Finnish population genetics in a forensic context

Abstract

Finland’s unusual history and resulting genetic structure have a number of consequences for the practical applications of genetic testing in Finland today, including forensic analysis. The objective of this study was to characterize coding and noncoding genetic variation in the Finnish gene pool using forensic markers, in order to improve the efficiency of forensic testing in Finland while simultaneously broadening our understanding of its history. Finland is characterized by a clear genetic delineation between Eastern and Western regions of the country, the origins of which have heretofore remained undetermined. Here, patterns of distribution observed in markers of prehistoric association suggest this delineation represents the vestiges of an ancient border between Mesolithic hunter-gatherer and Neolithic farmer populations, undetectable in other regions of Europe. This study provides further insight into the development of the current population structure and clarifies the resolution of uniparental marker variation in contemporary Finland, with implications for forensic applications such as ancestry- informative testing. Along with the aforementioned population stratification, Finland’s unusual history has also left its mark on the population in the form of reduced diversity, visible especially in the Y-chromosome. In order to improve the efficiency of Finnish Y-profiling, novel multiplex panels of highly polymorphic Y-microsatellite markers were developed and evaluated. The new 7- and 24-locus Y-STR panels demonstrate improved suitability for practical forensic applications, with enhanced discrimination power and a reduction in regional subdivision compared to commercial sets. In order to assess the applicability of a novel commercial panel of insertion-deletion markers in Finnish forensic profiling, the Investigator DIPplex kit was evaluated in the Finnish population. Earlier studies of the applicability of insertion/deletion polymorphisms as a tool of forensics had indicated that they were likely to be beneficial for casework analysis both in individual identification as well as the testing of familial relationships. The results suggest that while these markers were well suited for individualization purposes, they were inefficient for paternity testing in the Finnish population. These two studies highlight the need for careful population-specific validation of commercial marker sets widely in use in forensics. Historical population bottlenecks can result in the enrichment of mutations, including those with clinical effects. The assessment of metabolic gene ABCB1 polymorphisms in Finns found increased frequency of these mutations in comparison to other populations, suggesting that Finns may demonstrate an increased susceptibility to drug intoxication. A further investigation performed on post-mortem samples revealed a positive correlation between mutation frequency and level of blood digoxin, confirming previous results of the adverse effect of ABCB1 mutations on metabolic processes. These findings will aid forensic medicine by providing valuable additional evidence for molecular autopsies. A thorough understanding of underlying patterns of genetic variation and the history that created them is vital in recognizing the factors affecting practical forensic analysis today. In these studies, the deep genetic delineation between Eastern and Western regions of Finland was observed in a variety of forensic loci, and shown for the first time to extend also to mitochondrial markers, giving further evidence of its ancient history. The results of this thesis thus reveal new information about the history and demographics of the Finnish population while offering globally applicable improvements to forensic typing. The end result is more straightforward analysis and improved reliability for a spectrum of forensic applications ranging from individualization to cause of death determinations.Väitöskirjatutkimus käsittelee suomalaisen väestön populaatiogenetiikkaa oikeuslääketieteellisessä kontekstissa. Suomen omintakeinen historia on jättänyt jälkensä väestön geneettiseen rakenteeseen vaikuttaen siten myös oikeusgeneettiseen yksilöntunnistukseen suomalaisessa väestössä. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on luonnehtia Suomen geneettistä muuntelua forensisilla DNA-merkeillä, tavoitteena lisätä oikeusgeneettisen testauksen tehokkuutta sekä tuottaa lisätietoa Suomen historian vaiheista. Aikaisemmissa tutkimuksissa havaittua selkeää geneettistä jakautumista itäisen ja läntisen Suomen välillä tarkasteltiin mitokondrio- ja Y-kromosomimerkeillä, tavoitteena alueellisen rajan alkuperän selkeytyminen. Kromosomimerkkien esihistoriallisten ryhmien jakolinjat viittaavat siihen, että jakautuminen edustaa muinaista rajaa mesoliittisten metsästäjä-keräilijä- ja neoliittisten maanviljelijäryhmien välillä. Tutkimus antaa lisätietoa nykyisen väestörakenteen kehityksestä ja valottaa sukulinjamarkkereiden jakautumaa Suomessa. Suomen väestölle ominaisen alhaisen Y-kromosomimuuntelun takia suomalaisessa oikeusgenetiikassa on tarve korkeamman erottelutehon Y-merkeille. Tehokkuuden parantamiseksi arvioimme uusien monimuotoisten Y-mikrosatelliittimarkkereiden soveltuvuutta suomalaiseen Y-profilointiin. Tutkimuksessa kehiteltiin uusi Y-tunnistepaneeli, jonka erotteluvoima suomalaisväestössä on parempi kuin esim. kaupallisissa Y-kromosomipaneeleissa. Myös uuden kaupallisen insertio-deleetiomarkkerisarjan soveltuvuutta isyystutkimukseen arvioitiin. Tulokset osoittavat, että vaikka markkerit sopivat hyvin yksilöllistämiseen suomalaisessa väestössä, niiden erotteluteho isyyskokeissa on selvästi alentunut muihin eurooppalaisiin verrattuna. Historialliset tapahtumat voivat vaikuttaa myös kliinisesti merkittävien mutaatioiden yleistymiseen. Muihin väestöihin verrattuna suomalaisilla havaittiin aineenvaihduntageeni ABCB1-mutaatioiden lisääntynyt esiintyminen, indikoiden kohonnutta myrkytysriskiä. Lisäksi post-mortem-näytteistä tehty geenityypitys paljasti positiivisen korrelaation mutaatiofrekvenssin ja veren digoksiinipitoisuuden välillä, vahvistaen aikaisempia havaintoja ABCB1-mutaatioiden negatiivisesta vaikutuksesta aineenvaihduntaan. Nämä tulokset tarjoavat arvokkaita lisätodisteita oikeuslääketieteellisiin tutkimuksiin. Tutkimuksen tulokset paljastavat uutta tietoa Suomen väestöhistoriasta ja tarjoavat globaalisti sovellettavia parannuksia rikosteknisiin tutkimuksiin. Tutkimustulokset auttavat oikeuslääketieteellisten sovellusten eri osa-alueita yksilöntunnistamisesta kuolemansyyn määrittämiseen, selkeyttäen analyysia ja kasvattaen luotettavuutta