TY - THES ID - 136614571 TI - Whole genome scan and candidate-gene study in human muscular performance : The Leuven Genes for Muscular Strength Study. AU - De Mars, Gunther AU - Van Leemputte, Marc. AU - Lefevre, Johan AU - Legius, Eric. AU - Vanhees, Luc AU - Aerssens, Jeroen AU - Beunen, Gaston P.. AU - Thomis, Martine AU - K.U.Leuven. Faculteit Bewegings- en Revalidatiewetenschappen. Groep Biomedische Wetenschappen PY - 2008 PB - Leuven K.U.Leuven. Faculteit Bewegings- en Revalidatiewetenschappen DB - UniCat UR - https://www.unicat.be/uniCat?func=search&query=sysid:136614571 AB - Spierfitheid is een belangrijke determinant in gezondheidsgerelateerde fitheid. Het kunnen leveren van voldoende spierkracht is gerelateerd aan het onafhankelijk uitvoeren van dagelijkse activiteiten. Indicatoren voor de functionele status van de skeletspier (maximale kracht, explosieve kracht en uithouding) zijn positief geassocieerd met gezond beenderweefsel en psychologisch welbevinden en negatief geassocieerd met vallen en breuken, ziekte en vroegtijdige sterfte.   Het belang van de genetische bijdrage - naast omgevingsfactoren zoals voeding, fysieke activiteit,... - tot de variabiliteit in verschillende spierkrachteigenschappen wordt algemeen aanvaard. In dit doctoraatsproject worden twee verschillende onderzoeksbenaderingen gebruikt om de genetische basis van spierkracht te bestuderen. De unmeasured genotype benadering quantificeert de genetische en omgevingsbijdrage tot de covariantie in verschillende spierkrachteigenschappen. Daarenboven worden twee measured genotype benaderingen toegepast: (1) een totale genoom koppelingsstrategie om chromosomale regio's voor spierkrachtkarakteristieken te lokaliseren en (2) een kandidaatgen associatie benadering om specifieke genetische varianten te bepalen die variabiliteit in spierkrachteigenschappen veroorzaken. In het eerste hoofdstuk werden de genetische en omgevingsbijdragen tot individuele verschillen in maximale isometrische, concentrische en excentrische kracht en spierdoorsnede van de elleboogflexoren onderzocht. Een generaliteit versus specificiteitshypothese werd onderzocht om te testen of deze krachtvariabelen een genetische component of gemeenschappelijke omgevingsfactoren delen, of genetische/omgevingsfactoren die eerder specifiek zijn voor iedere krachtvariabele. De elleboogflexor metingen en spieroppervlakte werden gemeten bij 25 monozygote en 16 dizygote, jonge, mannelijke blanke broerparen. De multivariate genetische analyses toonden aan dat de vier variabelen een genetische en omgevingscomponent delen. De resterende variantie kon toegeschreven worden aan contractietype- en spierdoorsnede- specifieke genetische en omgevingseffecten. Deze verkennende multivariate studie suggereert aanwezigheid van gedeelde pleiotropische actie van genen voor spierdoorsnede, excentrische, isometrische en concentrische kracht met een gematigd tot hoge genetische bijdrage tot de totale variabiliteit van deze karakteristieken. Het hoofddoel van dit doctoraatsproject wordt beschreven in hoofdstukken twee tot vier. Een totale genoom koppelingsscan werd uitgevoerd om Quantitative trait loci (QTL's) op het genoom te lokaliseren waar mogelijke kandidaatgenen voor verschillende types kniekracht gelegen zijn. 283 jonge, mannelijke informatieve broers (13 quads, 47 trio's en 45 broerparen) - behorend tot 105 families van de Leuvense Genen voor Spierkracht studie (LGfMS) - werden geselecteerd om een koppelingsscan op het totale genoom uit te voeren die gebruik maakt van 6008 Single Nucleotide Polymorphisms (SNP's) (Illumina Linkage IVb panel). Niet-parametrische koppelingsanalyses werden uitgevoerd op 22 autosomen. Gesimuleerde data voor 100 genoomscans werden gegenereerd om de significante en suggestieve koppelingsniveau's te estimeren. Hoofdstuk twee trachtte QTL's gekoppeld aan spierdoorsnede van de dij, isometrische knieflexie en -extensiekracht, en de kracht-lengterelatie voor knieflexoren en -extensoren te identificeren. In hoofdstuk drie trachtten we QTL's voor de kracht-snelheidsrelatie van de knieflexoren en -extensoren te identificeren. Hoofdstuk vier legde de nadruk op het vinden van QTL's voor spiervermoeidheid. Voor de verschillende krachtfenotypes konden verscheidene QTL's geïdentificeerd worden: regio 14q32.2 voor spierdoorsnede van de dij; 2p24.2 voor isometrische knieflexiekracht; 14q24.3 voor de kracht-lengterelatie van de knieflexoren; regio's 1q21.3, 2p23.3 en 18q11.2 voor de kracht-lengterelatie van de knie-extensoren; 2q14.3, 4p14, 15q32 en 18q23 voor de kracht-snelheidsrelatie van de knie-extensoren; 7p12.3 voor de kracht-snelheidsrelatie van de knie-flexoren; en 1q32.1 en 19q13.11 voor spiervermoeidheid van de knie-flexoren. Verscheidene overlappende of in de buurt liggende chromosomale regio's tussen verschillende fenotypes werden gedetecteerd, wat de aanwezigheid van pleiotropische actie van genen bevestigt zoals beschreven in de eerste studie (hoofdstuk 1). Verscheidene kandidaatgenen die vanuit fysiologisch oogpunt mogelijk relevant zijn, zijn gelegen binnen de gevonden regio's en maken fijnmapping analyses door additionele koppelings- en/of associatiestudies wenselijk. Hoewel de grootste families uit het LGfMS project geselecteerd werden, beperkt de relatief kleine proefgroep de mogelijkheid om chromosomale regio's met kleine genetische effecten op de fenotypische variabiliteit te detecteren. Bijgevolg dienen fijnmapping en replicatie studies van de geïdentificeerde chromosomale regio's rekening te houden met informatieve proefgroepen die voldoende groot zijn, en dienen ook beide geslachten en verschillende leeftijdscohorten onderzocht te worden. De chromosomale regio's die geïdentificeerd werden binnen deze gezonde populatie kunnen nuttig zijn buiten het domein van musculaire fitheid en richtinggevend zijn in onderzoek naar spierziekten. De ontdekking van factoren binnen het genoom (DNA sequentie varianten) die individuele variatie in verschillende krachtfenotypes veroorzaken, kan verschillende fysiologische reactiewegen verklaren die aan de basis liggen van deze krachtverschillen. Meer onderzoek is nodig om de grote set van genetische varianten die bijdragen tot variatie in spierkrachtkarakteristieken te ontdekken. Verscheidene studies hebben significante allelische of genetische associaties met spierkracht fenotypes in verscheidene kandidaatgenen gerapporteerd. De meeste bevindingen zijn gebaseerd op kleine tot middelmatige proefgroepen en beperkt tot eenmalige rapporten. Bevestiging van de belangrijkheid van een 'risico' of gunstig allel in krachtprestatie maakt replicatie in onafhankelijke proefgroepen noodzakelijk. Het hoofddoel van hoofdstuk vijf is de validatie van vorige associatie bevindingen met betrekking tot spierkracht voor polymorfismen in de CNTF en CNTFR genen. Kniekracht karakteristieken werden geanalyseerd met AN(C)OVA in een proefgroep van mannen en vrouwen op middelbare leeftijd (38-49jr) en binnen senioren (60-80jr). We kunnen besluiten dat resultaten van de huidige studie en andere studies voor CNTF/CNTFR moeilijk te vergelijken zijn wegens gebruik van verschillende etnische groepen en leeftijdscategorieën. De resultaten voor knieflexie metingen bij mannelijke senioren zijn het meest consistent: dragers van het T allel binnen het CNTFR C-1703T polymorphisme presteren beter op alle krachtmetingen dan C/C homozygoten. Vrouwelijke (38-49jr) dragers van het A allel binnen het CNTFR T1069A polymorfisme leveren minder concentrische en isometrische kracht dan T/T homozygoten. Allel-allel interacties tussen het CNTF polymorfisme en de drie CNTFR polymorfismen waren afwezig in alle studiecohorten. Dit doctoraatsproject rapporteert de eerste koppelingsresultaten van een totale genoomscan voor verschillende spierkracht fenotypes. We identificeerden zowel pleiotropische als specifieke QTL's voor maximale isometrische kracht, de kracht-lengte, kracht-snelheid en spiervermoeidheid fenotypes. Deze QTL's vereisen verdere fijnmapping binnen volgende genoomregio's: 1q21.3, 1q32, 2p23.3, 2p24.2, 2q14.3, 4p14, 7p12.3, 14q32.2, 15q23, 18p11.31, 18q11.2, 18q23 en 19q12q13. Muscular fitness is an important determinant in health-related fitness. Adequate muscle strength is associated with performing activities of daily living independently. Furthermore, indicators of functional status of skeletal muscle (strength, power and endurance) are positively associated with bone health and psychological well-being, while negatively associated with falls and fractures, morbidity and premature mortality. The importance of the genetic contribution - besides environmental factors like nutrition, physical activity,...- to the variability in different muscle strength characteristics has been widely accepted. In this thesis, two different research approaches are used to investigate the genetic basis of muscular strength. The unmeasured genotype approach quantifies the genetic and environmental contribution to the covariance in different muscle strength characteristics. Furthermore, two measured genotype approaches are applied: (1) a whole-genome linkage strategy to localize chromosomal regions for muscle strength characteristics and (2) a candidate gene association strategy to determine if specific gene variants cause variability in muscular strength traits. In the first chapter, the genetic and environmental contributions to individual differences in maximal isometric, concentric and eccentric muscle strength and muscle cross-sectional area (MCSA) of the elbow flexors were examined. A generality versus specificity hypothesis was explored to test whether these strength variables share a genetic component or common factors in the environment or whether the genetic/environmental factors are specific for each strength variable. The elbow flexor measures and muscle area under study were measured in 25 monozygotic and 16 dizygotic, young, male Caucasian twin pairs. The multivariate genetic analyses showed that all four variables shared a genetic and environmental component. The remaining variation was accounted for by contraction-type specific and muscle cross-sectional area specific genetic and environmental effects. This exploratory multivariate study suggests shared pleiotropic gene action for MCSA, eccentric, isometric and concentric strength, with a moderate to high genetic contribution to the total variability of these characteristics.   The primary focus of this thesis is described in chapters two to four. A genome-wide linkage scan was performed to localize Quantitative Trait Loci (QTL's) on the genome where possible candidate genes are harboured for different types of human knee muscle strength. A selection of 283 young, male informative siblings (13 quads, 47 trios and 45 pairs), belonging to 105 families from the Leuven Genes for Muscular Strength Study (LGfMS), was used to conduct a genome-wide linkage scan using 6008 Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) (Illumina Linkage IVb panel). Nonparametric linkage analyses were performed on 22 autosomes. Simulated data for 100 genome scans were generated to estimate the significant and suggestive threshold for linkage. Chapter two aimed to identify QTL's linked to muscle and bone cross-sectional area (MBA) of the mid thigh, isometric knee flexion and extension torque, and the torque-length relationship for knee flexors and extensors. Chapter three aimed to identify QTL's for the torque-velocity relationship of the knee flexors and extensors. Chapter four finally focused on the localization of QTL's for resistance to muscle fatigue. Several QTL's could be identified for the different strength phenotypes: region 14q32.2 for MBA mid-thigh; 2p24.2 for isometric knee flexion; 14q24.3 for torque-length relationship of the knee flexors; regions 1q21.3, 2p23.3 and 18q11.2 for torque-length relationship of the knee extensors; 2q14.3, 4p14, 15q32 and 18q23 for torque-velocity relationship of the knee extensors; 7p12.3 for the torque-velocity relationship of the knee flexors; and 1q32.1 and 19q13.11 for resistance to fatigue of the knee flexors. Several overlapping or neighbouring chromosomal regions between the different phenotypes could be detected, which confirms the presence of pleiotropic action of genes as described in the first study (Chapter 1). Several candidate genes that might be relevant from a physiological point of view are located within the identified regions, and warrant further fine mapping analyses by additional linkage and/or association studies. Although we selected the largest families from the LGfMS project, the relatively small sample size limits the possibility to detect chromosomal regions with small genetic effects on phenotypic variability. Fine mapping and replication studies of the currently identified chromosomal regions should therefore focus on highly informative samples (e.g., large families) of sufficiently large size, and preferably extend to females and other age groups. The chromosomal regions identified within this healthy population might have implications beyond the field of muscular fitness and be directive in muscular disease research. The discovery of genomic factors (e.g., DNA sequence variants) causing individual variation in the different strength phenotypes can elucidate physiological pathways involved in these traits. Major efforts are still needed to discover the probably large set of gene variants that contribute to muscle strength characteristics. Several studies have reported significant allelic or genotypic associations with muscle strength phenotypes in various candidate genes. Most of these findings are based on small to moderate sized samples, and limited to unique reports. Confirmation of the importance of risk/improving alleles in strength performance needs therefore independent replication. The main goal of chapter five was to validate previous association findings for muscle strength for polymorphisms in the ciliary neurotrophic factor (CNTF) and its receptor (CNTFR) genes. Knee strength characteristics were analyzed using analysis of (co)variance in middle-aged (38-49yr) and senior (60-80yr) men and women. We can conclude that results of the present study and other studies for CNTF and CNTFR are difficult to compare because of different age groups and ethnicities studied. Results are most consistent for the knee flexion measures as older male T carriers of the CNTFR C-1703T polymorphism perform better on all strength measurements than C/C homozygotes. Furthermore, middle-aged female A carriers of the CNTFR T1069A polymorphism exhibit lower concentric and isometric strength compared to T/T homozygotes. No allele × allele interactions were found between the CNTF polymorphism and the three CNTFR SNPs in any of the study cohorts on any of the strength measurements.   In summary, this thesis reports on the first whole-genome linkage scan for different muscular strength phenotypes and identified both pleiotropic and specific QTLs for maximal isometric strength, force-length, torque-velocity and resistance to fatigue phenotypes. These QTLs need further fine-mapping: 1q21.3, 1q32, 2p23.3, 2p24.2, 2q14.3, 4p14, 7p12.3, 14q32.2, 15q23, 18p11.31, 18q11.2, 18q23 and 19q12q13. Despite increased power in association studies for CNTF and CNTFR polymorphism associations, not all previously reported associations could be confirmed. Spierfitheid is een belangrijke determinant in gezondheidsgerelateerde fitheid. Het kunnen leveren van voldoende spierkracht is gerelateerd aan het onafhankelijk uitvoeren van dagelijkse activiteiten. Indicatoren voor de functionele status van de skeletspier (kracht, explosieve kracht en krachtuithouding) zijn positief geassocieerd met gezond beenderweefsel en psychologisch welbevinden en negatief geassocieerd met vallen en breuken, ziekte en vroegtijdige sterfte. Het belang van de genetische bijdrage - naast omgevingsfactoren zoals voeding, fysieke activiteit,... - in het verklaren van krachtverschillen tussen individuen wordt algemeen aanvaard. Het doel van het 'Leuvense Genen voor Spierkracht' project was een groter inzicht te krijgen in deze genetische factoren. Hoewel in de literatuur een aantal associaties tussen genvarianten en spierkracht beschreven werden, dienen nog vele andere genen die bijdragen tot spierkrachtverschillen gedetecteerd te worden. Het hoofddoel van deze thesis was het ontdekken van nieuwe regio's op het genoom waarbinnen kandidaatgenen voor verschillende types spierkracht (maximaal statische kracht, kracht-lengte en kracht-snelheidsrelatie, en spiervermoeidheid) en spiermassa gelokaliseerd zijn. Daarenboven werd getest of een aantal genvarianten in verschillende genen (CNTF en CNTFR) geassocieerd zijn met spierkracht en spiermassa. De resultaten van deze thesis tonen aan dat een aantal interessante nieuwe gebieden op het menselijk genoom gelinkt zijn aan spierkracht. Verder onderzoek binnen deze regio's is nodig om de genvarianten binnen genen die verschillen in spierkracht bepalen te detecteren. Daarenboven werd aangetoond dat genvarianten binnen CNTFR mogelijk geassocieerd zijn met spierkracht. Voor CNTF was weinig evidentie voor associatie met spierkracht aanwezig. De ontdekking van factoren binnen het genoom (DNA sequentie varianten) die individuele ER -