Associations of gene polymorphisms and nutrition with calcium homeostasis and bone mineral density : Studies on skeletal nutrigenetics

Heredity explains a major part of the variation in calcium homeostasis and bone strength, and the susceptibility to osteoporosis is polygenetically regulated. Bone phenotype results from the interplay between lifestyle and genes, and several nutritional factors modulate bone health throughout life. Thus, nutrigenetics examining the genetic variation in nutrient intake and homeostatic control is an important research area in the etiology of osteoporosis. Despite continuing progress in the search for candidate genes for osteoporosis, the results thus far have been inconclusive. The main objective of this thesis was to investigate the associations of lactase, vitamin D receptor (VDR), calcium sensing receptor (CaSR) and parathyroid hormone (PTH) gene polymorphisms and lifestyle factors and their interactions with bone health in Finns at varying stages of the skeletal life span. Markers of calcium homeostasis and bone remodelling were measured from blood and urine samples. Bone strength was measured at peripheral and central bone sites. Lifestyle factors were assessed with questionnaires and interviews. Genetic lactase non-persistence (the C/C-13910 genotype) was associated with lower consumption of milk from childhood, predisposing females in particular to inadequate calcium intake. Consumption of low-lactose milk and milk products was shown to decrease the risk for inadequate calcium intake. In young adulthood, bone loss was more common in males than in females. Males with the lactase C/C-13910 genotype may be more susceptible to bone loss than males with the other lactase genotypes, although calcium intake predicts changes in bone mass more than the lactase genotype. The BsmI and FokI polymorphisms of the VDR gene were associated with bone mass in growing adolescents, but the associations weakened with age. In young adults, the A986S polymorphism of the calcium sensing receptor gene was associated with serum ionized calcium concentrations, and the BstBI polymorphism of the parathyroid gene was related to bone strength. The FokI polymorphism and sodium intake showed an interaction effect on urinary calcium excretion. A novel gene-gene interaction between the VDR FokI and PTH BstBI gene polymorphisms was found in the regulation of PTH secretion and urinary calcium excretion. Further research should be carried out with more number of Finns at varying stages of the skeletal life span and more detailed measurements of bone strength. Research should concern mechanisms by which genetic variants affect calcium homeostasis and bone strength, and the role of diet-gene and gene-gene interactions in the pathogenesis of osteoporosis.

Perimä selittää suuren osan kalsiumin aineenvaihdunnassa ja luun vahvuudessa esiintyvästä vaihtelusta ja monet ravintotekijät vaikuttavat luuston hyvinvointiin. Ravinnon ja perimän yhteisvaikutuksia selvittävä nutrigenetiikka on uusi ja merkittävä tutkimusalue osteoporoosin etiologiassa. Nutrigenetiikan saavutusten myötä tulevaisuudessa voidaan mahdollisesti ehkäistä sairauksien puhkeaminen yksilöllisillä ravitsemussuosituksilla, mutta toistaiseksi tutkimustulokset ovat melko ristiriitaisia. Väitöskirjatyössä tutkittiin kalsiumin saantia ja aineenvaihduntaa säätelevissä perintötekijöissä esiintyvän normaalivaihtelun eli geenipolymorfioiden sekä elintapojen yhteyksiä ja yhteisvaikutuksia luuston terveyteen eri-ikäisillä suomalaisilla. Tutkittavilta mitattiin kalsiumin ja luun aineenvaihduntaa kuvaavia merkkiaineita veri- ja virtsanäytteistä sekä luun vahvuutta luuston eri osista. Luuston hyvinvointiin vaikuttavat elintavat kartoitettiin kyselylomakkeilla ja tutkimuskäyntien yhteydessä. Perinnöllinen laktoosi-intoleranssi oli yhteydessä vähäisempään maidon käyttöön lapsuudesta alkaen altistaen erityisesti naiset riittämättömälle kalsiumin saannille. Vähälaktoosisten maitojen ja maitovalmisteiden käyttö suojasi laktoosi-intolerantikkoja suosituksia niukemmalta kalsiumin saannilta. Nuorella aikuisiällä luumassan menetys oli miehillä naisia yleisempää, ja perinnöllisesti laktoosi-intolerantikot miehet saattavat olla alttiimpia luukadolle. Kalsiumin saanti selittää suomalaisväestössä luumassan muutoksia kuitenkin paremmin kuin laktaasigenotyyppi, jonka yhteys luun vahvuuteen on osoitettu muissa väestöissä. D-vitamiinireseptorin geenipolymorfioilla havaittiin yhteyksiä kasvuikäisten luumassaan, mutta iän myötä polymorfiavaihtelun ja luun vahvuuden välinen yhteys heikkeni. Nuorista aikuisista koostuvassa tutkimusaineistossa kalsiumia sitovan reseptorin geenipolymorfia oli yhteydessä verenkierron kalsiumpitoisuuteen, ja lisäkilpirauhashormonin geenipolymorfian havaittiin selittävän luun vahvuudessa esiintyvää vaihtelua. Lisäksi D-vitamiinireseptorin geenipolymorfia sääteli suolan saannin vaikutuksia kalsiumin eritykseen. D-vitamiinireseptorin ja lisäkilpirauhashormonin geenipolymorfioilla havaittiin yhteisvaikutus kalsiumin aineenvaihduntaan, mikä on aiemmin julkaisematon tutkimushavainto. Ravinnon ja geenien yhteisvaikutuksia luuston terveyteen tulisi selvittää laajemmilla eri-ikäistä suomalaisväestöä edustavilla otoksilla. Jatkotutkimuksissa luun vahvuutta tulisi mitata monipuolisemmin ja lisäksi pyrkiä selvittämään tarkemmin mekanismeja, joilla perimä säätelee kalsiumin aineenvaihduntaa ja luun vahvuutta.