Chci vám vyprávět o tom, co můžeme zjistit studiem genomů žijících lidí a vyhynulých druhů člověka. Ale ještě předtím stručně připomenu, co již znáte: náš genom, náš genetický materiál je uložen téměř ve všech buňkách našeho těla v chromozómech ve formě DNA, což je ta slavná dvojitá šroubovice. Genetická informace je obsažena ve formě sekvence čtyř bází, označovaných zkratkami A, T, C a G. Informace je zde dvakrát jedna na každém řetězci, což je důležité, protože při tvorbě nových buněk se řetězce rozdělí a ze starých řetězců, které slouží jako vzor, se syntetizují nové v téměř dokonalém procesu.
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.
Samozřejmě v přírodě není nic úplně dokonalé, takže občas dojde k chybě a zabudování chybného písmene. Výsledek takových mutací vidíme, když porovnáme sekvence DNA například zde mezi námi. Pokud porovnáme můj genom s vaším, přibližně každých 1200, 1300 písmen se bude lišit. Tyto mutace narůstají v závislosti na čase. Pokud bychom zahrnuli šimpanze, uvidíme více rozdílů. Přibližně jedno písmeno ze sta se u šimpanze bude lišit.
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.
Pokud se zajímáte o historii kousku DNA nebo celého genomu, můžete rekonstruovat historii DNA pomocí nalezených rozdílů. Obecně zobrazujeme naše názory na tuto historii ve formě stromů jako je tento. V tomto případě je velmi jednoduchý. Dvě lidské sekvence DNA sdílejí společného, zcela nedávného předka. Ještě dříve je zde jeden sdílený se šimpanzi. Jelikož se tyto mutace odehrávají zhruba v závislosti na čase, lze tyto rozdíly převést na odhad času, kdy dva lidé sdílejí společného předka před půl miliónem let a se šimpanzi to bude v řádu 5 miliónů let.
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.
V několika posledních letech máme k dispozici technologie, které nám umožňují velmi rychle přečíst mnoho úseků DNA. Takže nyní můžeme v řádu hodin přečíst celý lidský genom. Samozřejmě, každý z nás nese dva lidské genomy - jeden od matky a druhý od otce. Každý je 3 miliardy písmen dlouhý. A vidíme, že tyto mé dva genomy, nebo jeden z nich, který použijeme, bude mít asi 3 miliony rozdílů, asi tak nějak. A potom se také můžete začít ptát: „Jak jsou tyto genetické rozdíly rozšířeny po celém světě?“ Pokud to uděláte, objevíte jistý počet genetických odchylek v Africe. Když se podíváte mimo Afriku, objevíte méně genetických odchylek. To je samozřejmě překvapivé, protože v Africe žije řádově 6krát až 8krát méně lidí než mimo Afriku. Přesto lidé v Africe mají více genetických rozdílů.
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.
Navíc téměř všechny tyto genetické varianty, které vidíme mimo Afriku, mají úzce spřízněné sekvence DNA, které nalézáme v Africe. Ale v Africe jsou komponenty genetických odchylek, které nemají žádné blízké příbuzné mimo ni. Takže to vysvětluje model, že část afrických odchylek, ale ne všechny, odešly a kolonizovaly zbytek světa. Společně s metodami datování těchto genetických odchylek to vedlo k myšlence, že moderní lidé - lidé v podstatě nerozeznatelní od vás a od mě, se vyvinuli v Africe, docela nedávno, asi před 100 až 200 tisíci lety. A později, v období před 100 až 50 tisíci lety, z Afriky odešli a osídlili zbytek světa.
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.
Takže často rád říkám, že z pohledu genomu jsme všichni Afričané. Žijeme nyní buď v Africe, nebo jsme nedlouho v exilu. Jiný důsledek tohoto nedávného původu moderních lidí je, že genetické varianty jsou obecně rozšířeny po celém světě, na mnoha místech a mají tendenci odlišovat se postupně. alespoň z ptačí perspektivy. A jelikož existuje mnoho genetických odchylek s nejrůznějšími gradienty, znamená to, že když určíme sekvenci DNA - genom z jednoho jedince - můžeme docela přesně odhadnout, odkud ten člověk pochází, za předpokladu, že jeho rodiče či prarodiče příliš necestovali.
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.
Ale znamená to pak, jak se mnoho lidí domnívá, že mezi skupinami lidí jsou obrovské genetické rozdíly -- na různých kontinentech, například? Také si můžeme položit tyto otázky. Například probíhá projekt sekvencování tisíce jedinců - jejich genomů - z různých částí světa. Přečetli sekvence 185 Afričanů ze dvou afrických populací. Přečetli sekvence přibližně stejného počtu lidí z Evropy a Číny. A můžeme začít určovat, kolik odchylek nalézáme, kolik písmen se liší alespoň v jedné z těchto individuálních sekvencí. A je to hodně: 38 miliónů proměnných pozic.
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.
Pak se můžeme zeptat: jsou nějaké absolutní rozdíly mezi Afričany a ostatními? Snad existuje největší rozdíl, který si představí většina z nás. Absolutním rozdílem - míním tím rozdíl, kdy lidé z Afriky mají na jisté pozici, všichni, tedy 100 % jedinců -- mají jedno písmeno, a všichni mimo Afriku mají jiné písmeno. Odpovědí je, že mezi těmi milióny odchylek není ani jedna taková pozice. To je možná překvapivé. Možná je nějaký jedinec chybně určen nebo tak. Takže to kritérium poněkud zmírníme a zeptáme se: Kolik pozic nalezneme, kdy 95 % lidí v Africe má jednu variantu a 95 % jinou variantu, a ten počet je 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.
To je velmi překvapivé. Znamená to, že když se podíváme na lidi a vidíme člověka z Afriky a člověka z Evropy nebo Asie, nemůžeme u jednotlivé pozice genomu se 100 % přesností předpovědět, co ten člověk nese. A jen u 12 pozic můžeme doufat v 95 % přesnost. To je možná překvapivé, protože se samozřejmě můžeme podívat na tyto lidi a docela snadno určit, odkud oni nebo jejich předkové pocházejí. To tedy znamená, že tyto rysy, na které se díváme a okamžitě rozeznáme - rysy obličeje, barva kůže, struktura vlasů - nejsou určeny jediným genem silného účinku, ale jsou určeny mnoha různými genetickými variantami, které se v četnosti odlišují v různých částech světa.
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.
Na těchto rysech, které na sobě navzájem snadno rozeznáme, stojí myslím za povšimnutí, že jsou, ve velmi doslovném významu, na povrchu našeho těla. Jak jsme právě řekli, jsou to - obličejové rysy, struktura vlasů, barva kůže. Je také několik takových rysů, které se liší mezi kontinenty a týkají se metabolizování přijímané potravy nebo se mohou týkat toho, jak si náš imunitní systém poradí s mikroby napadajícími naše tělo. Ale to jsou všechno naše tělesné části, které jsou v přímém vztahu s naším prostředím, v přímé konfrontaci, abych tak řekl. Snadno si představíme, jak obzvláště tyto části těla byly rychle ovlivněny selekcí z prostředí a změnily četnost genů, které se jich týkají. Ale při pohledu na jiné části těla, které nemají přímý vztah s prostředím - naše ledviny, játra, srdce - není možné určit pouhým pohledem na tyto orgány, ze které části světa pocházejí.
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.
Další zajímavý závěr vychází z uvědomění, že lidé mají nedávný společný původ v Africe, tedy že když se tito lidé objevili asi před 100 tisíci lety, nebyli na planetě sami. Byly zde i jiné druhy lidí, snad nejznámější jsou neandertálci, robustní druhy lidí, srovnejte zde nalevo s kostrou moderního člověka napravo - kteří existovali v západní Asii a Evropě již několik set tisíc let. Takže vyvstává zajímavá otázka, co se stalo, když jsme se potkali? Co se s neandertálci stalo?
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?
Abychom mohli odpovídat na takové otázky, má výzkumná skupina již 25 let pracuje na metodách extrakce DNA z ostatků neandertálců a vyhynulých zvířat starých desítky tisíc let. Je s tím spojeno mnoho technických problémů jak extrahovat DNA, jak ji konvertovat do formy vhodné k sekvencování. Vyžaduje to pečlivou práci, abychom se vyhnuli kontaminaci experimentů naší vlastní DNA. Když jsme zapojili i metody, které umožňují velmi rychlé sekvencování mnoha DNA molekul, mohli jsme minulý rok představit první verzi neandertálského genomu, a kdokoli z vás se může podívat na internet na neandertálský genom, alespoň na těch 55 %, které se nám doposud podařilo rekonstruovat. A můžete ho porovnat s genomy současných lidí.
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.
A pak si možná položíte otázku: co se stalo, když jsme se potkali? Křížili jsme se nebo ne? Tuto otázku zodpovíme pohledem na neandertálce z jižní Evropy a porovnáme ho s genomem současných lidí. Takže to uděláme s dvojicemi jedinců, začneme s dvěma Afričany, podíváme se na dva africké genomy, hledáme místa, kde se od sebe liší, a v každém případě se ptáme: jak je to u neandertálce? Shoduje se s jedním nebo druhým Afričanem? Očekávali bychom, že rozdíl nenajdeme, protože neandertálci v Africe nikdy nežili. Měli by být rovnocenní, není důvod, aby měli k nějakému Afričanovi blíže než k druhému. A opravdu je to tak. Řečí statistiky není rozdíl v tom, jak často se neandertálec shoduje s jedním nebo druhým Afričanem. Ale je rozdíl, pokud se podíváme na jedince z Evropy a Afriky. Pak se významně častěji neandertálec shoduje s Evropanem spíše než s Afričanem. To samé platí, pokud porovnáváme jedince z Číny s Afričanem, neandertálec se s čínským jedincem shoduje častěji. To je možná také překvapivé, protože neandertálci nikdy v Číně nebyli.
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.
Takže navrhujeme model, který vysvětluje, že když moderní lidé odešli z Afriky zhruba před 100 tisíci lety, setkali se s neandertálci. Předpokládáme, že k tomu došlo nejprve na Středním Východě, kde neandertálci žili. Pokud se navzájem křížili tam, pak tito moderní lidé, kteří se stali předky všech lidí mimo Afriku, roznesli tuto neandertálskou složku ve svém genomu do celého světa. Takže nyní mají lidé žijící mimo Afriku asi 2,5 % své DNA od neandertálců.
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.
Takže když použijeme neandertálský genom pro srovnání a nasadíme technologie zkoumání pravěkých ostatků a extrahujeme DNA, můžeme je použít kdekoli ve světě. Nejprve jsme to provedli na jižní Sibiři v pohoří Altaj, v místě jménem Denisova, zde v této horské jeskyni, kde archeologové v roce 2008 našli malinký kousek kosti -- zde mám její kopii -- a uvědomili si, že se jedná o poslední článek lidského malíčku. Byl docela dobře zachovalý a mohli jsme přečíst DNA tohoto jedince, dokonce lépe než u neandertálců, a začali jsme ji porovnávat s neandertálským genomem a se současnými lidmi. Zjistili jsme, že tento jedinec sdílel společný původ své DNA sekvence s neandertálci asi před 640 tisíci lety. A ještě dříve, před 800 tisíci lety, je společný původ se současnými lidmi.
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.
Takže tento jedinec pochází z populace, která sdílí původ s neandertálci, původ hodně dávný, po kterém následovala dlouhá nezávislá historie. Tuto skupinu lidí, kterou jsme poprvé určili z tohoto malinkatého kousku kosti, jsme nazvali denisované, podle místa, kde byli poprvé popsáni. Takže se denisovanů můžeme ptát na stejné věci jako neandertálců: křížili se s předky současných lidí? Pokud si položíme tuto otázku a porovnáme genom denisovanů s lidmi celého světa, překvapivě nenalezneme žádné důkazy denisovanské DNA u žádných lidí, kteří nyní žijí poblíž Sibiře. Ale nalezneme je na Papui-Nové Guinei a na dalších ostrovech Melanésie a v Pacifiku. Takže to asi znamená, že tito denisované byli v minulosti mnohem hojnější, protože si nemyslíme, že by předkové Melanésanů byli někdy na Sibiři.
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.
Takže studiem genomů vyhynulých druhů člověka začínáme chápat, jak svět vypadal v době, kdy moderní lidé začali opouštět Afriku. Na západě byli neandertálci, na východě denisované -- a možná ještě další formy, které jsme dosud neurčili. Nejsme si zcela jisti, kde byla hranice mezi těmito lidmi, ale víme, že na jižní Sibiři byli jak neandertálci, tak denisované, alespoň po nějakou dobu v minulosti. Pak se někde v Africe objevili moderní lidé a odešli z Afriky zřejmě na Střední východ. Potkali neandertálce, zkřížili se s nimi a šířili se dále po světě. Někde v jihovýchodní Asii potkali denisovany, zkřížili se s nimi a pokračovali směrem k Tichému oceánu. Pak tyto dřívější formy lidí mizí, ale tak trochu žijí dokonce i nyní v některých z nás -- tedy lidé mimo Afriku mají 2,5 % své DNA od neandertálců a lidé v Melanésii mají navíc dalších 5 % od denisovanů.
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.
Znamená to tedy, že je opravdu nějaký absolutní rozdíl mezi lidmi mimo Afriku a lidmi z Afriky, tedy že lidé mimo Afriku mají ve svém genomu starou součást od těchto vyhynulých lidských forem, zatímco Afričané nikoli? Myslím, že to tak není. Podle všeho se moderní lidé objevili někde v Africe. Rozšířili se samozřejmě také v celé Africe, kde byly také starší, původnější formy lidí. Jelikož jsme se křížili úplně všude, jsem si jistý, že až jednoho dne budeme mít genom také těchto dřívějších forem, zjistíme, že se také křížili s prvními moderními lidmi v Africe.
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.
Závěrem, co jsme zjistili studiem genomů současných lidí a vyhynulých druhů člověka? Dozvídáme se mnoho věcí, ale považuji za důležité zmínit poznatek, že jsme se vždy křížili. Křížili jsme se s těmito pravěkými druhy člověka kdekoli jsme je potkali, a křížíme se navzájem až doposud.
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.
Děkuji vám za pozornost.
Thank you for your attention.
(Potlesk)
(Applause)