Genetic structure in Finland and Sweden : aspects of population history and gene mapping

Abstract

The genetic structure of populations is a potential source of population history information and an important factor in gene mapping studies. The main aim of this thesis was to study the population structure in Finland and Sweden using, for the first time, genome-wide data from thousands of single nucleotide polymorphism (SNP) markers. Furthermore, this thesis introduced a novel gene mapping approach, subpopulation difference scanning (SDS), and tested its theoretical applicability in the Finnish population.

The study subjects included 280 Finnish and 1525 Swedish individuals, and genotypes from Russian, German, British and other populations served as reference data. The results revealed that the Finns differed clearly from central Europeans. Within Finland, the genetic difference between eastern and western Finns was striking. The Finns, particularly eastern Finns, also showed reduced genetic diversity as well as an increased genetic affinity to East Asian reference populations. In Sweden, the overall population structure seemed clinal and lacked strong borders. The population in southern Sweden was relatively homogeneous and genetically close to the Germans and British, while the northern subpopulations differed from the south and also from each other. Overall, these results are congruent with earlier observations from smaller numbers of markers and with population history, particularly the small population sizes that have led to genetic drift.

The genetic substructure within Finland could prove useful in mapping genes for diseases that show regional incidence differences. Because a gene underlying an incidence difference must itself harbor a frequency difference, the SDS approach proposes that such genes could be mapped by focusing further analyses on genome areas that show a (sufficient) difference between the high- and low-incidence subpopulations. Population simulations demonstrated that the SDS approach may work for cardiovascular diseases, which have an east-west difference within Finland.

In summary, the results of this thesis emphasize the capacity of genome-wide SNP data to detect patterns of population structure, also in populations that have often been assumed homogeneous, such as the Finns and Swedes. Obviously, knowledge of genome-wide population structure has immediate relevance also to studies focusing on diseases and other important phenotypes.

Populaation, esimerkiksi ihmisväestön, geneettinen rakenne kertoo populaation historiasta. Geneettinen rakenne vaikuttaa myös siihen, mitkä väestöt ovat eri geenikartoitusmenetelmien otollisimpia kohteita. Tässä väitöstyössä tarkasteltiin väestön geneettistä rakennetta Suomessa ja Ruotsissa, ensi kertaa hyödyntäen perimänlaajuista aineistoa tuhansista yhden emäksen polymorfioista (SNP:eistä). Lisäksi tässä työssä esiteltiin uusi geenikartoitusmenetelmä (subpopulation difference scanning, SDS) ja tutkittiin sen teoreettista soveltuvuutta suomalaisväestössä käytettäväksi.

Tutkimusaineistona oli 280 suomalaista ja 1525 ruotsalaista koehenkilöä; vertailuaineistona käytettiin mm. venäläisiä, saksalaisia ja brittejä. Tulokset osoittivat että suomalaiset poikkesivat keskieurooppalaisista vertailuväestöistä huomattavasti ja että geneettinen monimuotoisuus Suomessa oli pienempi. Suomen sisällä havaittiin selvä geneettinen ero itä- ja länsisuomalaisten välillä. Lisäksi suomalaisissa - varsinkin itäsuomalaisissa - nähtiin pieni mutta selkeä itäinen vaikutus. Ruotsissa ei havaittu jyrkkiä geneettisiä rajoja. Eteläruotsalaiset olivat geneettisesti varsin homogeenisia ja muistuttivat läheisesti saksalaisia ja brittejä, kun pohjoisruotsalaiset puolestaan erosivat sekä eteläruotsalaisista että toisistaan. Nämä havainnot vastaavat pääosin sekä aiempia tuloksia että väestöhistoriaa, jossa harva asutus on nopeuttanut geneettisten erojen kertymistä.

Suomen-sisäistä populaatiorakennetta voi olla mahdollista hyödyntää tautigeenien kartoituksessa. Tiettyjen tautien esiintyvyys vaihtelee alueellisesti: esimerkiksi sydäntaudit ovat yleisempiä Itä- kuin Länsi-Suomessa. Tällaisen esiintyvyyseron geneettiseksi selittäjäksi kelpaa vain sellainen tekijä, jonka alueellinen yleisyys vaihtelee vastaavasti. Niinpä jos verrataan väestöä korkean ja matalan esiintyvyyden alueilta, voidaan geenien etsintä keskittää alueiden välillä eroaviin perimän kohtiin. Tätä SDS-kartoitusmenetelmää testattiin väestömallinnuksin ja todettiin, että menetelmä saattaa toimia ainakin sydäntaudeilla.

Kokonaisuutena tämän väitöstutkimuksen tulokset kertovat perimänlaajuisten SNP-aineistojen käyttökelpoisuudesta väestörakennetutkimuksissa. Vaikka suppeammatkin aineistot voivat valottaa väestöhistoriallisia ilmiöitä, tautien ja muiden näkyvien ominaisuuksien tutkimisen kannalta nimenomaan perimänlaajuisen rakenteen tuntemus on olennaista. Nämä tulokset myös muistuttavat, että kulttuuristen erojen vähäisyys ei todista väestön geneettistä homogeenisuutta, kuten Suomessa havaitut jyrkät geneettiset erot hyvin osoittavat.