Genetics of Cardiovascular Disease: A Candidate Gene Study of USF1

Cardiovascular diseases (CVD) are major contributors to morbidity and mortality worldwide. Several interacting environmental, biochemical, and genetic risk factors can increase disease susceptibility. While some of the genes involved in the etiology of CVD are known, many are yet to be discovered. During the last few decades, scientists have searched for these genes with genome-wide linkage and association methods, and with more targeted candidate gene studies. This thesis investigates variation within the upstream transcription factor 1 (USF1) gene locus in relation to CVD risk factors, atherosclerosis, and incidence and prevalence of CVD. This candidate gene was first identified in Finnish families ascertained for familial combined hyperlipidemia, a common dyslipidemia predisposing to coronary heart disease. The gene is a ubiquitously expressed transcription factor regulating expression of several genes from lipid and glucose metabolism, inflammation, and endothelial function. First, we examined association between USF1 variants and several CVD risk factors, such as lipid phenotypes, body composition measures, and metabolic syndrome, in two prospective population cohorts. Our data suggested that USF1 contributes to these CVD risk factors at the population level. Notably, the associations with quantitative measurements were mostly detected among study subjects with CVD or metabolic syndrome, suggesting complex interactions between USF1 effects and the pathophysiological state of an individual. Second, we investigated how variation at the USF1 locus contributes to atherosclerotic lesions of the coronary arteries and abdominal aorta. For this, we used two study samples of middle-aged men with detailed measurements of atherosclerosis obtained in autopsy. USF1 variation significantly associated with areas of several types of lesions, especially with calcification of the arteries. Next, we tested what effect the USF1 risk variants have on sudden cardiac death and incidence of CVD. The atherosclerosis-associated risk variant increased the risk of sudden cardiac death of the same study subjects. Furthermore, USF1 alleles associated with incidence of CVD in the Finnish population follow-up cohorts. These associations were especially prominent among women, suggesting a sex specific effect, which has also been detected in subsequent studies. Finally, as some of the low-yield DNA samples of the Finnish follow-up study cohort needed to be whole-genome amplified (WGA) prior to genotyping, we evaluated whether the produced WGA genotypes were of good quality. Although the samples giving genotype discrepancies could not be detected before genotyping with standard laboratory quality control methods, our results suggested that enhanced quality control at the time of the genotyping could identify such samples. In addition, combining two WGA reactions into one pooled DNA sample for genotyping markedly reduced the number of discrepancies and samples showing them. In conclusion, USF1 seems to have a role in the etiology of CVD. Additional studies are warranted to identify functional variants and to study interactions between USF1 and other genetic or environmental factors. This USF1 study, and other studies with low DNA yield of some samples, can benefit from whole genome amplification of the low-yield samples prior to genotyping. Careful quality control procedures are, however, needed in WGA genotyping.

Sydän- ja verisuonitaudeilla (SVT) on vakavia sosiaalisia ja terveydenhuollollisia vaikutuksia eri yhteiskunnissa. Yleisiä sairastumisen riskiä lisääviä tekijöitä tunnetaan useita ja ne voivat olla ympäristöllisiä, perinnöllisiä tai osittain molempia. Vaikka useita verenkiertoelinten sairauksiin vaikuttavia perinnöllisiä tekijöitä on jo tunnistettu, monia sairastumiseen vaikuttavia geenialueita on vielä tunnistamatta. Näitä alueita tutkijat ovat viime vuosikymmenten aikana etsineet koko perimän laajuisilla kytkentä- ja assosiaatioanalyyseillä, sekä tarkemmin kohdennetuilla ehdokasgeenianalyyseillä. Tässä väitöskirjatyössä analysoitiin upstream transcription factor 1 (USF1) -geeniä, tutkien sen yhteyttä SVT riskitekijöihin, ateroskleroosiin, sekä SVT:n ilmaantumiseen ja esiintymiseen. Tämä geeni tunnistettiin alun perin suomalaisissa perheissä, jotka valittiin familiaalisen kombinoidun hyperlipidemian (FKH) tutkimusta varten. USF1 säätelee rasva- ja sokeriaineenvaihduntaan, tulehdusreaktioihin ja endoteelin toimintaan liittyvien geenien ilmentymistä, mikä tekee siitä mielenkiintoisen ehdokasgeenin sydän- ja verisuonitaudeille. Tutkimme ensin miten perinnöllinen vaihtelu USF1:n alueella on yhteydessä perinteisiin SVT:n riskitekijöihin, kuten rasva-arvoihin, lihavuusmuuttujiin, sekä metaboliseen syndroomaan. Vaihtelu USF1:n alueella liittyi näihin riskitekijöihin kahdessa väestöpohjaisessa seurantaotoksessa. Lähes kaikki yhteydet havaittiin tarkastelemalla seuranta-otosten erityisryhmiä, kuten sydänsairaita, tai metabolista syndroomaa sairastavia. Tämä viittaisi monimutkaisiin yhdysvaikutuksiin USF1:n toiminnassa. Seuraavaksi tarkastelimme USF1:n vaikutusta ateroskleroosin muodostumiseen suonitasolla. Käytössämme oli kaksi äkkikuolleista miehistä koostuvaa suomalaista ruumiinavausaineistoa. Aineisto sisälsi tietoa erityyppisistä ateroskleroosimuuttujista ja havaitsimme USF1:n yhdistyvän varsinkin verisuonten kalkkeutumiseen. Tutkimme vielä USF1:n vaikutusta sydänperäisen äkkikuoleman riskiin sekä sydän- ja verisuonitaudin ilmaantumiseen. Havaitsimme ateroskleroosiin liittyvän riskialleelin kasvattavan myös sydänperäisen äkkikuoleman riskiä samassa tutkimusaineistossa. Lisäksi USF1:n eri muodot vaikuttivat SVT:n riskiin suomalaisissa seurantaotoksissa. Seurantaotoksissa riskivaikutus ilmeni pääasiassa naisilla, mikä viittasi sukupuolille ominaiseen geenivaikutukseen, jota on jälkeenpäin ehdotettu myös muissa tutkimuksissa. Testasimme myös miten koko perimän laajuinen DNA:n monistus (WGA) vaikuttaa genotyypityksen luotettavuuteen. Tarkoituksena oli tarkastella niitä suomalaisen väestöotoksemme näytteitä, joiden DNA saanto oli niin vähäistä, että niiden monistaminen ennen genotyypitystä oli tarkoituksenmukaista. Osa WGA-näytteistä antoi genotyypityksessä ristiriitaisia tuloksia, eikä näitä näytteitä voitu havaita muiden näytteiden joukosta normaaleissa näytteiden laaduntarkkailuissa ennen genotyypitystä. Genotyypitystulosten tarkasteluissa useat ristiriitaiset näytteet erottuivat kuitenkin muista hyvin. Lisäksi kahden erillisen WGA-reaktion yhdistäminen yhdeksi genotyypitettäväksi näytteeksi paransi genotyypityksen luotettavuutta huomattavasti. Tässä väitöskirjatyössä saimme siis viitteitä USF1-geenin roolista verenkiertoelinten sairauksissa. Tulevat USF1-tutkimukset sisältänevät selvitystyötä geenialueen toiminnallisista varianteista, sekä tutkivat tarkemmin geenin yhdysvaikutuksia sukupuolen, sekä muiden ympäristöllisten ja perinnöllisten tekijöiden kanssa. Tässä USF1-tutkimuksessa, kuten myös muissa vähäsaantoista DNA:ta sisältävissä tutkimuksissa, voidaan hyödyntää näytteiden koko perimän DNA:n monistusta ennen genotyypitystä. WGA-näytteiden genotyypitys vaatii kuitenkin huolellisen laaduntarkkailun, jotta genotyypitysvirheitä tuottavat näytteet tunnistetaan ennen tilastollisia analyysejä.