Abstract Obesity, insulin resistance, type 2 diabetes (T2D) and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) form a dangerous quartet which threatens human health all over the world. About 25% of adults around the world have NAFLD, which poses risks for cardiovascular and metabolic well-being and may develop into liver cirrhosis and hepatocellular carcinoma. Apart from lifestyle modification, treatment options for NAFLD are scarce. This thesis presents atrial fibrillation (AF) as a new complication of NAFLD among general population of 958 individuals aged 40-60 years participating in the OPERA study. Even after multiple-adjustments for confounding factors, ultrasound-based NAFLD predicted the development of AF during about 16 years of follow-up. Moreover, the association between AF and liver fibrosis in 76 individuals aged 64-82 years in a cross-sectional setting is presented. The thesis also shows that individuals with metabolic syndrome (MetS), with or without NAFLD, are at increased risk of cardiovascular events, T2D and the increase of left ventricular mass index in a study population of 958 individuals aged 40-60 years during a 20-year follow-up. In other words, NAFLD without MetS does not seem to expose to these three cardiometabolic complications. The thesis also shows that rifampicin-activated pregnane X receptor (PXR), a member of the nuclear receptor superfamily of ligand-activated transcription factors with several endobiotic and xenobiotic activators, increases serum levels of cholesterol, phospholipids and certain fatty acids, assessed by nuclear magnetic resonance metabolomics technique, in a randomized, open, placebo-controlled trial among 34 young and healthy individuals. These serum lipids are considered toxic lipids and capable of transforming hepatosteatosis into steatohepatitis and even more severe forms of NAFLD. Moreover, rifampicin-activated PXR has no effect on serum triglycerides, that are non-toxic lipids, or triglyceride accumulation in the liver, assessed by magnetic resonance imaging, in 15 young and healthy individuals. In conclusion, this thesis advances the knowledge in the pathogenesis, lipid metabolism, complications and heterogeneous nature of NAFLD. These may have implications for patient care and follow-up. / Tiivistelmä Maailmanlaajuisesti noin 25% täysi-ikäisistä henkilöistä sairastaa alkoholinkäyttöön liittymätöntä rasvamaksaa. Sen tiedetään altistavan sydän- ja verisuonisairauksille, aineenvaihduntahäiriöille, maksakirroosille ja jopa maksasyövälle, mutta elämäntapahoitoa lukuun ottamatta hoitomahdollisuudet ovat toistaiseksi vähäisiä. Tässä väitöskirjassa osoitetaan ensimmäistä kertaa alkoholinkäyttöön liittymättömän rasvamaksan ennustavan itsenäisesti eteisvärinän ilmaantuvuutta noin 16 vuoden seurannan aikana 958 tavallisen keski-ikäisen ihmisen aineistossa osana OPERA-tutkimusta. Lisäksi väitöskirjassa osoitetaan maksan sidekudosmuodostuksen ja eteisvärinän välillä olevan yhteys poikkileikkausasetelmassa 76 iäkkään ihmisen muodostamassa aineistossa. Väitöstutkimuksessa havaittiin myös, että metabolista oireyhtymää sairastavilla henkilöillä on suurentunut tyypin 2 diabeteksen, sydän- ja verisuonisairauksien sekä vasemman kammion koon suurentumisen riski noin 20 vuoden seurannan aikana 958 tutkittavan henkilön aineistossa riippumatta siitä, onko heillä alkoholinkäyttöön liittymätön rasvamaksa. Toisin sanoen alkoholin käyttöön liittymätön rasvamaksa ilman metabolista oireyhtymää ei lisää edellä mainittujen kolmen sairauden riskiä. Väitöstutkimuksessa esitetään lisäksi, että rifampisiinilla aikaansaatu maksan pregnane X -reseptorin aktivaatio johtaa seerumin fosfolipidien, tiettyjen rasvahappojen sekä usean eri kolesterolityypin lisääntymiseen 34 terveen nuoren henkilön aineistossa. Kirjallisuudessa näiden seerumin rasva-aineiden on esitetty aiheuttavan alkoholin käyttöön liittymätöntä maksatulehdusta ja jopa rasvamaksan vakavimpia muotoja. Toisaalta rifampisiini ei lisännyt seerumin triglyseridipitoisuutta eikä aiheuttanut magneettitutkimuksella mitattuna triglyseridien kertymistä maksaan 15 terveen nuoren henkilön aineistossa. Tämä väitöstutkimus antaa lisätietoa rasvamaksan kehittymisestä, rasva-aineenvaihdunnasta ja komplikaatioista sekä korostaa rasvamaksan monimuotoista luonnetta. Nämä löydökset saattavat parantaa rasvamaksaa sairastavien henkilöiden hoitoa ja seurantaa.

Abstract Obesity and dyslipidemia are major risk factors for type 2 diabetes, cardiovascular diseases (CVD), cancer, and musculoskeletal disorders. In prevention, the major goal is to limit calorie consumption and to reduce LDL-C and triglyceride. Dietary fiber (DF) intake is inversely related to body weight gain, insulin resistance, dyslipidemia, and CVD. This thesis investigated the effects of the DFs polydextrose (PDX) and lignin-rich insoluble residue (INS) from brewer’s spent grain (BSG) on lipid metabolism and obesity in diet-induced obese mice. In study 1, PDX was investigated on lipid metabolism in Western-diet-fed mice. We found that PDX reduced fasting plasma cholesterol and triglyceride, food intake, and increased bacteria such as Allobaculum, Bifidobacterium and Coriobacteriaceae in the gut. These changes in the gut microbiota with PDX were associated with downregulation of the genes Fiaf, Dgat1 and Cd36, and upregulation of Fxr in the intestine. We suggest that the hypolipidemic effect of PDX is exerted via diet-induced modification of gut microbiota and gene expression. In study II, INS from BSG was studied for its degradation products in mice fed with a fiber-deficient diet. We found that INS was partially degraded by gut microbiota and contributed to the phenolic pool. The major metabolite in mouse urine was 4-methylcatechol, a degradation product of lignin. In study III, the effects of INS from BSG were studied on lipid metabolism and obesity in high-fat diet-fed mice. INS showed hypocholesterolemic effects, reduced body weight and hepatic steatosis, and increased bacterial diversity, Clostridium leptum, and Bacteroides. INS increased bile acid excretion in the feces and upregulated the genes Srebp2, Hmgcr, Ldlr, Cyp7a1, Pparα, Fxr and Pxr in the liver. The present results suggest that INS from BSG induced beneficial systemic changes via bile acid and gut microbiota. In study IV, PDX was investigated for food intake and appetite-related parameters in healthy and overweight females in an acute study. A midmorning preload of 12.5 g PDX reduced hunger by 31.4% during satiation period while there was no significant change in energy intake compared to placebo. In addition, PDX lowered plasma insulin significantly, by 15.7%, and increased GLP-1 by 39.9%. PDX may reduce appetite, but a larger trial would be needed. / Tiivistelmä Liikalihavuus ja rasvatasapainon häiriöt ovat riskitekijöitä sydän- ja verisuonisairauksien, tyypin 2 diabeteksen, syövän sekä luuston ja lihaksiston sairauksien kehittymiseen. Näiden sairauksien ehkäisyssä pääasiallisena tavoitteena on vähentää energiansaantia, LDL-kolesterolia ja triglyseridejä. Ruoan ravintokuitujen saannin on osoitettu olevan yhteydessä painon ja plasman rasvatasojen laskuun sekä sydän- ja verisuonisairauksien vähenemiseen. Tässä tutkimuksessa selvitettiin ravintokuitu polydekstroosin (PDX) ja viljanjyvien prosessoinnista ylijäävän (BSG, brewer’s spent grain) ligniinipitoisen liukenemattoman sivutuotteen (INS) merkitystä rasva-aineenvaihduntaan ja aineenvaihduntasairauksiin liikalihavilla hiirillä. Tutkimuksessa I tarkasteltiin ravintokuitu PDX:n vaikutusta rasvojen aineenvaihduntaan länsimaisella ruokavaliolla ruokituilla hiirillä. Tutkimus osoitti, että ruokavalioon lisätty PDX alensi plasman kolesteroli- ja triglyseriditasoja paastossa sekä hillitsi ravinnonottoa ja lisäsi Allobaculum-, Bifidobacterium- ja Coriobacteriaceae-suolistobaktereja. Nämä suolistomikrobiston muutokset ovat yhteydessä Fiaf, Dgat1 ja Cd36 -geenien ilmentymistasojen laskuun ja Fxr -geenin ilmentymistason nousuun PDX-lisäruokittujen hiirien suolistossa. PDX:n hypolipideeminen vaikutus näyttäisi välittyvän ruokavaliosta johtuvan suoliston geenien ilmentymisen ja suolistomikrobiston muuttumisen kautta. Tutkimuksessa II tarkasteltiin runsaasti ligniiniä sisältävän INS:n hajoamistuotteiden vaikutusta aineenvaihduntaan hiirillä, joiden ruokavaliossa on vähemmän kuitua. Tutkimuksessa havaittiin, että suolistomikrobit hajottivat ravintokuitu INS:n osittain fenoliyhdisteiksi verenkiertoon. INS lisäsi virtsassa 4-metyylikatekolin määrää, joka on ligniinin hajoamistuote. Tutkimuksessa III tarkasteltiin INS-lisäyksen vaikutusta rasva-aineenvaihduntaan ja liikalihavuuteen korkearasvapitoisella ruokavaliolla ruokituilla hiirillä. Tulokset osoittivat, että INS-lisäys ruokavalioon alensi kolesterolia ja eläimen painoa sekä vähensi maksan rasvoittumista ja lisäsi vallitsevien bakteerien monimuotoisuutta, Clostridium leptum- ja Bacteroides -bakteereja. INS lisäsi sappihappojen erittymistä ulosteeseen ja Srebp2, Hmgcr, Ldlr, Cyp7a1, Pparα, Fxr ja Pxr -geenien ilmentymistä maksassa. Tuloksemme osoittivat, että BSG-ylijäämätuotteesta saatu ligniinipitoinen INS sai aikaan hyödyllisiä systeemisiä vaikutuksia suoliston mikrobiston ja sappihappojen muutosten kautta. Tutkimuksessa IV tarkasteltiin PDX:n vaikutusta ravinnonottoon ja ruokahaluun vaikuttaviin muuttujiin normaalipainoisilla ja liikalihavilla naisilla akuutissa tutkimuksessa. Tulosten mukaan ravintokuitu PDX:n nauttiminen aamiaisella vähensi näläntunnetta (31,4 %) seuraavalla aterioinnilla, kun taas plasebolla ei ollut vaikutusta. Lisäksi PDX alensi merkitsevästi insuliinitasoa (15,7 %) ja nosti GLP-1-tasoa (39,9 %). PDX vaikuttaisi vähentävän ruokahalua, mutta lisätutkimuksia tarvitaan.

Abstract Metabolic syndrome is a constellation of metabolic abnormalities predisposing to cardiovascular diseases (CVD), type 2 diabetes, and increased mortality. Due to the high prevalence and severe co-morbidities, metabolic syndrome constitutes a major burden for both public health and the global economy. Improved understanding of the detailed molecular mechanisms could provide novel strategies for the treatment and preferably prevention of the metabolic syndrome-related health issues. Recent advancements in ‘omics’ technologies have facilitated the development of novel tools to examine the links between genetic variation and human health. The new techniques allow determination of millions of genotypes or quantification of hundreds of metabolic measures from a single blood sample. In this thesis, genomics and metabolomics approaches are coupled to improve our understanding of the metabolic syndrome-related health issues. More precisely, my projects evaluate the metabolic effects of two lipid-lowering therapies and non-alcoholic fatty liver, as well as assess genetic determinants of chronic inflammation. The present results indicate generally consistent metabolic effects of statins and proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9) genetic inhibition. The subtle discrepancies observed could potentially contribute to differences in the efficacy to lower CVD risk between statins and PCSK9 inhibitors. The dissimilar metabolic effects of the four genetic variants that increase the risk of non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) highlight the heterogeneity of the molecular mechanisms involved in NAFLD pathogenesis. The results further suggest that fatty liver by itself might not promote unfavourable metabolic aberrations associated with fatty liver on a population level. The newly identified loci associating with inflammatory phenotypes elucidate the genetic mechanisms contributing to the inflammatory load. In particular, the present results suggest the important role of the locus determining the ABO blood types in the regulation of the soluble adhesion molecule levels. To conclude, this thesis successfully complements the knowledge of the molecular mechanisms involved in metabolic syndrome-related traits and provides examples of how to couple omics technologies in the study of complex traits or in the evaluation of drug effects. / Tiivistelmä Metabolinen oireyhtymä on tila, jossa useiden aineenvaihdunnallisten riskitekijöiden kasautuminen suurentaa riskiä sairastua tyypin 2 diabetekseen ja sydän- ja verisuonitauteihin sekä lisää kokonaiskuolleisuutta. Vakavista liitännäissairauksista ja suuresta esiintyvyydestä johtuen metabolinen oireyhtymä kuormittaa merkittävästi sekä terveydenhuoltoa että kansantaloutta. Jotta metabolisen oireyhtymän hoitoon ja ennaltaehkäisyyn voitaisiin kehittää uusia keinoja, on tärkeää ymmärtää paremmin oireyhtymän syntyyn vaikuttavat täsmälliset molekyylimekanismit. Niin sanottujen ’omiikka-tekniikoiden’ viimeaikainen kehitys tarjoaa uusia mahdollisuuksia tutkia geenimuutosten vaikutuksia terveyteen. Uusien tekniikoiden avulla voidaan määrittää miljoonia genotyyppejä tai satoja aineenvaihdunnan merkkiaineita yhdestä verinäytteestä. Tässä väitöskirjatyössä yhdistetään genomiikan ja metabolomiikan menetelmiä metaboliseen oireyhtymään liittyvien terveysongelmien tutkimiseksi. Väitöskirjani osatöissä arvioin kahden lipidilääkkeen sekä ei-alkoholiperäisen rasvamaksan aineenvaihdunnallisia vaikutuksia sekä pyrin tunnistamaan krooniseen tulehdukseen vaikuttavia geneettisiä tekijöitä. Tulosten mukaan statiinien ja PCSK9:n (engl. proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) geneettisen eston aineenvaihduntavaikutukset ovat hyvin samankaltaiset. Kuitenkin havaitut pienet poikkeavuudet tietyissä merkkiaineissa voivat vaikuttaa eroavaisuuksiin siinä, kuinka tehokkaasti lääkeaineet alentavat sydäntautiriskiä. Suuret erot rasvamaksan riskiä lisäävien geenimuutosten vaikutuksissa aineenvaihduntaan korostavat rasvamaksaan liittyvien molekyylimekanismien monimuotoisuutta. Tulosten perusteella vaikuttaa siltä, että rasvan kertyminen maksaan ei luultavasti itsessään aiheuta suuria muutoksia verenkierron aineenvaihduntatuotteiden pitoisuuksiin. Tulehdusmerkkiaineisiin assosioituvat uudet geenialueet täydentävät tulehduksen molekyylimekanismeihin liittyvää tietoa. Tulokset korostavat ABO-veriryhmän määräävän geenin vaikutusta liukoisten adheesiomolekyylien pitoisuuksiin. Kaiken kaikkiaan väitöskirjan osatyöt tuovat uutta tietoa metaboliseen oireyhtymään liittyvien terveysongelmien molekyylimekanismeihin. Projektit havainnollistavat, miten omiikka-tekniikoita voidaan hyödyntää monitekijäisten fenotyyppien tutkimuksessa sekä lääkeaineiden aineenvaihduntavaikutusten arvioinnissa.

Abstract Type 2 diabetes is one of the fastest increasing lifestyle diseases globally. Its cure is not yet possible, but there is firm evidence from scientific studies that it can effectively be prevented by lifestyle changes. There is limited evidence-based information on the prevention of diabetes in practice. This dissertation offers new desirable information on the issue. The aim of this dissertation study was to describe the prevalence of risk factors for type 2 diabetes and hidden glucose disorders predicting the development of diabetes in the Finnish adult population, and to analyse whether the risk for developing diabetes could be reduced by simple lifestyle counselling. Furthermore, the ability of the Finnish Diabetes Risk Score (FINDRISC) to detect glucose disorders leading to diabetes and undiagnosed diabetes was analysed. In the dissertation data from large Finnish population surveys (the FINRISK 2002 glucose tolerance survey and the FIN-D2D 2004−2005 survey) were analysed. In addition, a prospective design and large-scale intervention were included. We found that obesity and glucose disorders are very common in the Finnish middle-aged population. Prevalence of obesity was 24% for men and 28% for women, that of abnormal glucose metabolism 42% for men and 33% for women, and that of undiagnosed diabetes 9% for men and 7% for men. One quarter of individuals aged 45−64 years were at high risk for diabetes. Lifestyle interventions were offered to more than 10,000 high-risk individuals, 3,379 men and 6,770 women. Of the men, 43% were also at high risk for cardiovascular morbidity and 42% at high risk for cardiovascular mortality estimated through the FRAMINGHAM and SCORE risk engines, respectively. The FINDRISC, originally developed for predicting the risk of development of type 2 diabetes, also predicted the prevalence of diabetes in the population. The effect of lifestyle interventions on weight and its association with glucose tolerance was evaluated in individuals at high risk for diabetes in a one-year follow-up. In total 17.5% of them lost ≥ 5% weight. Their relative risk for diabetes decreased 69% compared with the group that maintained their weight. This study shows that FINDRISC predicts prevalent type 2 diabetes. A significant proportion of middle-aged Finnish population has a glucose disorder including undiagnosed type 2 diabetes. Lifestyle interventions in primary health care may promote weight loss, which decreases the risk of diabetes. / Tiivistelmä Diabetes on yksi nopeimmin lisääntyvistä elintapasairauksista maailmassa. Sitä ei vielä voida parantaa, mutta tieteellisissä tutkimuksissa on kiistattomasti osoitettu, että sitä voidaan tehokkaasti ehkäistä elintapamuutoksilla. Diabeteksen ehkäisystä käytännössä on hyvin niukasti tutkimustietoa. Tämä väitöskirja tuo kaivattua lisätietoa aiheesta. Väitöstutkimuksen päätavoitteena oli selvittää diabeteksen riskitekijöiden ja piilevien diabetesta ennakoivien sokerihäiriöiden yleisyyttä suomalaisessa aikuisväestössä. Tämän ohella tavoitteena oli selvittää voidaanko yksinkertaisella elintapaneuvonnalla vähentää sellaisten henkilöiden sairastumisvaaraa, joilla oli suuri riski sairastua diabetekseen. Lisäksi arvioitiin diabetesriskitestin kykyä tunnistaa ennakoivat sokerihäiriöt ja aiemmin tunnistamaton diabetes. Tutkimuksessa käytettiin laajoja suomalaisia väestötutkimusaineistoja: FINRISKI-2002 -tutkimusta, sen alaotosta ja D2D-väestötutkimusta 2004–2005. Mukana oli myös pitkittäisasetelma ja laajamittainen interventio. Tutkimuksen perusteella huomasimme, että lihavuus ja sokerihäiriöt ovat hyvin yleisiä keski-ikäisillä suomalaisilla. Merkittävästi lihavia (BMI ≥ 30 kg/m2) oli 24 % miehistä ja 28 % naisista ja poikkeava sokeriaineenvaihdunta oli 42 %:lla miehistä ja 33 %:lla naisista. Tunnistamaton diabetes oli 9 %:lla miehistä ja 7 %:lla naisista. Suuressa diabetekseen sairastumisvaarassa oli neljäsosa 45−64-vuotiaista. Interventioon otettiin yli 10 000 suuressa diabeteksen sairastumisriskissä olevaa henkilöä, 3 379 miestä ja 6 770 naista. Miehistä 43 % oli suuressa sairastumisvaarassa myös sydän- ja verisuonisairauteen ja 42 % suuressa kuolemanvaarassa Framingham- ja SCORE-riskilaskureilla arvioituna. Tyypin 2 diabeteksen sairastumisriskin arviointiin kehitetty Riskitesti ennusti hyvin myös diabeteksen esiintymistä väestössä. Elintapainterventioiden vaikutusta painoon ja sokeriaineenvaihduntaan analysoitiin vuoden seurannassa sellaisilla henkilöillä, joilla oli suuri diabetesriski. Paino laski 5 % tai enemmän 17,5 %:lla, jolloin sairastumisriski diabetekseen väheni 69 % verrattuna ryhmään, jonka paino ei muuttunut. Tutkimuksen perusteella lihavuus, sokerihäiriöt ja tunnistamaton diabetes ovat yleisiä keski-ikäisessä väestössä. Riskitesti on hyvä työkalu myös diabeteksen seulonnassa. Perusterveydenhuollossa tarjottavalla elintapaneuvonnalla voidaan saada aikaan laihtuminen, joka vähentää sairastumisvaaraa diabetekseen.