksessa osoitimme, että perimän vaihtelut viidessä tutkitussa geenissä altistivat erilaisille välilevyrappeuman taudin muodoille. Tutkimus, jossa analysoimme aiemmin tunnistettuja alttiusgeenejä, vahvisti IL6, SKT ja CILP geenien vaihteluiden osuuden taudin alttiustekijöinä. Tutkimusaineistona oli pohjoissuomalainen syntymäkohortti, jossa välilevyrappeuma oli määritetty magneettikuvauksella (MRI). Suomalaisessa perheaineistossa tehdyn kokogenomin laajuisen kartoituksen pohjalta analysoimme IL17F geenin mahdollisena uutena alttiusgeeninä oireiselle välilevytaudille. Kahdesta geenin variantista koostuva haplotyyppi assosioitui tautiin merkitsevästi. Lisäksi osoitimme, että SKT-geenin tietty muutos altistaa välilevyn pullistumille sekä japanilaisessa että suomalaisessa potilasaineistossa. Hiirikokeissa on havainnoitu, että SKT-geenin homotsygootti mutaatio johtaa välilevy-poikkeamaan, joka edelleen aiheuttaa hiiren poikkeavan häntäilmiasun-. Hypoteesimme oli, että ihmisen SKT -geeni voi myötävaikuttaa välilevypullistuman kehittymiseen altistamalla välilevyt rappeumalle. Edelleen, laajassa usean populaation aineiston käsittävässä tutkimuksessa osoitimme CHST3-geenin muutoksen altistavan välilevyrappeumalle. Peittyvästi periytyvät muutokset tässä geenissä aiheuttavat perinnöllisiä harvinaisia luusairauksia. Tämä väitöstutkimus tarjoaa uutta tietoa välilevyrappeuman geneettisestä taustasta ja auttaa taudin syiden tutkintaa. Geenien rooli välilevyn toiminnassa ja muutosten vaikutus taudin kulkuun vaativat kuitenkin vielä lisätutkimuksia.

Abstract Osteoporosis is a bone disorder that leads to a reduction in bone volume, deterioration of bone microarchitecture and therefore increased fracture risk. Bone disorders such as osteoporosis commonly have both genetic and environmental components. Family and twin studies have shown the importance of genetics in bone formation and health, but most of the genetic factors contributing to bone formation are still largely unknown. The aim of this thesis was to search for and identify genetic factors that predispose to two different bone disorders manifesting in fractures, namely femoral neck stress fractures and childhood primary osteoporosis without features of OI (i.e. non-OI primary osteoporosis). Furthermore, in vitro studies were performed to elucidate the importance and mechanism of action of identified genetic factors in non-OI primary osteoporosis. By using candidate gene analyses we identified predisposing alleles, haplotypes and their interactions that increased the risk for femoral neck stress fractures in young male military conscripts. The conscripts lacking the CTR C allele and/or VDR C-A haplotype had a three-fold increased risk for femoral neck stress fractures compared to the carriers of both. Furthermore, conscripts carrying the LRP5 A-G-G-C haplotype had a three-fold increased risk for femoral neck stress fractures and in combination with VDR C-A haplotype a four-fold increased risk for stress fractures. These associations were mediated by low body weight and BMI. In the search for genetic factors of non-OI primary osteoporosis in children and adolescent, two novel mutations in LRP5 and two more variants in WNT3A and DKK1 were found in patients. The variants were also observed in the affected family members, but not in the control group. The effects of these variants were examined in in vitro studies and the results showed that some LRP5 mutations and the WNT3A variant might reduce bone formation by decreasing the canonical Wnt signalling activity. / Tiivistelmä Osteoporoosi on luustosairaus, joka alentaa luuntiheyttä ja heikentää luun rakennetta ja siten lisää murtumien riskiä. Osteoporoosin kaltaiset luusairaudet ovat usein monitekijäisiä tauteja, joiden syntyyn vaikuttavat sekä perinnölliset että ympäristölliset tekijät. Perhe- ja kaksostutkimukset ovat osoittaneet perinnöllisten tekijöiden olevan tärkeitä luun muodostuksessa ja terveydessä, mutta nämä tekijät ovat kuitenkin vielä suurelta osin tuntemattomia. Tutkimustyön tavoitteena oli etsiä ja tunnistaa perinnöllisiä tekijöitä, jotka altistavat kahdelle luunmurtumina ilmenevälle sairaudelle: reisiluunkaulan rasitusmurtumille ja lasten primaariselle osteoporoosille. Lisäksi primaariselle osteoporoosille altistavien perinnöllisten tekijöiden merkitystä ja vaikutusmekanismeja tutkittiin in vitro- kokeilla. Reisiluunkaulan rasitusmurtumille altistavien alleelien, haplotyyppien ja näiden vuorovaikutusten tunnistamiseen käytettiin ehdokasgeenianalyysiä nuorten alokkaiden aineistossa. Potilailla, joilta CTR-geenin C-alleeli ja/tai VDR-geenin C-A haplotyyppi puuttuivat, oli kolminkertainen riski rasitusmurtumien syntyyn molempien geenimuotojen kantajiin verrattuna. Myös LRP5-geenin A-G-G-C haplotyypin kantajilla oli kolminkertainen riski rasitusmurtumiin ja VDR-geenin C-A haplotyyppi ja A-G-G-C yhdessä lähes nelinkertaistivat rasitusmurtumien riskin alokkailla. Näiden assosiaatioiden todettiin välittyvän alhaisen painon ja painoindeksin välityksellä. Lapsuudessa tai varhaisnuoruudessa puhkeavan primaarisen osteoporoosin perinnöllisten tekijöiden etsinnässä löydettiin kaksi uutta mutaatiota LRP5-geenistä ja yhteensä kaksi uutta muutosta WNT3A- ja DKK1-geeneistä. Uusien ehdokasgeenilöydösten osuutta primaarisen osteoporoosin syntyyn tukee se, että muutokset löydettiin potilaiden lisäksi heidän sairailta sukulaisiltaan eikä muutoksia havaittu kontrolliaineistoissa. Uusien mutaatioiden mahdollisia vaikutuksia tutkittiin in vitro-kokein, jotka osoittivat, että eräät LRP5-geenin mutaatiot ja WNT3A-geenin muutos alentavat kanonisen Wnt-signalointireitin aktiivisuutta ja voivat siten vähentää luunmuodostusta.

Abstract Mutations in the currently known breast cancer susceptibility genes account for only 25–30% of all familial cases. Novel susceptibility genes can be identified by several methods, including candidate gene re-sequencing and genome-wide microarrays. We have applied microarrays for the detection of a new genomic variation class, copy number variants (CNVs), which potentially could disrupt genes in multiple pathways related to breast cancer susceptibility. The aim of the current study was to evaluate the role of the RNF8, UBC13, MMS2 and RAD51C DNA damage response genes in breast cancer susceptibility as well as to study if rare CNVs are associated with the predisposition to this disease. The analysis of 123 familial breast cancer cases revealed altogether nine different changes in the RNF8 and UBC13 candidate genes. However, none of the observed alterations were considered pathogenic. No alterations were observed in MMS2. The obtained results suggest that breast cancer predisposing alterations in RNF8, UBC13 and MMS2 are rare, or even absent. The RAD51C mutation screening of 147 familial breast cancer cases and 232 unselected ovarian cancer cases revealed two deleterious mutations: c.-13_14del27 was observed in a breast cancer case with familial history of ovarian cancer and c.774delT in an ovarian cancer case. Both mutations were absent in the control cohort. The results of the study support the hypothesis that rare variants of RAD51C predispose predominantly to ovarian cancer. A genome-wide scan of CNVs was performed for 103 familial breast cancer cases and 128 controls. The biological networks of the genes disrupted by CNVs were different between the two groups. In familial breast cancer cases, the observed mutations disrupted genes, which were significantly overrepresented in cellular functions related to maintenance of genomic integrity (P=0.0211). Biological network analysis showed that the disrupted genes were closely related to estrogen signaling and TP53-centered tumor suppressor network, and this result was confirmed by the analysis of an independent young breast cancer cohort of 75 cases. These results suggest that rare CNVs represent an alternative source of genetic variation contributing to hereditary risk for breast cancer. / Tiivistelmä Tunnetut rintasyöpäalttiusgeenien mutaatiot selittävät vain 25–30 prosenttia kaikista perinnöllisistä rintasyöpätapauksista. Uusia alttiusgeenejä voidaan tunnistaa useilla eri menetelmillä, kuten kandidaattigeenien mutaatiokartoituksella ja genomin-laajuisilla mikrosirutekniikoilla. Tässä tutkimuksessa sovelsimme mikrosirutekniikkaa uuden geneettisen variaatioluokan, kopiolukuvariaation (CNV), tutkimiseen. CNV:t voivat vaurioittaa lukuisia rintasyöpäalttiuteen liittyviä biokemiallisia reittejä. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli arvioida RNF8-, UBC13-, MMS2- ja RAD51C -DNA- vauriovastegeenien sekä harvinaisten CNV:iden yhteyttä rintasyöpä-alttiuteen. 123 familiaalisen rintasyöpätapauksen analyysissä löytyi yhteensä yhdeksän muutosta RNF8- ja UBC13-geeneistä, joista yksikään ei osoittautunut patogeeniseksi. MMS2-geenissä ei havaittu muutoksia. Tulosten perusteella rintasyövälle altistavat muutokset RNF8-, UBC13- ja MMS2- geeneissä ovat joko erittäin harvinaisia tai niitä ei esiinny lainkaan. RAD51C-geenin mutaatiokartoitus 147 familiaalisesta rintasyöpätapauksesta sekä 232 valikoimattomasta munasarjasyöpätapauksesta paljasti kaksi haitallista mutaatiota. c.-13_14del27 havaittiin rintasyöpäpotilaalla, jonka suvussa esiintyi munasarjasyöpää, ja c.774delT todettiin munasarjasyöpäpotilaalta. Kumpaakaan mutaatiota ei havaittu verrokkiaineistossa. Tulokset vahvistavat hypoteesia RAD51C-geenin harvinaisten varianttien yhteydestä pääasiassa munasarjasyöpäriskiin. CNV:iden genomin-laajuinen skannaaminen suoritettiin 103 familiaaliselle rintasyöpätapaukselle ja 128 verrokille. CNV:iden häiritsemien geenien muodostamat biologiset verkostot olivat erilaiset näiden kahden ryhmän välillä. Familiaalisilla rintasyöpätapauksilla havaitut CNV:t vaikuttivat geeneihin, jotka olivat voimakkaasti korostuneita genomin eheyttä ylläpitävissä tehtävissä (P=0.0211). Biologisten verkostojen analyysi paljasti, että CNV:iden vahingoittamat geenit liittyivät läheisesti estrogeenisignalointiin sekä TP53-tuumorisupressoriverkostoon, ja tämä tulos vahvistettiin analysoimalla riippumatonta nuorista rintasyöpäpotilaista koostuvaa kohorttia (N=75). Tutkimuksen tulosten mukaan harvinaiset CNV:t ovat vaihtoehtoinen geneettisen variaation lähde perinnölliseen rintasyöpäalttiuteen.