Avui els vull explicar què podem aprendre de l'estudi del genoma de persones vives i d'humans extints. Però abans d'això, vull recordar breument una cosa que ja saben: que els nostres genomes, el nostre material genètic, està emmagatzemat en les cèl lules del cos, en els cromosomes, en forma d'ADN, la famosa molècula de doble hèlix. La informació genètica està continguda en forma de seqüència de 4 bases abreujades amb les lletres A, T, C i G. La informació està dues vegades: una a cada cadena; cosa important ja que quan es formen noves cèl lules aquestes cadenes es separen i es sintetitzen noves cadenes a partir de les velles en un procés gairebé perfecte.
What I want to talk to you about is what we can learn from studying the genomes of living people and extinct humans. But before doing that, I just briefly want to remind you about what you already know: that our genomes, our genetic material, are stored in almost all cells in our bodies in chromosomes in the form of DNA, which is this famous double-helical molecule. And the genetic information is contained in the form of a sequence of four bases abbreviated with the letters A, T, C and G. And the information is there twice -- one on each strand -- which is important, because when new cells are formed, these strands come apart, new strands are synthesized with the old ones as templates in an almost perfect process.
Però, és clar, en la natura res és totalment perfecte així que de vegades es comet un error i s'incorpora una lletra errònia. Podem veure el resultat d'aquestes mutacions quan comparam seqüències d'ADN entre els presents a la sala, per exemple. Si comparem el meu genoma amb el de vostès aproximadament unes 1.200 o 1.300 lletres seran diferents entre nosaltres. I aquestes mutacions s'acumulen de forma regular en funció del temps. Així, si afegim un ximpanzé, veurem més diferències. Més o menys una de cada 100 lletres es diferent de les del ximpanzé.
But nothing, of course, in nature is totally perfect, so sometimes an error is made and a wrong letter is built in. And we can then see the result of such mutations when we compare DNA sequences among us here in the room, for example. If we compare my genome to the genome of you, approximately every 1,200, 1,300 letters will differ between us. And these mutations accumulate approximately as a function of time. So if we add in a chimpanzee here, we will see more differences. Approximately one letter in a hundred will differ from a chimpanzee.
I si a un li interessa la història d'un fragment d'ADN, o de tot el genoma, es pot reconstruir la història de l'ADN amb aquestes diferències observades. En general representem les idees d'aquesta història amb arbres com aquest. En aquest cas és molt simple. Les dues seqüències d'ADN humà es remunten a un ancestre comú molt recent. Més enrere hi ha el que compartim amb els ximpanzés. I pel fet que aquestes mutacions ocorren més o menys en funció del temps podem transformar aquestes diferències per estimar el temps passat des en el qual aquests dos humans, en general, compartien un ancestre comú fa mig milió d'anys i, amb els ximpanzés, està en l'ordre dels 5 milions d'anys.
And if you're then interested in the history of a piece of DNA, or the whole genome, you can reconstruct the history of the DNA with those differences you observe. And generally we depict our ideas about this history in the form of trees like this. In this case, it's very simple. The two human DNA sequences go back to a common ancestor quite recently. Farther back is there one shared with chimpanzees. And because these mutations happen approximately as a function of time, you can transform these differences to estimates of time, where the two humans, typically, will share a common ancestor about half a million years ago, and with the chimpanzees, it will be in the order of five million years ago.
El que ha passat en els últims anys és que han sorgit tecnologies que permeten veure molts, molts fragments d'ADN molt ràpidament. Per això ara podem, en qüestió d'hores, determinar tot un genoma humà. Tots tenim, clar, dos genomes humans: un de les nostres mares i un dels nostres pares. Tenen una longitud d'unes 3.000 milions de lletres. I descobrirem que els meus dos genomes, o un genoma meu que volem utilitzar, tindrà unes tres milions de diferències, en aquest ordre. I després també un pot començar a descriure la distribució d'aquestes diferències genètiques en el món. I en fer-ho trobem una certa variació genètica a l'Àfrica. I si mirem fora d'Àfrica trobem menys variació genètica. Això és sorprenent, per descomptat, perquè hi ha de 6 a 8 vegades menys gent que viu dins que fora d'Àfrica. Tot i així, les persones d'Àfrica tenen més variació genètica.
So what has now happened in the last few years is that there are account technologies around that allow you to see many, many pieces of DNA very quickly. So we can now, in a matter of hours, determine a whole human genome. Each of us, of course, contains two human genomes -- one from our mothers and one from our fathers. And they are around three billion such letters long. And we will find that the two genomes in me, or one genome of mine we want to use, will have about three million differences in the order of that. And what you can then also begin to do is to say, "How are these genetic differences distributed across the world?" And if you do that, you find a certain amount of genetic variation in Africa. And if you look outside Africa, you actually find less genetic variation. This is surprising, of course, because in the order of six to eight times fewer people live in Africa than outside Africa. Yet the people inside Africa have more genetic variation.
A més, gairebé totes aquestes variants genètiques que veiem fora d'Àfrica tenen seqüències d'ADN més estretament relacionades que les d'Àfrica entre si. Però si mirem a dins Àfrica hi ha una component de variació genètica que no té parents propers fora. El model que explica això diu que una part de la variació africana, però no tota, va sortir a colonitzar la resta del món. Aquests mètodes per datar les diferències genètiques han portat a la idea que els humans moderns, humans que en essència són indistingibles de vosaltres i de mi, han evolucionat a l'Àfrica fa molt poc; fa entre 100 i 200 mil anys. I després, fa entre 100.000 i 50.000 anys, van sortir d'Àfrica per colonitzar la resta del món.
Moreover, almost all these genetic variants we see outside Africa have closely related DNA sequences that you find inside Africa. But if you look in Africa, there is a component of the genetic variation that has no close relatives outside. So a model to explain this is that a part of the African variation, but not all of it, [has] gone out and colonized the rest of the world. And together with the methods to date these genetic differences, this has led to the insight that modern humans -- humans that are essentially indistinguishable from you and me -- evolved in Africa, quite recently, between 100 and 200,000 years ago. And later, between 100 and 50,000 years ago or so, went out of Africa to colonize the rest of the world.
Per això sovint m'agrada dir que, des d'un punt de vista genòmic, tots som africans. Actualment, o bé vivim a Àfrica o hem fet un exili molt recent. Una altra conseqüència d'aquest origen recent dels humans moderns és que les variants genètiques en general es distribueixen àmpliament en el món, en molts llocs, i tendeixen a variar com a gradients, si més no vistes a vol d'ocell. I atès que hi ha moltes variants genètiques i tenen diferents gradients, vol dir que si determinem una seqüència d'ADN - un genoma individual - podem estimar amb precisió d'on ve una persona, atès que els seus pares o avis no s'han mogut massa.
So what I often like to say is that, from a genomic perspective, we are all Africans. We either live inside Africa today, or in quite recent exile. Another consequence of this recent origin of modern humans is that genetic variants are generally distributed widely in the world, in many places, and they tend to vary as gradients, from a bird's-eye perspective at least. And since there are many genetic variants, and they have different such gradients, this means that if we determine a DNA sequence -- a genome from one individual -- we can quite accurately estimate where that person comes from, provided that its parents or grandparents haven't moved around too much.
Però, significa això, com molta gent sol pensar, que hi ha grans diferències genètiques entre grups de persones - entre continents, per exemple? Bé, també podem començar a fer-nos aquestes preguntes. Hi ha, per exemple, un projecte en curs per fer la seqüència de 1.000 individus -- dels seus genomes-- provinents de diferents parts del món. S'han seqüenciat 185 africans de dues poblacions d'Àfrica. S'han seqüenciat també quantitats similars a Europa i la Xina. I podem començar a comptar les variacions que trobem, quantes lletres varien, en almenys una d'aquestes seqüències individuals. I és molt: 38 milions de posicions variables.
But does this then mean, as many people tend to think, that there are huge genetic differences between groups of people -- on different continents, for example? Well we can begin to ask those questions also. There is, for example, a project that's underway to sequence a thousand individuals -- their genomes -- from different parts of the world. They've sequenced 185 Africans from two populations in Africa. [They've] sequenced approximately equally [as] many people in Europe and in China. And we can begin to say how much variance do we find, how many letters that vary in at least one of those individual sequences. And it's a lot: 38 million variable positions.
Però podem preguntar-nos: hi ha diferències absolutes entre africans i no africans? Potser la majoria de nosaltres pensa que hi ha una gran diferència. I per diferència absoluta vull dir una diferència que la gent d'Àfrica tingui en una posició en la qual tots els individus, el 100%, tingui una lletra concreta i tots fora d'Àfrica tinguin una altra lletra. I la resposta a això, entre aquests milions de diferències, és que no hi ha cap d'aquestes posicions. Això pot ser sorprenent. Potser un individu estigui mal classificat. Per això podem relaxar el criteri una mica i dir: quantes posicions trobem en les quals el 95% de la gent d'Àfrica tingui una variant, i el 95% tingui una altra variant, i aquest nombre és 12.
But we can then ask: Are there any absolute differences between Africans and non-Africans? Perhaps the biggest difference most of us would imagine existed. And with absolute difference -- and I mean a difference where people inside Africa at a certain position, where all individuals -- 100 percent -- have one letter, and everybody outside Africa has another letter. And the answer to that, among those millions of differences, is that there is not a single such position. This may be surprising. Maybe a single individual is misclassified or so. So we can relax the criterion a bit and say: How many positions do we find where 95 percent of people in Africa have one variant, 95 percent another variant, and the number of that is 12.
Això és molt sorprenent. Això vol dir que en mirar a la gent i veure una persona d'Àfrica i una d'Europa o Àsia no podem, per una sola posició en el genoma i amb una precisió del 100%, predir la seva càrrega genètica. I només per 12 posicions podem esperar estar un 95% segurs. Això pot sorprendre perquè podem, per descomptat, mirar a aquesta gent i dir molt fàcilment d'on vénen ells o els seus ancestres. Ara bé, això significa que aquests trets que mirem i veiem tan fàcilment ... trets facials, color de pell, estructura del cabell ... no estan determinats per gens simples de gran efecte sinó per moltes variants genètiques diferents que semblen variar en freqüència entre diferents parts del món.
So this is very surprising. It means that when we look at people and see a person from Africa and a person from Europe or Asia, we cannot, for a single position in the genome with 100 percent accuracy, predict what the person would carry. And only for 12 positions can we hope to be 95 percent right. This may be surprising, because we can, of course, look at these people and quite easily say where they or their ancestors came from. So what this means now is that those traits we then look at and so readily see -- facial features, skin color, hair structure -- are not determined by single genes with big effects, but are determined by many different genetic variants that seem to vary in frequency between different parts of the world.
Hi ha una altra cosa respecte d'aquests trets que observem molt fàcilment en cada un que crec val la pena considerar, i és que, en sentit molt literal, estan realment en la superfície dels nostres cossos. Són, com acabem de dir, trets facials, estructura del cabell, color de pell. També hi ha una sèrie de característiques com aquelles que varien entre continents que tenen a veure amb el metabolisme dels aliments que ingerim, o amb la forma en que actua el sistema immune sobre els microbis que tracten d'envair els nostres cossos. Però totes aquestes són parts del cos que interactuem directament amb l'entorn, en confrontació directa, si es vol. És fàcil imaginar com en particular aquestes parts del cos es van veure ràpidament influïdes per la selecció de l'entorn i van desplaçar les freqüències de gens implicades en elles. Però si mirem en altres parts del cos les quals no interactuem directament amb l'entorn - Ronyons, fetges, cors - no hi ha manera de dir només mirant aquests òrgans, de quin lloc del món vénen.
There is another thing with those traits that we so easily observe in each other that I think is worthwhile to consider, and that is that, in a very literal sense, they're really on the surface of our bodies. They are what we just said -- facial features, hair structure, skin color. There are also a number of features that vary between continents like that that have to do with how we metabolize food that we ingest, or that have to do with how our immune systems deal with microbes that try to invade our bodies. But so those are all parts of our bodies where we very directly interact with our environment, in a direct confrontation, if you like. It's easy to imagine how particularly those parts of our bodies were quickly influenced by selection from the environment and shifted frequencies of genes that are involved in them. But if we look on other parts of our bodies where we don't directly interact with the environment -- our kidneys, our livers, our hearts -- there is no way to say, by just looking at these organs, where in the world they would come from.
Hi ha una altra cosa interessant que ve d'aquesta apreciació que els humans tenen un origen comú recent a l'Àfrica, i és que quan van sorgir aquests humans fa uns 100.000 anys no estaven sols al planeta. Rondaven altres formes d'éssers humans; potser els més famosos eren els neandertals - - aquestes formes humanes robustes de l'esquerra, comparades amb els esquelets moderns de la dreta - que van existir a l'oest d'Àsia i a Europa des de fa centenars de milers d'anys. Així que una pregunta interessant és: Què va passar quan ens vam trobar? Què els va passar als neandertals?
So there's another interesting thing that comes from this realization that humans have a recent common origin in Africa, and that is that when those humans emerged around 100,000 years ago or so, they were not alone on the planet. There were other forms of humans around, most famously perhaps, Neanderthals -- these robust forms of humans, compared to the left here with a modern human skeleton on the right -- that existed in Western Asia and Europe since several hundreds of thousands of years. So an interesting question is, what happened when we met? What happened to the Neanderthals?
I per començar a respondre aquestes preguntes, el meu grup de recerca -- des de fa més de 25 anys -- treballa en mètodes d'extracció d'ADN de restes de neandertals i animals extints que tenen desenes de milers d'anys. Per tant això implica moltes qüestions tècniques sobre la forma d'extreure l'ADN, de com convertir-lo en alguna cosa que es pugui seqüenciar. Cal treballar amb molta cura per evitar la contaminació dels experiments amb l'ADN d'un mateix. I això, juntament amb aquests mètodes que permeten seqüenciar moltes molècules d'ADN molt ràpidament, ens va permetre, l'any passat, presentar la primera versió del genoma neandertal, de manera que tots puguin veure, a Internet, el genoma Neandertal o almenys el 55% d'aquest que hem pogut reconstruir fins ara. I podem començar a comparar-lo amb els genomes de la gent d'avui dia.
And to begin to answer such questions, my research group -- since over 25 years now -- works on methods to extract DNA from remains of Neanderthals and extinct animals that are tens of thousands of years old. So this involves a lot of technical issues in how you extract the DNA, how you convert it to a form you can sequence. You have to work very carefully to avoid contamination of experiments with DNA from yourself. And this then, in conjunction with these methods that allow very many DNA molecules to be sequenced very rapidly, allowed us last year to present the first version of the Neanderthal genome, so that any one of you can now look on the Internet, on the Neanderthal genome, or at least on the 55 percent of it that we've been able to reconstruct so far. And you can begin to compare it to the genomes of people who live today.
I una pregunta que potser volem fer és: què va passar quan ens vam trobar? Ens vam hibridar o no? I la manera de respondre aquesta pregunta és mirar els Neandertals que vénen del sud d'Europa i comparar-los amb els genomes de la gent d'avui dia. Així doncs, mirem de fer-ho amb parells d'individus començant amb dos africans, observant dos genomes africans, trobant llocs on difereixen un de l'altre, i en cada cas ens preguntem: quin aspecte té el neandertal? Concorda amb un africà o amb l'altre africà? Esperaríem no trobar diferències perquè els Neandertals mai van estar a l'Àfrica. Haurien de ser iguals, no hi ha raó per ésser més propers a un africà que a l'altre. I realment és així. Estadísticament parlant, no hi ha diferència en la freqüència en què els neandertals coincideixen amb un africà o un altre. Però això és diferent si mirem un individu europeu i un africà. Llavors, amb molta més freqüència el neandertal concorda amb l'europeu més que amb l'africà. El mateix és vàlid si comparem un individu xinès amb un africà; el neandertal concordarà més sovint amb l'individu xinès. Això també pot sorprendre perquè els neandertals mai van estar a la Xina.
And one question that you may then want to ask is, what happened when we met? Did we mix or not? And the way to ask that question is to look at the Neanderthal that comes from Southern Europe and compare it to genomes of people who live today. So we then look to do this with pairs of individuals, starting with two Africans, looking at the two African genomes, finding places where they differ from each other, and in each case ask: What is a Neanderthal like? Does it match one African or the other African? We would expect there to be no difference, because Neanderthals were never in Africa. They should be equal, have no reason to be closer to one African than another African. And that's indeed the case. Statistically speaking, there is no difference in how often the Neanderthal matches one African or the other. But this is different if we now look at the European individual and an African. Then, significantly more often, does a Neanderthal match the European rather than the African. The same is true if we look at a Chinese individual versus an African, the Neanderthal will match the Chinese individual more often. This may also be surprising because the Neanderthals were never in China.
El model que hem proposat per explicar-ho és que quan els humans moderns van sortir d'Àfrica fa uns 100.000 anys van trobar els neandertals. És de suposar que va passar per primera vegada al Pròxim Orient on vivien neandertals. Si es van hibridar allà, llavors, aquests humans moderns que serien els ancestres de tots els extra-africans, portarien el component neandertal en el seu genoma a la resta del món. Així, avui la gent que viu fora d'Àfrica té prop de 2,5% del seu ADN dels neandertals.
So the model we've proposed to explain this is that when modern humans came out of Africa sometime after 100,000 years ago, they met Neanderthals. Presumably, they did so first in the Middle East, where there were Neanderthals living. If they then mixed with each other there, then those modern humans that became the ancestors of everyone outside Africa carried with them this Neanderthal component in their genome to the rest of the world. So that today, the people living outside Africa have about two and a half percent of their DNA from Neanderthals.
Així tenint un genoma neandertal a mà com a punt de referència i les tecnologies per veure restes antigues i extreuren l'ADN podem començar a aplicar-les arreu del món. I el primer lloc on vam fer-ho va ser al sud de Sibèria, a les muntanyes d'Altai, en un lloc anomenat Denisova, una cova en aquesta muntanya, en la qual el 2008 els arqueòlegs van trobar un trosset d'os -- Aquesta n'és una còpia- i es van adonar que provenia de l'última falange d'un petit humà. I estava tan ben conservat que es va poder determinar l'ADN d'aquest individu en major grau fins i tot que per als neandertals, en realitat, i es va començar a relacionar-lo amb el genoma neandertal i amb la gent actual. Trobem que aquest individu compartia un origen comú per als seus seqüències d'ADN amb els neandertals de fa prop de 640.000 anys. I més enrere, fa 800.000 anys hi ha un origen comú amb els humans actuals.
So having now a Neanderthal genome on hand as a reference point and having the technologies to look at ancient remains and extract the DNA, we can begin to apply them elsewhere in the world. And the first place we've done that is in Southern Siberia in the Altai Mountains at a place called Denisova, a cave site in this mountain here, where archeologists in 2008 found a tiny little piece of bone -- this is a copy of it -- that they realized came from the last phalanx of a little finger of a pinky of a human. And it was well enough preserved so we could determine the DNA from this individual, even to a greater extent than for the Neanderthals actually, and start relating it to the Neanderthal genome and to people today. And we found that this individual shared a common origin for his DNA sequences with Neanderthals around 640,000 years ago. And further back, 800,000 years ago is there a common origin with present day humans.
Aquest individu ve d'una població que comparteix un origen amb els neandertals però anant cap enrere, tenen una llarga història independent. Anomenem a aquest grup d'humans, que després descrivim per primera vegada a partir d'aquest tros d'os diminut, denisovans, en honor al lloc on se'ls va descriure per primera vegada. Així, ens podem preguntar pels denisovans el mateix que pels neandertals: Es van barrejar amb ancestres de la gent actual? Si ens fem aquesta pregunta i comparem el genoma denisovà amb la gent de tot el món trobem amb sorpresa que no hi ha evidència d'ADN Denisovà ni tan sols en la gent que avui viu prop de Sibèria. Però la trobem a Papua Nova Guinea i en altres illes de Melanèsia i del Pacífic. Això significa, probablement, que els denisovans van estar més dispersos en el passat atès que no creiem que els ancestres dels melanesis hagin estat a Sibèria.
So this individual comes from a population that shares an origin with Neanderthals, but far back and then have a long independent history. We call this group of humans, that we then described for the first time from this tiny, tiny little piece of bone, the Denisovans, after this place where they were first described. So we can then ask for Denisovans the same things as for the Neanderthals: Did they mix with ancestors of present day people? If we ask that question, and compare the Denisovan genome to people around the world, we surprisingly find no evidence of Denisovan DNA in any people living even close to Siberia today. But we do find it in Papua New Guinea and in other islands in Melanesia and the Pacific. So this presumably means that these Denisovans had been more widespread in the past, since we don't think that the ancestors of Melanesians were ever in Siberia.
Així, estudiant aquests genomes d'humans extints estem començant a fer-nos la idea del que succeïr quan els humans moderns van sortir d'Àfrica. A Occident havia neandertals; a Orient havia denisovans ... i potser també altres formes humanes que encara no hem descrit. No coneixem bé les fronteres entre aquesta gent però sabem que al sud de Sibèria hi havia tant neandertals com denisovans, almenys en algun moment del passat. Els humans moderns van sorgir en algun lloc d'Àfrica; van sortir d'Àfrica, probablement cap a Orient Mitjà. Van trobar als neandertals, es van barrejar, van continuar la dispersió pel món i en algun lloc al sud d'Àsia, trobaren els denisovans i es van barrejar i van continuar cap al Pacífic. Després van desaparèixer aquestes formes primerenques d'humans però avui viuen una mica en alguns de nosaltres en aquesta gent que viu fora d'Àfrica que té el 2,5% del seu ADN dels neandertals, i gent de Melanèsia que en realitat té més o menys un 5% addicional dels denisovans.
So from studying these genomes of extinct humans, we're beginning to arrive at a picture of what the world looked like when modern humans started coming out of Africa. In the West, there were Neanderthals; in the East, there were Denisovans -- maybe other forms of humans too that we've not yet described. We don't know quite where the borders between these people were, but we know that in Southern Siberia, there were both Neanderthals and Denisovans at least at some time in the past. Then modern humans emerged somewhere in Africa, came out of Africa, presumably in the Middle East. They meet Neanderthals, mix with them, continue to spread over the world, and somewhere in Southeast Asia, they meet Denisovans and mix with them and continue on out into the Pacific. And then these earlier forms of humans disappear, but they live on a little bit today in some of us -- in that people outside of Africa have two and a half percent of their DNA from Neanderthals, and people in Melanesia actually have an additional five percent approximately from the Denisovans.
Això vol dir que hi ha, després de tot, alguna diferència absoluta entre la gent de fora d'Àfrica i la de dins en què la gent de fora d'Àfrica té aquest component vell en el seu genoma d'aquestes formes extintes d'humans mentre que els africans no? Bé, no crec que sigui així. Probablement, els humans moderns van sorgir en algun lloc d'Àfrica. Es van escampar per Àfrica, és clar, i hi havia formes humanes més velles, més primerenques. I com ens barregem en algun lloc estic bastant segur que un dia quan potser tinguem un genoma d'aquestes formes primerenques d'Àfrica trobarem que també es van barrejar amb humans moderns primerencs a l'Àfrica.
Does this then mean that there is after all some absolute difference between people outside Africa and inside Africa in that people outside Africa have this old component in their genome from these extinct forms of humans, whereas Africans do not? Well I don't think that is the case. Presumably, modern humans emerged somewhere in Africa. They spread across Africa also, of course, and there were older, earlier forms of humans there. And since we mixed elsewhere, I'm pretty sure that one day, when we will perhaps have a genome of also these earlier forms in Africa, we will find that they have also mixed with early modern humans in Africa.
Per resumir: Què hem après en estudiar genomes d'humans actuals i humans extints? Potser aprenem moltes coses però una cosa que trobo important d'esmentar és que crec que la lliçó és que sempre ens hem barrejat. Ens barregem amb aquestes formes primerenques d'humans allà on ens trobem i ens hem barrejat uns amb altres des de llavors.
So to sum up, what have we learned from studying genomes of present day humans and extinct humans? We learn perhaps many things, but one thing that I find sort of important to mention is that I think the lesson is that we have always mixed. We mixed with these earlier forms of humans, wherever we met them, and we mixed with each other ever since.
Gràcies per la seva atenció.
Thank you for your attention.
(Aplaudiments)
(Applause)