Genes and lifestyle interactions on bone metabolism indices

Abstract

Vitamin D deficiency and quantitative ultrasound (QUS) parameters are among the most important clinical risk factors of bone fragility. Recent data indicate that prevalence of vitamin D deficiency may be common in countries previously considered as low risk (e.g., Mediterranean countries). Few data are available for Greek population. The genetic contribution to osteoporosis is well determined. Genome Wide association Study (GWAS) identified new locus were associated with bone health phenotypes.Aims and Objectives: The objectives of the current PhD thesis were a) to evaluate the prevalance of vitamin D deficiency in greek population, b) To evaluate quantitative ultrasound (QUS) parameters’ values, c) to identify the effect of lifestyle factors on vitamin D status and QUS values, d) to identify dietary patterns of greek population and how they are associated with vitamin D status and quantitative ultrasound parameters and finally e) to evaluate the effect of the eight polymorphisms, were identified from a recent GWAS, associated with QUS indices, on the above phenotypes. The polymorphisms are the rs11520772 of the TAX1BP1 gene, the rs2908007 of the WNT16 gene, the rs2982552 of ESR1 gene, rs3000634 of USPL1 gene, the rs3020331 of ESR1 gene, the rs597319 of TMEM135 gene, rs7741021 of RSPO3 gene and the rs9292469 of NPR3 gene.Methods: OSTEOS is an observational cross-sectional study. The subject’s recruitment conducted from June 2010 to July 2012. 970 adults were recruited throughout Greece and they completed the appropriate questionnaire. Serum 25(OH)D measured by enzyme immunoassay; QUS parameters, broadband ultrasound attenuation (BUA), speed of sound (SOS) and stiffness index (SI), were assessed with an Achilles device. A validated Food Frequency Questionnaire (FFQ) was used for assessment of population’s dietary habits. For the DNA extraction the DNA iPrepTM device and the iPrepTMPureLinkTMgDNA Blood Kit was used, while the genotyping was performed by Real Time-Polymarase Chain Reaction (RT-PCR). For statistical analysis, IBM SPSS Statistics 21.0, was used. Univariate Analysis of Variance was used for the assessment of serum 25(OH)D determinants. Principal Component Analysis (PCA) was carried out for dietary patterns determination.Results: Mean serum 25(OH)D of the total population was 20,00 ± 8,00 ng/mL while six dietary patterns explained 52.2% of variability of the population nutritional habits. Individuals with 25(OH)D ≥ 20 ng/mL had higher SOS than those with 25(OH)D < 20 ng/mL. The determinants of serum 25(OH)D were Body Mass Index (BMI), elderly (>65 years), summer sun exposure, organized physical activity and adherence to ‘sweet’ pattern. Additionaly, a ‘healthy’ pattern protected Vitamin D levels in winter months. The Determinants of QUS parameters were age, BMI, hours of sedentary activities, organized physical activity participation and adherence to ‘healthy’ pattern. Our participation from the GEFOS/GENOMOS consortium revealed that, in combined random effects, meta-analysis of the discovery and replication cohorts, nine single nucleotide polymorphisms (SNPs) had genome-wide significant (P < 5 × 10-8) associations with heel bone properties. Alongside SNPs within or near previously identified osteoporosis susceptibility genes including ESR1 (6q25.1: rs4869739, rs3020331, rs2982552), SPTBN1 (2p16.2: rs11898505), RSPO3 (6q22.33: rs7741021), WNT16 (7q31.31: rs2908007), DKK1 (10q21.1: rs7902708) and GPATCH1 (19q13.11: rs10416265), we identified a new locus on chromosome 11q14.2 (rs597319 close to TMEM135, a gene recently linked to osteoblastogenesis and longevity) significantly associated with both BUA and SOS (P < 8.23 × 10-14). In our cohort ‘AA’ genotype of rs11520772 polymorphism on TAX1BP1 gene have higher SOS values comparing with (T) homozygotes for the minor allele, taking into account lifestyle and biochemical parameters. AA homozygotes of rs597319 close to TMEM135 gene have higher SI values comparing with (G) homozygotes. Conclusion: This study reports that vitamin D deficiency is highly prevalent among OSTEOS participants. The dietary patterns revealed by PCA were related for the first time with QUS parameters. The effect of a novel polymorphism close to the TAX1BP1 gene on the above phenotypes also investigated. The effect of the rs597319 polymorphism on a new locus on the TMEM135 gene is also identified for the participants of the current study. More studies are needed for the investigation of the mechanism of action of this novel genetic variant on bone health parameters. The study demonstrates the multifactorial causation of 25(OH)D levels and QUS parameters and points out that further research is required to determine more genetic, environment and biochemical factors related to vitamin D status and bone health.

Η έλλειψη βιταμίνης D καθώς και οι παράμετροι της οστικής υπερηχοτομογραφίας (QUS), αποτελούν τους πιο σημαντικούς κλινικούς παράγοντες κινδύνου ευθραυστότητας των οστών. Πρόσφατα στοιχεία υποδεικνύουν ότι ο επιπολασμός της έλλειψης βιταμίνης D μπορεί να είναι κοινός σε χώρες που θεωρούνταν ως χαμηλού κινδύνου (π.χ. Μεσογειακές χώρες). Η γενετική συμβολή στην οστεοπόρωση είναι καλά προσδιορισμένη. Πρόσφατες μελέτες σάρωσης του γονιδιώματος (GWAS) αναγνώρισαν νέους γενετικούς τόπους που σχετίζονται με τους φαινοτύπους της σκελετικής υγείας.Σκοποί: Οι στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι α) να αξιολογήσει την έλλειψη βιταμίνης D στον ελληνικό πληθυσμό, β) να αξιολογήσει τις τιμές των παραμέτρων QUS, γ) να προσδιορίσει την επίδραση των παραγόντων του τρόπου ζωής στα επίπεδα της βιταμίνης D και τις τιμές QUS, δ) να ταυτοποιήσει διατροφικά μοντέλα στον ελληνικό πληθυσμό και πως αυτά σχετίζονται με τα επίπεδα βιταμίνης D και τις παραμέτρους QUS και τέλος ε) η αξιολόγηση της επίδρασης μίας σειράς γενετικών δεικτών στους παραπάνω φαινοτύπους.Μέθοδοι: Η διατριβή έγινε στα πλαίσια της συγχρονικής μελέτης παρατήρησης OSTEOS. Η στρατολόγηση του πληθυσμού διεξήχθη από τον Ιούνιο του 2010 έως τον Ιούλιο του 2012. Στη μελέτη πήραν μέρος 970 ενήλικες από διάφορες περιοχές της Ελλάδας και συμπλήρωσαν το κατάλληλο ερωτηματολόγιο. Μετρήθηκε η 25(ΟΗ)D στον ορό με μέτρηση ενζυμικού ανοσοπροσδιορισμού (ELISA). Οι παράμετροι QUS, η εξασθένηση υπερήχων ευρείας ζώνης (BUA), η ταχύτητα του ήχου (SOS) και ο δείκτης ακαμψίας (SI) αξιολογήθηκαν με συσκευή “Achilles”. Ένα έγκυρο Ερωτηματολόγιο Συχνότητας Κατανάλωσης Τροφίμων (FFQ) χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση των διατροφικών συνηθειών του πληθυσμού. Για την εκχύλιση DNA, χρησιμοποιήθηκαν η συσκευή DNA iPrepTM και το κιτ αίματος iPrepTMPureLinkTMgDNA και η γονοτύπιση πραγματοποιήθηκε με την αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης πραγματικού χρόνου (RT-PCR). Για στατιστική ανάλυση χρησιμοποιήθηκε το IBM SPSS Statistics 21.0. Χρησιμοποιήθηκε ανάλυση της διακύμανσης για την εκτίμηση των παραγόντων που καθορίζουν την 25(OH)D ορού. Η ανάλυση κύριων συνιστωσών (PCA) διεξήχθη για τον προσδιορισμό των διατροφικών μοντέλων.Αποτελέσματα: Ο Μέσος όρος των επιπέδων της 25(OH)D ορού του συνολικού πληθυσμού ήταν 20,00± 8,00 ng/mL. Η PCA ανάλυση ανέδειξε έξι διατροφικά μοντέλα να εξηγούν το 52,2 % της μεταβλητότητας των διατροφικών συνηθειών των συμμετεχόντων. Τα άτομα με 25(OH)D ≥ 20 ng/mL είχαν υψηλότερες τιμές SOS σε σχέση με αυτούς που είχαν 25(OH)D < 20 ng/mL. Ταυτοποιήθηκαν οι παράγοντες που καθόριζαν τα επίπεδα της 25(OH)D και βρέθηκαν να είναι ο Δείκτης Μάζας Σώματος (ΔΜΣ), η γήρανση (>65 ετών), η έκθεση στον ήλιο το καλοκαίρι, η οργανωμένη φυσική δραστηριότητα και η συμμόρφωση με το «γλυκό» διατροφικό μοντέλο. Επιπρόσθετα το «υγιεινό» διατροφικό μοντέλο προστάτευε τα επίπεδα 25(OH)D κατά τους χειμερινούς μήνες. Οι παράγοντες που καθορίζουν τις παραμέτρους QUS βρεθήκαν να είναι η ηλικία, ο ΔΜΣ, οι ώρες καθιστικών δραστηριοτήτων, η οργανωμένη φυσική δραστηριότητα και η συμμόρφωση με το «υγιεινό» διατροφικό μοντέλο. Από τη συμμετοχή τη μελέτης OSTEOS στην σύμπραξη GEFOS-GENOMOS αποκαλύφθηκαν, στις συνδυαστικές τυχαίες επιδράσεις, και τη μετα-ανάλυση των πληθυσμιακών μελετών, εννέα μονο-νουκλεοτιδικοί πολυμορφισμοί (SNPs) να ξεπερνάνε το κατώφλι στατιστικής σημαντικότητας (P < 5 × 10-8) σε συσχέτιση με τους δείκτες ποσοτικής υπερηχοτομογραφίας στην πτέρνα. Παράλληλα με τους πολυμορφισμούς στα γονίδια που έχουν ήδη συσχετιστεί με την οστεοπόρωση, ESR1 (6q25.1: rs4869739, rs3020331, rs2982552), SPTBN1 (2p16.2: rs11898505), RSPO3 (6q22.33: rs7741021), WNT16 (7q31.31: rs2908007), DKK1 (10q21.1: rs7902708) και GPATCH1 (19q13.11: rs10416265), βρέθηκε και ένας καινούργιος πολυμορφισμός (rs597319) στο γονίδιο TMEM135, που πρόσφατα συνδέθηκε με την οστεοβλαστογένεση και την μακροβιότητα, να σχετίζεται σημαντικά με τις τιμές BUA και SOS. (P < 8.23 × 10-14). Στην μελέτη μας οι ομοζυγώτες για το Α αλληλόμορφο για τον πολυμορφισμό rs11520772 έχουν υψηλότερες τιμές SOS, σε σχέση με τους ομοζυγώτες στο ελλάσων αλληλόμορφο (Τ), λαμβάνοντας υπ’όψιν παράγοντες του τρόπου ζωής και βιοχημικές παραμέτρους. Οι ομοζυγώτες για το συχνό αλληλόμορφο (Α) για τον πολυμορφισμό rs597319 έχουν υψηλότερες τιμές SI συγκρινόμενοι με τους ομοζυγώτες για το σπάνιο αλληλόμορφο (G).Συζήτηση: Η μελέτη αυτή αναφέρει ότι η έλλειψη της βιταμίνης D είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη στους υγιείς Έλληνες, άνδρες και γυναίκες. Αναλύονται επίσης τα διατροφικά μοντέλα του ελληνικού υγιούς πληθυσμού, καθώς και την επίδρασή τους στην συγκένρωση 25(OH)D ορού . Η συσχέτιση των διατροφικών μοντέλων με τις παραμέτρους QUS δεν έχει ερευνηθεί ποτέ πριν. Ερευνήθηκε επίσης η επίδραση ενός νέου πολυμορφισμού κοντά στο γονίδιο ΤΑΧ1ΒΡ1. Τέλος εκτιμήθηκε η επίδραση που έχει ο πολυμορφισμός rs597319 ο οποίος βρίσκεται σε ένα νέο γενετικό τόπο κοντά στο γονίδιο TMEM135 στους συμμετέχοντες της μελέτης OSTEOS. Απαιτούνται περισσότερες μελέτες για τη διερεύνηση του μηχανισμού δράσης αυτών των πολυμορφισμών στις παραμέτρους της σκελετικής υγείας. Η μελέτη καταδεικνύει την πολυπαραγοντική αιτιότητα των επιπέδων της 25(OH)D και των παραμέτρων QUS και επισημαίνει ότι απαιτείται περαιτέρω έρευνα για τον προσδιορισμό περισσότερων παραγόντων που σχετίζονται με την κατάσταση της βιταμίνης D και την υγεία των οστών.