Bayesian adventures among human mitochondrial lineages

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7171-9
Title: Bayesian adventures among human mitochondrial lineages
Author: Översti, Sanni
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Doctoral Programme in Integrative Life Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-04-26
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7171-9
http://hdl.handle.net/10138/328569
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: A mitochondrion is a cytoplasmic organelle responsible for the energy production of the eukaryotic cells. Mitochondria contain their own genome, mitochondrial DNA (mtDNA), which is a double-stranded circular molecule. Due to mitochondria’s essential role in metabolism, a cell can contain hundreds of thousands of copies of mitochondrial DNA, depending upon the cell’s energy requirements. In mammals, mtDNA is generally maternally inherited, meaning that it is transmitted from a mother to all of her descendants. Although mtDNA constitutes only a small fraction of the cell genome, it has several qualities which make it widely used in population genetic studies such as uniparental inheritance, and the fact that the mitochondrial genome does not recombine. Moreover, mtDNA has a mutation rate ten times higher than that of the nuclear genome and therefore allows us to trace back matrilineal lineages through generations and subsequently make inferences about maternal ancestors. The human mtDNA sequence consists of approximately 16,570 base pairs and also contains both a coding region and a non-coding control region, the latter constituting around 7% of the whole mtDNA genome. Since mtDNA does not undergo recombination, an individual’s mitochondrial haplotype can be determined simply by the direct sequencing of target amplicons. Haplotypes containing certain defining variants are considered to be descendants of a common ancestor and are classified into haplogroups. The geographical distribution of haplogroups among contemporary populations is well-known – for instance, the majority of Europeans exhibit mitochondrial lineages H, U, J, K, T and V. Ancient DNA research has uncovered that lineage U was already highly prevalent among the earliest hunter-gatherer settlers of Europe, whereas the gradual spread of agriculture from the Near East that started approximately 10,000 years ago brought along new people and hence also novel mitochondrial lineages (H, J, K and T). Previous studies have stated that compared with other European populations, contemporary Finns do not seem to be an exception in terms of mitochondrial genome pool. This is rather surprising, since other genetic markers have revealed that contemporary Finns are characterized by a strong Eastern genetic influence and are distinguishable from other Europeans. Moreover, the evident East-West distinction within Finland, apparent in Y-chromosomes and autosomes, has not been previously identified in the mtDNA. This thesis outlines the mitochondrial DNA variation among present-day Finns in a Bayesian framework. The aims were to evaluate if Finns display a homogeneous geographical distribution of haplogroups and if the mtDNA composition of Finns resembles that of other European populations, as previously suggested. While no spatial differences have previously been detected in the mitochondrial haplogroup frequencies within Finland, a clear geographical distinction arose when clustering haplogroups into ‘hunter-gatherer’ (U and V) and ‘farmer’ associated lineages (H, J, K and T). Whereas the farmer related haplogroups were notably more common in Southwestern Finland, the hunter-gatherer lineages had higher densities in the Northeastern parts compared to the Southwest. Furthermore, utilization of the complete mitochondrial genomes allowed for reassessing the Finnish mtDNA pool on a larger scale. One third of the subhaplogroups in Finland today were characteristic only of Finns, i.e. these lineages were virtually absent from other populations. When further partitioning the Finnish samples based on their inclusion in ‘local’ and ‘non-local’ lineages, two notably different demographic trajectories were obtained. The population history for Finn-characteristic lineages was more in accordance with what is known through other data types, such as Y-chromosomal and archaeological data. In general, the observed geographical within-country deviation in the Finnish mtDNA pool and the high proportion of Finn-characteristic lineages reflected the signals reported from other genetic markers. Alongside Finnish mtDNA, this thesis explores the molecular rate variation among the different subhaplogroups of lineage U. Unexpectedly, a noteworthy discrepancy emerged from the tip calibrated phylogenies: haplogroup U5b had a notably lower substitution rate when compared to U2, U4 and U5a. This lineage-specificity in the rates most likely arose, at least to some extent, from differences in past population dynamics. In particular, U4 and U5a have been associated with the rapid population expansion which occurred during the Bronze Age, whereas the frequency of U5b has remained rather stable. Subsequently, the observed rate of deviation influences the divergence estimates for subhaplogroups, suggesting that U5b emerged considerably earlier than U5a. Since molecular rates are fundamental to several population genetic analyses and the timing of divergence and demographic events relies heavily on the rate used, more attention should be paid to the interlineage molecular rate variation. The results of this thesis demonstrate not only the importance of using complete mtDNA genomes and the appropriate molecular rate, but also the relevance of approaching the data from new angles when assessing the demographic past of mitochondrial lineages.Mitokondrio on tuman ulkopuolella sijaitseva soluelin, jonka pääasiallisena tehtävänä on vastata solujen energia-aineenvaihdunnasta. Mitokondrioilla on muusta perimästä erillinen rengasmainen genominsa, mitokondriaalinen DNA (mtDNA), joka periytyy äidiltä kaikille jälkeläisille. Vaikka mtDNA muodostaakin vain pienen osan yksilön koko perimästä, sitä on hyödynnetty populaatiogeneettisissä tutkimuksissa laajalti: jäljittämällä äitilinjoja ajassa taaksepäin pääsemme tarkastelemaan naisten väestöhistoriaa. Yksilön mtDNA-sekvenssiä kutsutaan hänen mitokondriaaliseksi haplotyypikseen. Haplotyypit jaotellaan muuntelun samankaltaisuuden perusteella haploryhmiin, joiden maantieteellinen jakautuneisuus nykyväestöissä tunnetaan hyvin. Haploryhmien yleisyydet eri väestöissä kertovat ihmisten liikkeistä ja väestösisäisen muuntelun määrän perusteella on mahdollista tehdä päätelmiä myös populaation koon vaihteluista. Viime vuosikymmeninä muinais-DNA-tutkimus on valottanut lukuisten mitokondriolinjojen alkuperää ja tiedämme, että esimerkiksi Euroopassa huomattava enemmistö kivikautisista metsästäjä-keräilijöistä edusti haploryhmää U. Maatalouden levitessä Lähi-Idästä noin 10,000 vuotta sitten saapui Eurooppaan kulttuurisen innovaation mukana lukuisia uusia haploryhmiä, kuten linjat H, J, K sekä T. Yhä tänä päivänä eurooppalaiset edustavat näitä eri alkuperää olevia haploryhmiä suomalaisten mitokondriaalisen rakenteen muistuttaessa pitkälti muita Euroopan väestöjä. Muusta genomista poiketen mitokondrioissamme ei ole nähtävissä eurooppalaisittain merkittävää itäistä vaikutusta. Niin ikään muussa perimässä selkeästi erottuvaa Suomen sisäistä geneettistä itä-länsi -jakoa ei ole toistaiseksi havaittu äitilinjoissamme. Tämä väitöskirja tarkastelee nykysuomalaisten mitokondriaalista koostumusta Bayesilaisessa viitekehyksessä. Tutkimuksissa havaittiin, että vaikka päähaploryhmiemme jakauma onkin hyvin eurooppalainen, alahaploryhmistämme jopa kolmasosaa ei ole toistaiseksi löydetty Suomen ulkopuolelta lainkaan tai vain hyvin harvoin. Osittamalla äitilinjamme tähän ‘suomalaiskomponenttiin’ sekä muihin haploryhmiin, näemme toisistaan poikkeavat väestöhistoriat. Suomalaiskomponentin perusteella populaatiokoko on ollut pitkään pieni ja kasvanut merkittävästi vasta muutaman sata vuotta, kun taas muut mtDNA-linjat tuottavat hyvin ”eurooppalaisen” tuloksen: väestö on alkanut kasvaa merkittävästi tuhansia vuosia sitten. Muuntelun kerroksellisuuden lisäksi mtDNA-linjoissamme havaittiin maan sisäistä variaatiota: muinaisille metsästäjä-keräilijöille ominaiset linjat (U ja H) olivat Itä- ja Pohjois-Suomessa muuta maata yleisempiä kun taas maanviljelijöihin liitetyt haploryhmät (H, J, K, T) olivat yleisimmillään maan etelä- ja länsiosissa. Havainnot mtDNA-linjojen Suomen sisäisestä rakenteesta sekä muista eurooppalaisista erottuvasta ‘suomalaiskomponentista’ ovat linjassa sen kanssa, mitä suomalaisten taustoista tiedetään aiempien, esimerkiksi Y-kromosomianalyyseihin ja arkeologisiin löytöihin perustuvien, tutkimusten perusteella. Väitöskirja käsittelee lisäksi evolutiivisten muuntelunopeuksien vaihtelua mitokondrion alahaploryhmien U2, U4, U5a sekä U5b välillä. Pääosin läntisen Euraasian alueelta koottujen muinaisten sekä modernien mtDNA-sekvenssien perusteella haploryhmän U5b substituutionopeus osoittautui merkittävästi muita tarkasteltavia linjoja alhaisemmaksi. Selitys havaittuun vaihteluun löytynee, ainakin osittain, linjojen läpikäymistä erilaisista populaatioprosesseista: haploryhmät U4 ja U5a on yhdistetty Pronssikaudella Euroopassa tapahtuneeseen nopeaan ja voimakkaaseen väestön leviämiseen, kun taas linjan U5b vallitsevuus vaikuttaa pysyneen maltillisen alhaisena vuosituhansien ajan. Eroavaisuudet substituutionopeuksissa vaikuttavat myös alahaploryhmien ikäarvioihin: aiemmista tutkimuksista poiketen linja U5b vaikuttaisi eriytyneen yhteisestä kantamuodosta huomattavasti linjaa U5a aiemmin. Muuntelunopeuksien eroilla on siis merkittävä roolinsa myös linjojen erkaantumisten sekä erilaisten demografisten tapahtumien ajoittamisessa. Vastaavaa evolutiivisten nopeuksien vertailua ei tiettävästi ole aiemmin toteutettu ihmisen mtDNA-linjoille, mutta tutkimuksen tulokset osoittavat haploryhmäkohtaisten substituutionopeuksien tarkastelun tärkeyden.
Subject: genetiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
översti_sanni_dissertation_2021.pdf 1.740Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record