Suomalaisuuden alkuperä, mitä geenit kertovat?

Transkriptio

1 Suomalaisuuden alkuperä, mitä geenit kertovat? Ikääntyvien yliopisto Jyväskylän yliopiston päärakennus, Professori Päivi Onkamo Turun yliopisto

2 Geenit ja genomi Autosomien DNA periytyy sekä äidin että isän puolelta MtDNA periytyy aina äidiltä Ihmisen genomi Geenit: DNA:han koodatut rakennusohjeemme. Sijaitsevat genomissa. Genomi: 22 autosomiparia sekä X jay -kromosomit + mitokondrion genomi (mtdna) Y-kromosomi periytyy aina isältä

3 Salmela 2012 Periytyminen suvuissa Y-kromosomi Isälinjat <2% genomista autosomit (22 paria) Molemmilta vanhemmilta, 50:50 98% genomista mitokondrio-dna Äitilinjat % genomista

4 Geneettinen vaihtelu Genomissa esiintyy vaihtelua yksilöstä toiseen: Vanhoja sekä uusia mutaatioita Tutkimalla tätä vaihtelua saadaan selville yksilöiden ja väestöjen välisiä eroja

5 Pieni annos tutkimushistoriaa Geenien ja biologian perusteella suomalaisten on toisinaan kerrottu olevan kovinkin eurooppalaisia muistuttavan vaikkapa hollantilaisia ja joskus on puhuttu vaikkapa mongolivaikutteista? Miksi eriäviä tuloksia? 1900-luvun alussa väestön alkuperää tutkittiin mm. kallonmittauksin 1950-luvulla mm veriryhmistä 1990-luvulta lähtien geneettisten äiti- ja isälinjojen perusteella käytännössä siis vain kaksi markkeria 2008-> koko genomin vaihtelun perusteella Kuinka paljon vaihtelevia kohtia tutkittu = kuinka paljon informaatiota? Vertailukohta vaikuttaa: vain muutama väestö johon verrattu? Naapureita vai kauempia? Kielisukulaisia? Poliittiset tarkoitusperätkään eivät liene aina olleet aivan vieraita

6 Mitä nykyisin tiedetään? Suomalainen tautiperintö: noin 40 lähinnä Suomessa esiintyvää perinnöllistä sairautta. Edelleenkin kertoo melko pienestä väestöpohjasta. Isälinjat: n. 50% miehistä kantaa alun perin Aasiassa syntynyttä N1c1- linjaa. Itä-Suomessa yleisempi kuin lännessä. Lopuista suurin osa I1, joka on vanha paleoeurooppalainen isälinja. Harvinaisempina muita eurooppalaisia linjoja Osasto / Henkilön nimi / Esityksen nimi

7 Äitilinjat Kokonaisuutena katsoen varsin eurooppalaisia (H, U, V, J, T, K, W) Harvinaisina muutama aasialainen linja (Z, D) Kuitenkin täydellisiä mtdna-sekvenssejä vertaamalla havaitsimme, että jopa n 33% äitilinjoistamme on itse asiassa lähinnä suomalaisille ominaisia. Näin esim. U5b1b2, esiintyy lähes pelkästään Suomessa, ikää n 6000 vuotta Översti et al

8 Genominlaajuinen populaatiogenetiikka Nykyisin tutkitaan läpi koko genomin, esim tai 1,2 milj. markkeria jokaisesta tutkittavasta yksilöstä yksilöä per populaatio, useita populaatioita Genotyyppiaineiston vaihtelu tiivistetään tunnuslukuihin ja -kuvaajiin, kuten pääkomponenttianalyysikuviin. Tilastollisia testejä Osasto / Henkilön nimi / Esityksen nimi

9 Euroopan väestöt PCA-kuvassa Nelis et al (Tässä kuvassa markkeria/henkilö)

10 Pohjoinen Itä-Eurooppa Khrunin AV, Khokhrin DV, Filippova IN, Esko T, Nelis M, et al. (2013) A Genome-Wide Analysis of Populations from European Russia Reveals a New Pole of Genetic Diversity in Northern Europe. PLoS ONE 8(3): e58552.

11 Pohjoinen Itä-Eurooppa Suomi Eesti Vepsä Venäjä Komi SNPiä Khrunin ym. PLoS ONE 2013

12 Länsi- ja Itä-Suomi Kerminen, 2015 Hannelius et al., BMC Genetics, 2008 Kerminen, 2015

13 Mikko Väyrynen, Tiede-lehti

14 Tunnettuja itä-länsijakoja Suomen sisällä 1 Vasara-kirves (nuorakeraamisen) kulttuurin raja ( BC) 2 Ruotsin ja Venäjän (Novgorod) raja Useita folkloristisia rajalinjoja 4 Anthropologinen raja 5 Itä- ja länsimurteiden raja Norio 2003

15 Suomi lähikuvassa Kokeile K:n eri arvoja! Joku Kermisen kartta tähän Kerminen ym. 2017

16 Muinais-DNA? Eristetään luista; erityisen hyviä muinais-dna:n lähteitä pars petrosa ja hampaat Ikkuna suoraan muinaisuuteen! Tarkasti ajoitettavissa radiohiilellä Ongelmia: DNA:n hajoaminen kontaminaatio Pienet otoskoot

17 Muinais-DNA: käsittelyvaiheet Näytteiden poraus (50 mg luuta riittää) DNA:n eristys DNA-kirjaston valmistaminen Datantuotanto Shotgun -sekvensointi -> skriinaus Rikastaminen Next generation sequencing Bioinformaattiset analyysit 17 Kerttu Majander

18 Muinais-DNA-sekvensointi: vaiheet 1. shotgun-sekvensointi Sekvensoidaan sattumanvaraisesti kaikkea näytteessä olevaa DNA:ta Saadaan arvio endogeenisen eli ko. yksilön DNA:n osuudesta näytteessä Arvio mtdna vs. muu genominen DNA (mtdna-haploryhmä koostettavissa jollain resoluutiolla jo tästä vaiheesta) Geneettinen sukupuoli Kuinka paljon oikeasti vanhaa DNA:ta kuinka paljon kontaminaatiota mitä näytteitä kannattaa lähteä sekvensoimaan syvemmin? Screening for bacteria: - Are any reads assigned to pathogen reference genomes?

19 Muinais-DNA-sekvensointi: vaiheet 2. mtdna-capture Rikastetaan näytteessä olevaa mitokondriaalista DNA:ta saadaan koottua koko sekvenssi (mtdna-spesifeillä pipelineillä) fylogenetiikka jne 3. SNP-capture Rikastetaan DNA:ta 1,2 miljoonasta kohdasta perimää Saadaan perimänlaajuinen yleiskäsitys yksilöiden alkuperästä, sukulaisuuksista, Y-kromosomi-haploryhmä 19 Kerttu Majander

20 Mitä muinais-dna:lla on saatu selville? Katsaus julkaistuihin tieteellisiin papereihin: Eurooppa yleensä Baltia Ruotsi (kivikausi) ja Sigtuna (viikinkiaika) Uutta tulossa: BioRxiv-paperimme

21 Populaatiomuutokset Euroopassa W Haak et al. Nature 522: (2015)

22 Baltian maat 3 julkaisua Map from Mittnik et al. BioRxiv 2017

23 Baltian maat Kivikauden ihmiset (Kundan ja Narvan kulttuurit) samantyyppisiä kuin läntisen Euroopan metsästäjä-keräilijät Tyypillisimmät äitilinjat: U Isälinjat: I2a (n = 2; Mittnik), R1b (n = 2; Jones) Siniset silmät ja tummat hiukset. Iho tummahko, joillakin myös vaalean ihon alleeleja Laktoosi-intolerantteja Julkaisut: Jones et al. Current Biology 27: The Neolithic Transition in the Baltic Was Not Driven by Admixture with Early European Farmers (8 indiv) Saag et al. Current Biology 27: Extensive Farming in Estonia Started through a Sex-Biased Migration from the Steppe (10 indiv) Mittnik et al. Nat Comm 8:442. The Genetic History of Northern Europe (24 indiv)

24 Baltian maat Kampakeraamisen kulttuurin myötä (n 6000 v sitten) lisää itäistä metsästäjä-keräilijä-perimää Maanviljelyn alkaessa (nuorakeramiikan saapumisen myötä, n 4900 v sitten) arojen väestön (Yamnaya) perimä saapuu Baltiaan (Saag et al); Nuorakeramiikka levisi myös Suomeen lähes samaan aikaan. Samanlainen väestöefekti? valitettavasti ei näytteitä Mielenkiintoisesti, varhaisten maanviljelijöiden tyyppinen perimä tulee vahvemmin naisten puolelta (X-kromosomi)

25 Baltian maat Pronssikausi: maanviljelijätyyppinen perimä vahvistuu Latvia (n = 8) ja Lithuania (n = 1) Äitilinjat: H yleistyy voimakkaasti Isälinjat: pelkästään R1a! Laktoositoleranssin alleeli ilmestyy pronssikaudella Rautakausi: sysäys idästä. Nykybaltit eivät ole pronssikauden väestön suoria jälkeläisiä, vaan mm eestiläisiin on tullut rautakaudella siperialaista perimää (Mittnik) samaan aikaan kun itämerensuomalaisen kielen arvioidaan ilmestyvän. Sama ilmiö Suomessa?

26 Skandinavia Kivikausi Gunther et al. Plos Biology 16: e , henkilöä v sitten Itä-länsi-suuntainen geneettinen gradientti nurinperin! A. Model-based estimates of genetic ancestry for each SHG individual.

27 Migraation suunnat? Aineisto viittaa siihen, että on kaksi erillistä jääkauden jälkeistä tulosuuntaa. Ensimmäinen etelästä, ja myöhemmin koillisesta Jäämeren rannikkoa myötäillen. Liittyy myös uuteen kivitekniikkaan, joka tulee idästä (Rankama et al) Günther T, Malmström H, Svensson EM, Omrak A, Sánchez-Quinto F, et al. (2018) PLOS Biology 16(1): e

28 Sopeutuminen pohjoisiin elinympäristöihin? Kylmyys ja valon vähyys talvella -> luonnonvalinnan paineita muinaisiin ihmisiin? Vaalean ihonvärin geenimuotoja Ruotsissa jo 7700 v sitten Geenimuoto (lokus TMEM131), joka liittyy fyysiseen suorituskykyyn ja mahdollisesti myös kylmään sopeutumiseen löytyy jo kivikaudelta aina meihin nykyihmisiin saakka, vars. nykyisissä suomalaisissa Muitakin geenejä, jotka liittyvät metaboliaan, kardiovaskulaarisiin sekä kehitys- ja psykologisiin ominaisuuksiin, jotka liittynevät kylmään sopeutumiseen Günther T, Malmström H, Svensson EM, Omrak A, Sánchez-Quinto F, et al. (2018) PLOS Biology 16(1): e

29 Skandinavia Rautakausi Viikinkiajan Sigtuna AD 23 henkilöä, enemmän geneettistä vaihtelua kuin nykypäivänä. Useat ei-skandinaavit muistuttavat nyky-liettualaisia Strontium-data osoittaa että sekä paikallisia että eipaikallisia, niin naisissa kuin miehissäkin -> muuttoliike ollut tärkeä varhaisessa kaupungistumisessa Krzevinska et al. 2018: Genomic and Strontium Isotope Variation Reveal Immigration Patterns in a Viking Age Town. Current Biology 28,

30 Skandinavia Rautakausi Krzevinska et al PCA Sigtunan yksilöistä (+13 rautakautista eurooppalaista muualta Harmaat pisteet sekä väestöjen nimet viittaavat nykyisiin populaatioihin.tähti * tarkoittaa Sigtunan väestöstä geneettisesti erottuvaa yksilöä

31 SUGRIGE-projekti: Suomalais-ugrilainen muinaisgenomi > Tavoite: sekvensoida muinaisia genomeja suomalaisugrilaisten kielten puhuja-alueilta Populaatiogeneettinen rakenne eri aikoina ja alueilla? Liittyvätkö rakenteen muutokset kieliin, arkeologisiin kulttuureihin vai lähinnä maantieteeseen? Mistä nykyiset ja muinaiset sugri-genomit on keitetty kokoon: kuinka paljon Jääkautista Pohjois-Eurasiaa Muinais-eurooppalaista metsästäjä-keräilijää Euroopan ensimmäisten maanviljelijöiden perimää Arolta saapuneiden indoeurooppalaisten perimää?

32 SUGRIGE Suomen näytteet Mistä aineksista nykysuomalaiset on sekoitettu? Suomesta ei juuri löydy 2000 vuotta vanhempia luita Fokus Suomi AD 1000 Näytteet toistaiseksi enimmäkseen Etelä-Suomesta (kartta alla) Ancient Fennoscandian genomes reveal origin and spread of Siberian ancestry in Europe, BioRxiv >100 kokonaista suomalaista muinais-mtdna-sekvenssiä analysoitu, käsikirjoitus lähdössä tieteelliseen julkaisusarjaan marraskuun alussa

33 Luettavaa David Reich Who We Are and How We Got Here nyt myös suomeksi! Karin Bojs Homo europaeus, Eurooppalaisen ihmisen pitkä historia Julkaistut muinais-dna-tulokset kartalla:

34 Tiimi & yhteistyökumppanit Helsingin yliopisto: Elina Salmela, Sanni Översti, Sanni Peltola, Kati Salo, Kerkko Nordqvist, Päivi Onkamo Max Planck -instituutti, Jena, Saksa: Johannes Krause, Wolfgang Haak, Thiseas Lamnidis, Raphaela Stahl, Kerttu Majander Zurichin yliopisto: Verena Schuenemann Turun yliopisto: Päivi Onkamo Venäjän tiedeakatemia, Moskova, Pietari ja Tyumen, Venäjä Osasto / Henkilön nimi / Esityksen nimi