1.11.2018 1

Suomalaisuuden alkuperä, mitä geenit kertovat?

• Ikääntyvien yliopisto• Jyväskylän yliopiston päärakennus,

• 31.10.2018

Professori Päivi OnkamoTurun yliopisto

• Geenit: DNA:han koodatut rakennusohjeemme. Sijaitsevat genomissa. • Genomi: 22 autosomiparia sekä X jaY -kromosomit + mitokondrion

genomi (mtDNA)

Geenit ja genomi

Ihmisen genomi

Autosomien DNA periytyysekä äidin että isän puolelta

MtDNA periytyy aina äidiltä

Y-kromosomi periytyy aina isältä

Periytyminen suvuissa

mitokondrio-DNA– “Äitilinjat”– 0.0005%

genomista

Y-kromosomi– “Isälinjat”– <2% genomista

autosomit (22 paria)– Molemmilta

vanhemmilta, 50:50

– 98% genomista

Sal

mel

a 20

12

• Genomissa esiintyy vaihtelua yksilöstä toiseen: • Vanhoja sekä uusia mutaatioita • Tutkimalla tätä vaihtelua saadaan selville yksilöiden ja väestöjen välisiä

eroja

Geneettinen vaihtelu

www.helsinki.fi/yliopisto 1.11.2018 5

Pieni annos tutkimushistoriaaGeenien 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

• 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

1.11.2018 6Osasto / Henkilön nimi / Esityksen nimi

Mitä nykyisin tiedetään?

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

1.11.2018 7

Översti et al. 2017

• Nykyisin tutkitaan läpi koko genomin, esim. 500 000 tai 1,2 milj. markkeria jokaisesta tutkittavasta yksilöstä

• 10-50 yksilöä per populaatio, useita populaatioita• Genotyyppiaineiston vaihtelu tiivistetään

tunnuslukuihin ja -kuvaajiin, kuten pääkomponenttianalyysikuviin.

• Tilastollisia testejä

1.11.2018 8Osasto / Henkilön nimi / Esityksen nimi

Genominlaajuinen populaatiogenetiikka

Euroopan väestöt PCA-kuvassa

Nelis et al. 2009. (Tässä kuvassa 273 464 markkeria/henkilö)

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. PLoSONE 8(3): e58552.

Khrunin ym. PLoS ONE 2013

Suomi

Komi

Vepsä

Venäjä

Eesti

Pohjoinen Itä-Eurooppa

166 000 SNPiä

Kerminen, 2015

Kerminen, 2015Hannelius et al., BMC Genetics, 2008

Länsi- ja Itä-Suomi

Mikko Väyrynen, Tiede-lehti

Tunnettuja itä-länsijakoja Suomen sisällä1 Vasara-kirves (nuorakeraamisen) kulttuurin raja (2500 - 1500 BC)2 Ruotsin ja Venäjän (Novgorod) raja 1323-1595 3 Useita folkloristisia rajalinjoja4 Anthropologinen raja5 Itä- ja länsimurteiden raja

Norio 20031 2 3 4 5

Suomi lähikuvassa• https://www.fimm.fi/en/research/projects/finnpopgen• Kokeile K:n eri arvoja!

Joku Kermisen kartta tähän

Kerminen ym. 2017

Muinais-DNA?• Eristetään luista; erityisen hyviä

muinais-DNA:n lähteitä pars petrosaja hampaat

• Ikkuna suoraan muinaisuuteen!• Tarkasti ajoitettavissa radiohiilellä

Ongelmia:• DNA:n hajoaminen• kontaminaatio• Pienet otoskoot

• Näytteiden poraus (50 mg luuta riittää)

• DNA:n eristys • DNA-kirjaston valmistaminen

• Shotgun -sekvensointi -> skriinaus• Rikastaminen• Next generation sequencing• Bioinformaattiset analyysit

17 | Kerttu Majander

Datantuotanto

Muinais-DNA: käsittelyvaiheet

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?

1.11.2018 19

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

Muinais-DNA-sekvensointi: vaiheet

19 | Kerttu Majander

Katsaus julkaistuihin tieteellisiin papereihin:• Eurooppa yleensä• Baltia• Ruotsi (kivikausi) ja Sigtuna (viikinkiaika)• Uutta tulossa: BioRxiv-paperimme

1.11.2018 20

Mitä muinais-DNA:lla on saatu selville?

Populaatiomuutokset Euroopassa

W Haak et al. Nature 522:207–211 (2015)

Baltian maat3 julkaisua 2017-2018

Map from Mittnik et al. BioRxiv 2017

• 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

Baltian maat

Julkaisut: Jones et al. Current Biology 27:576–582. “The Neolithic Transition in the Baltic Was Not Driven by Admixture with Early European Farmers” (8 indiv)Saag et al. Current Biology 27:2185-2193. “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)

• Kampakeraamisen kulttuurin myötä (n 6000 v sitten) lisääitäistä metsästäjä-keräilijä-perimää

• Maanviljelyn alkaessa (nuorakeramiikan saapumisen myötä, n 4900 v sitten) arojen väestön (Yamnaya) perimä saapuuBaltiaan (Saag et al);

• Nuorakeramiikka levisi myös Suomeen lähes samaan aikaan. Samanlainen väestöefekti? – valitettavasti ei näytteitä

• Mielenkiintoisesti, varhaisten maanviljelijöiden tyyppinenperimä tulee vahvemmin naisten puolelta (X-kromosomi)

Baltian maat

• Pronssikausi: maanviljelijätyyppinen perimä vahvistuuLatvia (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 itämerensuomalaisenkielen arvioidaan ilmestyvän.

• Sama ilmiö Suomessa?

Baltian maat

SkandinaviaKivikausi

• Gunther et al. Plos Biology 16: e2003703, 2018 • 7 henkilöä 9500– 6000 v sitten• Itä-länsi-suuntainen geneettinen gradientti – “nurinperin”!

A. Model-based estimates of genetic ancestry for each SHG individual.

Migraation suunnat?

Günther T, Malmström H, Svensson EM, Omrak A, Sánchez-Quinto F, et al. (2018) PLOS Biology 16(1): e2003703. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2003703

Aineisto viittaasiihen, että on kaksierillistä jääkaudenjälkeistä tulosuuntaa. Ensimmäinenetelästä, ja myöhemminkoillisesta Jäämerenrannikkoa myötäillen. Liittyy myös uuteenkivitekniikkaan, jokatulee idästä(Rankama et al)

Sopeutuminen pohjoisiinelinympäristöihin?

Kylmyys ja valon vähyys talvella -> luonnonvalinnan paineitamuinaisiin ihmisiin? • Vaalean ihonvärin geenimuotoja Ruotsissa jo 7700 v sitten• Geenimuoto (lokus TMEM131), joka liittyy fyysiseen

suorituskykyyn ja mahdollisesti myös kylmään sopeutumiseenlöytyy jo kivikaudelta aina meihin nykyihmisiin saakka, vars. nykyisissä suomalaisissa

• Muitakin geenejä, jotka liittyvät metaboliaan, kardiovaskulaarisiinsekä kehitys- ja psykologisiin ominaisuuksiin, jotka liittynevätkylmään sopeutumiseen

Günther T, Malmström H, Svensson EM, Omrak A, Sánchez-Quinto F, et al. (2018) PLOS Biology 16(1): e2003703. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2003703

1.11.2018 29

Krzevinska et al. 2018: Genomic and Strontium Isotope Variation Reveal Immigration Patterns in a Viking Age Town. Current Biology 28, 1–9.

SkandinaviaRautakausi

• Viikinkiajan Sigtuna 900-1100 AD• 23 henkilöä, enemmän geneettistä vaihtelua kuin

nykypäivänä. • Useat ei-skandinaavit muistuttavat nyky-liettualaisia• Strontium-data osoittaa että sekä paikallisia että ei-

paikallisia, niin naisissa kuin miehissäkin• -> muuttoliike ollut tärkeä varhaisessa

kaupungistumisessa

1.11.2018 30

PCA Sigtunanyksilöistä (+13 rautakautistaeurooppalaistamuualta Harmaatpisteet sekäväestöjen nimetviittaavat nykyisiinpopulaatioihin.Tähti* tarkoittaa Sigtunanväestöstägeneettisestierottuvaa yksilöä.

SkandinaviaRautakausi

Krzevinska et al. 2018

• Tavoite: sekvensoida muinaisia genomeja suomalais-ugrilaisten 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?

1.11.2018 31

SUGRIGE-projekti: Suomalais-ugrilainen muinaisgenomi 1.1.2016->

• 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, BioRxivhttps://www.biorxiv.org/content/early/2018/03/22/285437

SUGRIGE – Suomen näytteet

• >100 kokonaista suomalaistamuinais-mtDNA-sekvenssiäanalysoitu, käsikirjoituslähdössä tieteelliseenjulkaisusarjaan marraskuunalussa

David Reich ”Who We Are and How We Got Here” nytmyös suomeksi!

Karin Bojs “Homo europaeus, Eurooppalaisen ihmisen pitkä historia”

Julkaistut muinais-DNA-tulokset kartalla: http://umap.openstreetmap.fr/en/map/ancient-human-dna_41837#4/50.29/50.05

Luettavaa

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 SchuenemannTurun yliopisto: Päivi Onkamo

Venäjän tiedeakatemia, Moskova, Pietari ja Tyumen, Venäjä.

1.11.2018 34

Tiimi & yhteistyökumppanit

Osasto / Henkilön nimi / Esityksen nimi