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.
Hoy quiero contarles qué podemos aprender del estudio del genoma de personas vivas y de humanos extintos. Pero antes de eso quiero recordarles brevemente algo que ya saben: que nuestros genomas, nuestro material genético, está almacenado en células del cuerpo, en los cromosomas, en forma de ADN que es la famosa molécula de doble hélice. La información genética está contenida en forma de secuencia de 4 bases abreviadas con las letras A, T, C y G. La información está dos veces: una en cada cadena; algo importante ya que cuando se forman nuevas células estas cadenas se separan y se sintetizan nuevas cadenas a partir de las viejas en un proceso casi perfecto.
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.
Pero, claro, en la Naturaleza nada es totalmente perfecto así que a veces se comete un error y se incorpora una letra errónea. Y podemos ver el resultado de tales mutaciones al comparar secuencias de ADN entre los presentes en la sala, por ejemplo. Si comparamos mi genoma con el de Uds veremos unas 1.200 ó 1.300 letras de diferencia entre nosotros. Y estas mutaciones se acumulan más o menos, sí, en función del tiempo. Así, si agregamos un chimpancé veremos más diferencias. Más o menos una de cada 100 letras va a diferir de las del chimpancé.
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.
Y si a uno le interesa la historia de un fragmento de ADN, o de todo el genoma, se puede reconstruir la historia del ADN con esas diferencias observadas. Por lo general representamos las ideas de esta historia con árboles como éste. En este caso es muy simple. Las dos secuencias de ADN humano se remontan a un ancestro común hace poco tiempo. Más atrás hay uno compartido con los chimpancés. Y debido a que estas mutaciones ocurren más o menos en función del tiempo uno puede transformar estas diferencias para estimar el tiempo en que estos dos humanos, en general, compartían un ancestro común hace medio millón de años y, con los chimpancés, está en el orden de los 5 millones de años.
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.
Lo sucedido en los últimos años es que aparecieron tecnologías que permiten ver muchos, muchos fragmentos de ADN muy rápidamente. Por eso ahora podemos, en cuestión de horas, determinar todo un genoma humano. Todos tenemos, claro, dos genomas humanos: uno de nuestras madres y uno de nuestros padres. Tienen una longitud de unas 3.000 millones de letras. Y descubriremos que mis dos genomas, o un genoma mío que queremos usar, tendrá unas tres millones de diferencias, en ese orden. Y luego también uno puede empezar a describir la distribución de estas diferencias genéticas en el mundo. Y al hacerlo uno halla una cierta variación genética en África. Y si miramos fuera de África encontramos menos variación genética. Esto es sorprendente, por supuesto, porque hay de 6 a 8 veces menos gente que vive dentro que fuera de África. Sin embargo, las personas de África tienen más variación genética.
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.
Además, casi todas estas variantes genéticas que vemos fuera de África tienen secuencias de ADN más estrechamente relacionadas que las de África entre sí. Pero si vemos en África hay una componente de variación genética que no tiene parientes cercanos fuera. El modelo que explica esto dice que una parte de la variación africana, pero no toda, salió a colonizar el resto del mundo. Y junto a estos métodos para datar las diferencias genéticas esto ha llevado a la idea de que los humanos modernos, humanos que en esencia son indistinguibles de Uds y de mí, evolucionaron en África hace muy poco; hace entre 100 y 200 mil años. Y luego, hace entre 100.000 y 50.000 años, salimos de África para colonizar el resto del mundo.
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.
Por eso a menudo me gusta decir que, desde un punto de vista genómico, todos somos africanos. Hoy o bien vivimos dentro de África o en un exilio muy reciente. Otra consecuencia de este origen reciente de los humanos modernos es que las variantes genéticas por lo general se distribuyen ampliamente en el mundo en muchos lugares y tienden a variar como gradientes por lo menos vistas a vuelo de pájaro. Y dado que hay muchas variantes genéticas y tienen diferentes gradientes, esto significa que si determinamos una secuencia de ADN, un genoma individual, podemos estimar con bastante precisión de dónde viene una persona dado que sus padres o abuelos no se han movido demasiado.
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.
Pero, ¿significa esto, como mucha gente suele pensar, que hay grandes diferencias genéticas entre grupos de personas entre continentes, por ejemplo? Bueno, podemos empezar a hacernos estas preguntas. Hay, por ejemplo, un proyecto en curso para hacer la secuencia de 1.000 individuos, sus genomas, de diferentes partes del mundo. Se han secuenciado 185 africanos de dos poblaciones de África. Se han secuenciado también cantidades similares en Europa y China. Y podemos empezar a contar las variaciones que encontramos, cuántas letras varían, en al menos una de estas secuencias individuales. Y es mucho: 38 millones de posiciones variables.
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.
Pero podemos preguntarnos: ¿hay diferencias absolutas entre africanos y no africanos? Quizá la mayoría de nosotros piensa que hay una gran diferencia. Y por diferencia absoluta quiero decir una diferencia que la gente de África tenga en una posición en la que todos los individuos, el 100%, tenga una letra y todos fuera de África tengan otra letra. Y la respuesta a eso entre esos millones de diferencias es que no hay una sola de tales posiciones. Esto puede ser sorprendente. Tal vez un individuo esté mal clasificado. Por eso podemos relajar el criterio un poco y decir: ¿cuántas posiciones encontramos en las que el 95% de la gente de África tenga una variante y el 95% tenga otra variante, y ese número es 12.
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.
Esto es muy sorprendente. Eso significa que al mirar a la gente y ver una persona de África y una de Europa o Asia no podemos, por una sola posición en el genoma con una precisión del 100%, predecir su carga genética. Y sólo para 12 posiciones podemos esperar estar un 95% seguros. Esto puede sorprender porque podemos, por supuesto, mirar a esta gente y decir muy fácilmente de dónde vienen ellos o sus ancestros. Ahora bien, esto significa que esos rasgos que luego miramos y vemos tan fácilmente... rasgos faciales, color de piel, estructura del cabello... no están determinados por genes simples de gran efecto sino por muchas variantes genéticas diferentes que parecen variar en frecuencia entre diferentes partes del mundo.
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.
Hay otra cosa respecto de estos rasgos que observamos muy fácilmente unos a otros que creo es digno de mención y es que, en sentido muy literal, están realmente a nivel superficial. Son, como acabamos de decir, rasgos faciales, estructura del cabello, color de piel. También hay una serie de características como esas que varían entre continentes que tienen que ver con metabolizar los alimentos que ingerimos o con la forma de tratar los microbios del sistema inmunológico que tratan de invadir nuestros cuerpos. Pero esas son todas las partes del cuerpo en las que interactuamos en forma directa con el entorno en confrontación directa, si se quiere. Es fácil imaginar cómo en particular esas partes del cuerpo se vieron rápidamente influidas por la selección del entorno y desplazaron las frecuencias de genes involucradas en ellas. Pero si miramos en otras partes del cuerpo en las que no interactuamos directamente con el entorno -riñones, hígados, corazones- no hay manera de decir con sólo mirar estos órganos de qué lugar del mundo vienen.
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?
Hay otra cosa interesante que viene de esta toma de conciencia de que los humanos tienen un origen común reciente en África y que cuando surgieron esos humanos hace unos 100.000 años no estaban solos en el planeta. Rondaban otras formas de seres humanos; quizá los más famosos eran los neandertales, estas formas humanas robustas de la izquierda comparadas con los esqueletos modernos de la derecha que existieron en el oeste de Asia y en Europa desde hace cientos de miles de años. Así que una pregunta interesante es: ¿qué sucedió cuando nos conocimos? ¿Qué les sucedió a los neandertales?
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.
Y para empezar a responder estas preguntas mi grupo de investigación -desde hace más de 25 años- trabaja en métodos de extracción de ADN en restos de neandertales y animales extintos que tienen decenas de miles de años. Así que esto implica un montón de cuestiones técnicas sobre la forma de extraer el ADN, de cómo convertirlo en algo que pueda secuenciarse. Hay que trabajar con mucho cuidado para evitar la contaminación de los experimentos con el ADN de uno mismo. Y esto luego, junto con estos métodos que permiten secuenciar muchas moléculas de ADN muy rápidamente, nos permitió el año pasado presentar la primera versión del genoma del neandertal de modo que todos puedan ver en Internet el genoma del neandertal o al menos el 55% del mismo que hemos podido reconstruir hasta ahora. Y se lo puede empezar a comparar con los genomas de la gente de hoy.
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.
Y una pregunta que pueden querer hacer es ¿qué sucedió cuando nos conocimos? ¿Nos mezclamos o no? Y la manera de hacer esa pregunta es mirar el neandertal que viene del sur de Europa y compararlo con los genomas de la gente de hoy en día. Así, luego buscamos hacer esto con pares de individuos empezando con dos africanos, observando dos genomas africanos, encontrando lugares donde difieren uno del otro, y en cada caso nos preguntarnos: ¿qué aspecto tiene el neandertal? ¿Concuerda con un africano o con el otro africano? Esperaríamos no hallar diferencias porque los neandertales nunca estuvieron en África. Deberían ser iguales, no hay razón para que estén más cerca de un africano que de otro. Y realmente es así. Estadísticamente hablando, no hay diferencia en la frecuencia en que los neandertales coinciden con un africano u otro. Pero esto es diferente si ahora miramos un individuo europeo y un africano. Entonces, con mucha más frecuencia el neandertal concuerda con el europeo antes que con el africano. Lo mismo es válido si comparamos un individuo chino con un africano; el neandertal concordará más a menudo con el individuo chino. Esto también puede sorprender porque los neandertales nunca estuvieron en China.
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.
Por eso el modelo que propusimos para explicar esto es que cuando los humanos modernos salieron de África hace unos 100.000 años conocieron a los neandertales. Es de suponer que ocurrió por primera vez en Medio Oriente donde vivían neandertales. Si se mezclaron unos con otros allí luego esos humanos modernos que se tornaron ancestros de todos fuera de África llevaron consigo el componente neandertal en su genoma al resto del mundo. Así, hoy la gente que vive fuera de África tiene cerca de 2,5% de su ADN de los neandertales.
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.
Al tener hoy un genoma neandertal a mano como punto de referencia y las tecnologías para ver restos antiguos y extraer el ADN podemos empezar a aplicarlo en todas partes del mundo. Y el primer lugar en el que lo hicimos fue en el sur de Siberia, en las montañas de Altai, en un lugar llamado Denisova, una cueva en esta montaña de aquí en la que los arqueólogos en 2008 hallaron un trocito de hueso -esta es una copia- y se dieron cuenta que provenía de la última falange de un meñique humano. Y estaba tan bien conservado que se pudo determinar el ADN de este individuo en mayor grado incluso que para los neandertales, en realidad, y se empezó a relacionarlo con el genoma neandertal y con la gente de hoy. Hallamos que este individuo compartía un origen común para sus secuencias de ADN con los neandertales de hace cerca de 640.000 años. Y más atrás, hace 800.000 años hay un origen común con los humanos actuales.
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.
Este individuo viene de una población que comparte un origen con los neandertales pero yendo hacia atrás, tienen una larga historia independiente. Llamamos a este grupo de humanos, que luego describimos por primera vez a partir de este trozo de hueso diminuto, denisovans en honor al lugar donde se los describió por primera vez. Luego podemos preguntarnos de los denisovans lo mismo que preguntamos de los neandertales: ¿se mezclaron con ancestros de la gente actual? Si nos hacemos esa pregunta y comparamos el genoma del denisovan con la gente de todo el mundo encontramos con sorpresa que no hay evidencia de ADN denisovan ni siquiera en la gente que hoy vive cerca de Siberia. Pero la encontramos en Papúa Nueva Guinea y en otras islas de Melanesia y del Pacífico. Esto significa, probablemente, que estos denisovans estuvieron más dispersos en el pasado dado que no creemos que los ancestros de los melanesios hayan estado en Siberia.
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.
Así, estudiando estos genomas de humanos extintos estamos empezando a llegar a la foto de lo que sucedía cuando los humanos modernos salieron de África. En Occidente había neandertales; en Oriente había denisovans... y quizá también otras formas humanas que todavía no describimos. No conocemos bien las fronteras entre estas gentes pero sabemos que en el sur de Siberia había tanto neandertales como denisovans, al menos en algún momento del pasado. Los humanos modernos surgieron en algún lugar de África; salieron de África, probablemente hacia Medio Oriente. Conocieron a los neandertales, se mezclaron, continuaron esparciéndose por el mundo y en algún lugar al sur de Asia conocieron a los denisovans y se mezclaron y continuaron hacia el Pacífico. Luego desaparecieron estas formas tempranas de humanos pero hoy viven un poco en algunos de nosotros en esa gente que vive fuera de África que tiene el 2,5% de su ADN de los neandertales y gente de Melanesia que en realidad tiene más o menos un 5% adicional de los denisovans.
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.
¿Significa esto que existe después de todo alguna diferencia absoluta entre la gente de fuera de África y la de dentro en que la gente de fuera de África tiene este componente viejo en su genoma de estas formas extintas de humanos mientras que los africanos no? Bueno, no creo que sea así. Probablemente, los humanos modernos surgieron en algún lugar de África. Se esparcieron por África, claro, y había allí formas humanas más viejas, más tempranas. Y como nos mezclamos en algún lado estoy bastante seguro que un día cuando quizá tengamos un genoma de estas formas tempranas de África vamos a encontrar que también se mezclaron con humanos modernos tempranos en África.
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.
Para resumir: ¿qué hemos aprendido al estudiar genomas de humanos actuales y humanos extintos? Quizá aprendemos muchas cosas pero una cosa que encuentro importante de mencionar es que creo que la lección es que siempre nos hemos mezclado. Nos mezclamos con estas formas tempranas de humanos dondequiera que nos encontramos y nos hemos mezclado unos con otros desde entonces.
Thank you for your attention.
Gracias por su atención.
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(Aplausos)