Human genetic variation in the Baltic Sea region: Features of population history and natural selection

In this thesis, the genetic variation of human populations from the Baltic Sea region was studied in order to elucidate population history as well as evolutionary adaptation in this region. The study provided novel understanding of how the complex population level processes of migration, genetic drift, and natural selection have shaped genetic variation in North European populations. Results from genome-wide, mitochondrial DNA and Y-chromosomal analyses suggested that the genetic background of the populations of the Baltic Sea region lies predominantly in Continental Europe, which is consistent with earlier studies and archaeological evidence. The late settlement of Fennoscandia after the Ice Age and the subsequent small population size have led to pronounced genetic drift, especially in Finland and Karelia but also in Sweden, evident especially in genome-wide and Y-chromosomal analyses. Consequently, these populations show striking genetic differentiation, as opposed to much more homogeneous pattern of variation in Central European populations. Additionally, the eastern side of the Baltic Sea was observed to have experienced eastern influence in the genome-wide data as well as in mitochondrial DNA and Y-chromosomal variation – consistent with linguistic connections. However, Slavic influence in the Baltic Sea populations appears minor on genetic level. While the genetic diversity of the Finnish population overall was low, genome-wide and Y-chromosomal results showed pronounced regional differences. The genetic distance between Western and Eastern Finland was larger than for many geographically distant population pairs, and provinces also showed genetic differences. This is probably mainly due to the late settlement of Eastern Finland and local isolation, although differences in ancestral migration waves may contribute to this, too. In contrast, mitochondrial DNA and Y-chromosomal analyses of the contemporary Swedish population revealed a much less pronounced population structure and a fusion of the traces of ancient admixture, genetic drift, and recent immigration. Genome-wide datasets also provide a resource for studying the adaptive evolution of human populations. This study revealed tens of loci with strong signs of recent positive selection in Northern Europe. These results provide interesting targets for future research on evolutionary adaptation, and may be important for understanding the background of disease-causing variants in human populations.

A systematic-ecological approach to Baltic Sea ice studies of algae and protists

The seasonal occurrence of sea ice that annually covers almost half the Baltic Sea area provides a unique habitat for halo- and cold temperature-tolerant extremophiles. Baltic Sea ice biology has more than 100 years of tradition that began with the floristic observation of species by the early pioneers using light microscopic techniques that were the only thing available at the time. Since the discovery of life within sea ice, more technologies have become available for taxonomy. Electron microscopy and genetic evidence have been used to identify sea ice biota revealing increased numbers of taxa. Meanwhile ecologists have used light microscopic cell enumeration in addition to the chemical and physical properties of sea ice in attempts to explain the food web structure of sea ice and its functions. Thus, during the Baltic winter, the sea ice hosts more abundant and diverse microbial communities than the water column beneath it. These communities are typically dominated by autotrophic diatoms together with a diverse assortment of dinoflagellates, auto- and heterotrophic flagellates, ciliates, metazoan rotifers and bacteria, which are mostly responsible for the recycling of nutrients. This thesis comprises ecological and systematic studies. In addition to the results of the previous studies carried out on landfast ice, the data presented here provide new insight into the spatial distribution of pelagial sea ice, which has remained largely unexplored. The studies reveal spatial heterogeneity in the pelagial sea ice of the Gulf of Bothnia. There were mismatches in chlorophyll-a concentrations and in photosynthetic efficiencies of the communities studied. The temporal succession was followed and experimental studies performed investigating the community responses towards increased or decreased light in landfast ice in the Gulf of Finland. The systematic studies carried out with established dinoflagellate cultures revealed a new resting cyst belonging to common sea ice dinoflagellate, Scrippsiella hangoei (Schiller) Larsen 1995. The cyst can be used to explain the overwintering of this species during prolonged periods of darkness. The dissimilarities and similarities in the material isolated from the sea ice called for description of a new subspecies Heterocapsa arctica ssp. frigida. The cells obtained in the cultured material were unlike those of the previously described species, necessitating description of ssp. frigida. As a result of its own unique habitus, the subspecies had been noted by Finnish taxonomists during the past three decades and thus its annual occurrence and geographical distribution in the Baltic Sea. This illustrates how combining ecology and systematics increases our understanding of organisms.

Novel surgical and imaging methods of the middle ear and temporal bone

Välikorvaleikkauksiin usein liittyvän välikorvan ja kuuloluuketjun kirurgisen rekonstruktion tavoitteena on luoda olosuhteet, jotka mahdollistavat hyvän kuulon sekä välikorvan säilymisen tulehduksettomana ja ilmapitoisena. Välikorvan rekonstruktiossa on käytetty implanttimateriaaleina perinteisesti potilaan omia kudoksia sekä tarvittaessa erilaisia hajoamattomia biomateriaaleja, mm. titaania ja silikonia. Ongelmana biomateriaalien käytössä voi olla bakteerien adherenssi eli tarttuminen vieraan materiaalin pintaan, mikä saattaa johtaa biofilmin muodostumiseen. Tämä voi aiheuttaa kroonisen, huonosti antibiootteihin reagoivan infektion kudoksessa, mikä usein käytännössä johtaa uusintaleikkaukseen ja implantin poistoon. Maitohappo- ja glykolihappopohjaiset biologisesti hajoavat polymeerit ovat olleet kliinisessä käytössä jo vuosikymmeniä. Niitä on käytetty erityisesti tukimateriaaleina mm. ortopediassa sekä kasvo- ja leukakirurgiassa. Niitä ei ole toistaiseksi käytetty välikorvakirurgiassa. Korvan kuvantamiseen käytetään ensisijaisesti tietokonetomografiaa (TT). TT-tutkimuksen ongelmana on potilaan altistuminen suhteellisen korkealle sädeannokselle, joka kasvaa kumulatiivisesti, jos kuvaus joudutaan toistamaan. Väitöskirjatyö selvittää uuden, aiemmin kliinisessä työssä rutiinisti lähinnä hampaiston ja kasvojen alueen kuvantamiseen käytetyn rajoitetun kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen. Väitöskirjan kahdessa ensimmäisessä osatyössä tutkittiin ja verrattiin kahden kroonisia ja postoperatiivisia korvainfektioita aiheuttavan bakteerin, Staphylococcus aureuksen ja Pseudomonas aeruginosan, in vitro adherenssia titaanin, silikonin ja kahden eri biohajoavan polymeerin (PLGA) pintaan. Lisäksi tutkittiin materiaalien albumiinipinnoituksen vaikutusta adherenssiin. Kolmannessa osatyössä tutkittiin eläinmallissa PLGA:n biokompatibiliteettia eli kudosyhteensopivuutta kokeellisessa välikorvakirurgiassa. Chinchillojen välikorviin istutettiin PLGA-materiaalia, eläimiä seurattiin, ja ne lopetettiin 6 kk:n kuluttua operaatiosta. Biokompatibiliteetin arviointi perustui kliinisiin havaintoihin sekä kudosnäytteisiin. Neljännessä osatyössä tutkittiin kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen vertaamalla sen tarkkuutta perinteisen spiraali-TT:n tarkkuuteen. Molemmilla laitteilla kuvattiin ohimo- eli temporaaliluita korvan alueen kliinisesti ja kirurgisesti tärkeiden rakenteiden kuvantumisen tarkkuuden arvioimiseksi. Viidennessä osatyössä arvioitiin myös operoitujen temporaaliluiden kuvantumista kartiokeila-TT:ssa. Bakteeritutkimuksissa PLGA-materiaalin pintaan tarttui keskimäärin korkeintaan saman verran tai vähemmän bakteereita kuin silikonin tai titaanin. Albumiinipinnoitus vähensi bakteeriadherenssia merkitsevästi kaikilla materiaaleilla. Eläinkokeiden perusteella PLGA todettiin hyvin siedetyksi välikorvassa. Korvakäytävissä tai välikorvissa ei todettu infektioita, tärykalvon perforaatioita tai materiaalin esiin työntymistä. Kudosnäytteissä näkyi lievää tulehdusreaktiota ja fibroosia implantin ympärillä. Temporaaliluutöissä rajoitettu kartiokeila-TT todettiin vähintään yhtä tarkaksi menetelmäksi kuin spiraali-TT välikorvan ja sisäkorvan rakenteiden kuvantamisessa, ja sen aiheuttama kertasäderasitus todettiin spiraali-TT:n vastaavaa huomattavasti vähäisemmäksi. Kartiokeila-TT soveltui hyvin välikorvaimplanttien ja postoperatiivisen korvan kuvantamiseen. Tulokset osoittavat, että PLGA on välikorvakirurgiaan soveltuva, turvallinen ja kudosyhteensopiva biomateriaali. Biomateriaalien pinnoittaminen albumiinilla vähentää merkittävästi bakteeriadherenssia niihin, mikä puoltaa pinnoituksen soveltamista implanttikirurgiassa. Kartiokeila-TT soveltuu korvan alueen kuvantamiseen. Sen tarkkuus kliinisesti tärkeiden rakenteiden osoittamisessa on vähintään yhtä hyvä ja sen potilaalle aiheuttama sädeannos pienempi kuin nykyisen korva-spiraali-TT:n. Tämä tekee menetelmästä spiraali-TT:aa potilasturvallisemman vaihtoehdon erityisesti, jos potilaan tilanne vaatii seurantaa ja useampia kuvauksia, ja jos halutaan kuvata rajoitettuja alueita uni- tai bilateraalisesti.