Bayesian Inference for Retrospective Population Genetics Models Using Markov Chain Monte Carlo Methods

Genetics, the science of heredity and variation in living organisms, has a central role in medicine, in breeding crops and livestock, and in studying fundamental topics of biological sciences such as evolution and cell functioning. Currently the field of genetics is under a rapid development because of the recent advances in technologies by which molecular data can be obtained from living organisms. In order that most information from such data can be extracted, the analyses need to be carried out using statistical models that are tailored to take account of the particular genetic processes. In this thesis we formulate and analyze Bayesian models for genetic marker data of contemporary individuals. The major focus is on the modeling of the unobserved recent ancestry of the sampled individuals (say, for tens of generations or so), which is carried out by using explicit probabilistic reconstructions of the pedigree structures accompanied by the gene flows at the marker loci. For such a recent history, the recombination process is the major genetic force that shapes the genomes of the individuals, and it is included in the model by assuming that the recombination fractions between the adjacent markers are known. The posterior distribution of the unobserved history of the individuals is studied conditionally on the observed marker data by using a Markov chain Monte Carlo algorithm (MCMC). The example analyses consider estimation of the population structure, relatedness structure (both at the level of whole genomes as well as at each marker separately), and haplotype configurations. For situations where the pedigree structure is partially known, an algorithm to create an initial state for the MCMC algorithm is given. Furthermore, the thesis includes an extension of the model for the recent genetic history to situations where also a quantitative phenotype has been measured from the contemporary individuals. In that case the goal is to identify positions on the genome that affect the observed phenotypic values. This task is carried out within the Bayesian framework, where the number and the relative effects of the quantitative trait loci are treated as random variables whose posterior distribution is studied conditionally on the observed genetic and phenotypic data. In addition, the thesis contains an extension of a widely-used haplotyping method, the PHASE algorithm, to settings where genetic material from several individuals has been pooled together, and the allele frequencies of each pool are determined in a single genotyping.

Perinnöllisyystieteessä eli genetiikassa tutkitaan perinnöllisen aineksen rakennetta, toimintaa ja muuntelua sekä muita yksilöiden väliseen vaihteluun vaikuttavia tekijöitä eliökunnassa. Nykyisten laboratoriomenetelmien avulla on mahdollista kerätä eliöistä yhä tarkempia ja laajempia molekyylitason aineistoja. Tällaisten aineistojen käsittelemiseksi tarvitaan tilastollisia malleja, jotka hyödyntävät mahdollisimman tarkasti käytettävissä olevaa tietämystä biologisista prosesseista, joiden tuloksena kerätyt aineistot ovat muodostuneet. Tässä väitöskirjassa kehitetään Bayesläisen tilastotieteen malleja eräille geneettisille prosesseille sekä sovelletaan malleja esimerkkiaineistoihin. Pääpaino on yksilöiden yhteisen lähihistorian mallittamisessa. Yksinkertaisimmillaan lähtökohtana on joukko nykyhetken yksilöitä, joiden perinnöllinen aines oletetaan tunnetuksi tietyissä merkkigeenikohdissa laboratoriossa suoritettujen genotyyppimittausten perusteella. Tilastollista mallia käytetään arvioimaan todennäköisyyksiä erilaisille yksilöitä yhdistäville lähihistorioille, jotka kuvataan sukupuurakenteiden sekä merkkigeenien periytymisreittien avulla. Tarkasteltavat aikajaksot ovat enintään kymmeniä sukupolvia. Väitöskirjassa myös hyödynnetään lähihistoriamallia geenikartoitussovelluksessa, jonka tavoitteena on paikallistaa sellaisia kohtia genomista, joilla on vaikutusta tiettyyn yksilöistä mitattuun tai havaittuun ominaisuuteen. Muita sovelluskohteita ovat populaatiorakenteen arviointi sekä yksilöiden välisten sukulaisuusasteiden arviointi.