TED日本語 - スバンテ・ペーボ: DNAがつなぐ私たちの内なるネアンデルタール人


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TED日本語 - スバンテ・ペーボ: DNAがつなぐ私たちの内なるネアンデルタール人

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DNA clues to our inner neanderthal


Svante Paabo




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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 can not, 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.

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.

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?

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Thank you for your attention.


今日お話したいのは 現代人と絶滅した人種の 遺伝子を研究して 何が分かるかです しかしその前に 既に知っていることを簡単に復習します 人の遺伝材料である遺伝子は 体内のほとんど全ての細胞の染色体中に DNAとして収まっています DNAはご存知のように二重らせん構造をしています そして遺伝情報は A T C G の文字で略される 4つの塩基からなる 配列として記録されます そしてこの情報は二本鎖の双方に 存在します これは重要で 新しい細胞が作られる際に二本鎖が分離し 古い鎖を鋳型として新しい鎖が合成されます この過程は ほぼ完璧です

しかし当然ながら自然界には 完璧なものなどありません 従って時には間違いが起こり 誤った文字が組み込まれます 例えば このような変異の 結果は この部屋にいる皆さんの DNA配列を比較したら分かるでしょう 私と皆さんの遺伝子を比べたなら 約1200~1300文字ごとに1文字の割合で 違いがあることでしょう そしてこの変異は 概ね時間の経過に伴い蓄積するのです 従ってチンパンジーを考慮するとヒトとの違いはさらに大きくなります 約100文字あたり1文字の割合で チンパンジーとは違いがあります

DNAや全ゲノムの 歴史に興味があるなら DNAの違いを調べることで DNAの歴史を再構築できます そしてこの歴史を語る時は 通常 このような系統樹を用います この例は非常に単純です この2人のヒトのDNA配列は ごく最近共通の祖先から分化しました さらに遡るとチンパンジーと祖先を共有します そしてこれらの変異は 概ね時間の経過と共に起こるので 遺伝子の違いを見ることで 年代を推測することができます 典型的に この2人のヒトは 約50万年前に同じ祖先から分化し チンパンジーとは 5百万年前に分化しました

この2~3年で 測定技術が発達し 多くのDNAを非常に短時間で調査可能になりました おかげで今ではわずか数時間で ヒトの全ゲノム配列を解析できるのです 当然ながら私たちは2つのヒトゲノム つまり 母親と父親から一つずつ受け継いでいます 遺伝子の長さは30億文字ほどです 自分の持つ二つのゲノムのうちで その一つを使って他の人との 違いを見ると約3百万個所あります 違いを見ると約3百万個所あります そうなると次に考えたくなるのは このような遺伝上の違いが どのように 世界に分布しているかということです 実際調べてみると まずアフリカではかなり多くの遺伝上の違いが見られます そしてアフリカ以外の地域では 遺伝上の違いはより少ないのです 驚くのも無理はありません アフリカの人口はその他の地域の 1/6 ~ 1/8 だからです にもかかわらずアフリカの人には より多くの遺伝上の違いがあるのです

さらにアフリカ以外の地域で見られる このような遺伝上の違いはほとんどが アフリカ内で見るDNA配列に 極めて共通点があります しかしアフリカ内で見ると 他の地域とは密接な共通性がない 遺伝上の違いが見られます この説明としては アフリカ人の遺伝上の違いの全体ではなく一部が 世界に広がり定着したという説が挙げられます このような遺伝子の違いそして最新の技術から 導き出された知見は次のようなものです つまり現代人は 本質的にはお互いに見分けはつかず アフリカで進化したのはごく最近で 10~20万年前のことです その後 約5~10万年前に アフリカから旅立ち その他の世界に定着したのです

このことから私がしばしば言うのは 遺伝的見地からは 私たちは皆アフリカ人だということです 私たちは今日アフリカの住人か ごく最近旅立った人のいずれかです 現代人類の直近の起源が 示すもう一つの出来事は 遺伝上の違いが 世界中に広く伝播し 多くの地域で 段階的に広がっていったことが 少なくとも鳥瞰的に見ると言えます 多様な遺伝上の違いが存在し しかも段階的に違いが広がったということは ある特定の人のゲノムから DNA配列を解析すれば 祖父母や両親が 頻繁に移動しなかった限り 極めて正確に 出身地を特定できます

しかし果たしてこれは 多くの人が考えるように 例えば異なる大陸間の人の集団の場合 大きな遺伝子的違いがあると言うのでしょうか そのような質問にも答えが分かりつつあります 例えば現在 世界中から集めた1千人分の 遺伝子配列を解析する研究が進んでいます 解析対象にはアフリカの2つの集団から 選ばれたアフリカ人185人がいます これとほぼ同数のヨーロッパと中国の人も 遺伝子配列を解析しました その結果 各個体の配列に どれだけの違いを発見できるか 何文字分が異なるか解明を始めました 違う個所は膨大で3800万個所に上ります

それよりもアフリカ人とその他の人々の間に 決定的な違いがあるか解明できます 大抵の人はおそらく 大きな違いがあると思うでしょう その決定的な違いが 何を意味するかと言うと アフリカ人の遺伝子の特定の位置に 全ての人に100%共通する文字があるのに対し アフリカ外の人では別の文字に置き換わっていることです 実は数百万もの異なる遺伝子配列のなかで そのような位置は一つもありません 驚くべきことです もしかしたら一人の誤差の結果かも知れません そこで条件を少し緩くしましょう すなわちアフリカ人の95%が 一致する文字を持ち 別の個所では95%が 別に一致する文字を持つ配列の 位置の数はいくつでしょうか その答えの数は12です

とても驚くべきことです つまり人種を比較して アフリカ出身の人と ヨーロッパあるいはアジア出身の人を見比べて ゲノムの特定の位置を指して100%の正確性を持って その人の出身地を予想できないのです そしてわずか12ヶ所の位置が 95%の確立で一致すると言えるのです 驚くべきことは 外見から判断すれば これらの人や 祖先がどこの出身か見分けがつくことです つまり 明らかな 外見上の特徴 顔立ち 肌の色 髪質などは 一つの遺伝子だけに大きく左右される訳ではなく 多くの遺伝子の違いが複合して決まるのです そして遺伝子が異なる頻度は 地域により違っているようです

また お互いに容易に気づく 明らかな外見上の特徴で 特筆すべきことは まさに文字通り 体の表面に見受けられることです つい先ほど申し上げたように 顔立ち 髪質 肌の色なのです 他にも多くの異なった特徴が 大陸間では見られ それらは食べ物の消化の方法の違いや 我々の体内に侵入しようとする 微生物に対する免疫の働きの 違いに関係しています しかし言ってみれば このような身体部分はすべて 外部環境に直接触れています 想像がつくのは こういった身体部分は 環境が及ぼす選択肢の影響を受けて 関連する遺伝子の 頻度を変えることです しかし環境に直接さらされない 身体の他の部分 例えば腎臓 肝臓 心臓などは 見る限りでは 出身地は全く分かりません 出身地は全く分かりません

もう一つ興味深いのは ヒトはアフリカの共通の祖先から 分化したと言う見方を取ると それが起こったのは約10万年前のことですが その頃 地球上ではヒトが 唯一の人類ではなかったのです 他の人類も同時に存在したのです おそらく最も有名なのはネアンデルタール人でしょう 左に示したこの人種は 右に示した現代人に比べ 骨格ががっしりしています 数十万年前 西アジアとヨーロッパに 棲んでいました 興味深い疑問は 我々が出会った時どうなったかです ネアンデルタール人はどうしたのでしょう?

この疑問に答えようとして 私の研究チームは25年以上かけて ネアンデルタール人や 数万年前に絶滅した 動物の遺骸から DNAを抽出する方法を研究しています DNAの抽出方法や 配列解析可能な形状に 変換するには様々な技術的問題が伴います 自身のDNAが 試料に混入しないよう 細心の注意が必要です また同時に大量のDNA分子の 配列を超高速に解読する技術のおかげで 昨年私たちはネアンデルタール人の ゲノム配列の第一版を公表しました 誰でもインターネット上で これまで再構築できた約55%の ネアンデルタール人のゲノムを 見ることができます そこでネアンデルタール人と 現代人のゲノムを比較し始められるのです

そこから生まれる疑問は 我々が出会ったとき何が起こったかということです 我々が出会ったとき何が起こったかということです 交配しあったのでしょうか? この疑問に答えるには 西ヨーロッパのネアンデルタール人と 現代人のゲノムとを 比較することです そこで我々は 2人の現代人との間で比較を行うこととし その手始めとして 2人のアフリカ人のゲノムを調べ 互いに異なる点やネアンデルタール人に 類似している点はどこかを調べました ネアンデルタール人はいずれのアフリカ人により近かったでしょうか? ネアンデルタール人はアフリカに棲まなかったので違いはないと予測しました ネアンデルタール人はアフリカに棲まなかったので違いはないと予測しました 彼らは同等で いずれか一方に より近いとは考えられません 結果はまさにそのとおりでした 統計的に見てネアンデルタール人は いずれのアフリカ人にも類似性がありませんでした しかしヨーロッパ人や アジア人を見ると結果は違うのです 明らかに高い頻度でネアンデルタール人は アフリカ人よりもヨーロッパ人に近いのです アフリカ人よりもヨーロッパ人に近いのです 中国人とアフリカ人を比較しても 同様です ネアンデルタール人は中国人により近いのです これもまた驚きです ネアンデルタール人は一度も中国に棲んでいません

これの説明として我々が提唱するのは 約10万年前現代人は アフリカから旅立った後に ネアンデルタール人に出会ったのです 最初はネアンデルタール人が棲んでいた 中東で出会ったと思われます もしそこで交配が起こったなら その現代人がアフリカ以外の人 全ての祖先となり 世界中の子孫に ネアンデルタール人の部分の ゲノムを広げたのです このようにして今日アフリカ以外の人は DNAの約2.5%をネアンデルタール人から 受け継いでいるのです

ネアンデルタール人のゲノムを 比較対照とし 古代人の遺骸を調べて DNAを抽出する 技術を活用して 世界中の人を対象に応用することができます これを我々が初めて行ったのが南シベリアの アルタイ山脈にある デニソワという場所です 2008年に 考古学者が山の洞窟で とても小さな骨のかけらを発見しました これはその複製です これはヒトの小指の骨であることが 考古学者らは気づきました そしてこの骨は保存状態がよかったので 我々はこの人物のDNAを解析することができ 実際ネアンデルタール人より うまく解析することができ このゲノムをネアンデルタール人や 現代人と比較してみました その結果約64万年前 この個体は ネアンデルタール人と共通のDNA配列を持つ 祖先を共有していたことが分かりました さらに80万年前まで遡ると 現代人とも共通の 祖先につながるのです

従ってこの個体の属していた集団は ネアンデルタール人と共通の祖先を持ち それよりはるか以前から独自の歴史があったのです この小さな小さな骨のかけらから 初めてその特徴が調べられた この人類の集団を 初めて発見された場所にちなんで デニソワ人と呼びます デニソワ人についてもネアンデルタール人と 同じ質問ができます 現代人の祖先との間で交配したのだろうか? この問いかけに対して デニソワ人のゲノムを 世界中の人と比較すると 驚くことに 今日のシベリア周辺の人ですら誰も デニソワ人のDNAを持っていないのです しかしパプア・ニューギニアを始めとした メラネシアや太平洋の島々の人は持っているのです おそらく これが意味するのは デニソワ人は以前はより広く分布していたのです メラネシア人の祖先がシベリアに棲んでいたとは 考え難いからです

絶滅した人種の ゲノムを研究することで 現代人がアフリカから外へ旅立ち始めた頃の 世界の様子が分かり始めているのです 西にはネアンデルタール人が棲み 東にはデニソワ人が棲んで おそらく他にも未知の人種が 棲んでいたことでしょう これらの人種の居住地域の境界線はよく分かりませんが 南シベリアには少なくとも過去のある時期 ネアンデルタール人とデニソワ人の 両方が棲んでいたことが分かっています その後アフリカのどこかで現代人が現われ アフリカを出ておそらく中東に行きました そこでネアンデルタール人に出会い交配し 世界中に広がり続け 東南アジアのどこかで デニソワ人と出会い交配し 太平洋へと向かって行ったのです その後これらの古代人は絶滅しましたが 特定の現代人の中で その一部が生き続けているのです アフリカ以外の人のDNAの2.5%は ネアンデルタール人に由来します メラネシアの人はこれに加え 約5%のDNAを デニソワ人から受け継いでいます

これが意味することは アフリカ以外の人とアフリカ人との間に 決定的な違いがあるのでしょうか? つまり アフリカ以外の人は 絶滅した人種のゲノムの一部を 受け継いでいるのに対し アフリカ人は持たないのでしょうか? そのようなことはないと思います おそらく現代人は アフリカのどこかで生まれました そして当然ながらアフリカ中にも広がり そこには古代人もいました そして別の地域でも交配したように アフリカ人から古代人のゲノムを 将来発見した際には 間違いなく アフリカの現代人の祖先もまた その古代人と交配したことが分かるでしょう

最後にまとめると 現代人と絶滅した人種との 比較ゲノム研究から 何が分かったのでしょう おそらく多くのことが分かりましたが 一つ大事な点と思い申し上げるのは 我々は常に交配してきたということです 我々は古代人と出会うたびに交配し 我々は古代人と出会うたびに交配し それ以降は現代人同士で交配を続けているのです



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