Summary Western Eurasia witnessed several large-scale human migrations during the Holocene 1–5 . To investigate the cross-continental impacts we shotgun-sequenced 317 primarily Mesolithic and Neolithic genomes from across Northern and Western Eurasia. These were imputed alongside published data to obtain diploid genotypes from >1,600 ancient humans. Our analyses revealed a ‘Great Divide’ genomic boundary extending from the Black Sea to the Baltic. Mesolithic hunter-gatherers (HGs) were highly genetically differentiated east and west of this zone, and the impact of the neolithisation was equally disparate. Large-scale ancestry shifts occurred in the west as farming was introduced, including near-total replacements of HGs in many areas, whereas no substantial ancestry shifts happened east of the zone during the same period. Similarly, relatedness decreased in the west from the Neolithic transition onwards, while east of the Urals relatedness remained high until ∼4,000 BP, consistent with persistence of localised HG groups. The boundary dissolved when Yamnaya-related ancestry spread across western Eurasia around 5,000 BP resulting in a second major turnover that reached most parts of Europe within a 1,000-year span. The genetic origin and fate of the Yamnaya have remained elusive but we demonstrate that HGs from the Middle Don region contributed ancestry to them. Yamnaya-groups later admixed with individuals associated with the Globular Amphora Culture before expanding into Europe. Similar turnovers occurred in western Siberia, where we report new genomic data from a ‘Neolithic steppe’ cline spanning the Siberian forest steppe to Lake Baikal. These prehistoric migrations had profound and lasting effects on the genetic diversity of Eurasian populations.

Multiple sclerosis (MS) is a neuro-inflammatory and neurodegenerative disease that is most prevalent in Northern Europe. Although it is known that inherited risk for MS is located within or in close proximity to immune-related genes, it is unknown when, where and how this genetic risk originated1. Here, by using a large ancient genome dataset from the Mesolithic period to the Bronze Age2, along with new Medieval and post-Medieval genomes, we show that the genetic risk for MS rose among pastoralists from the Pontic steppe and was brought into Europe by the Yamnaya-related migration approximately 5,000 years ago. We further show that these MS-associated immunogenetic variants underwent positive selection both within the steppe population and later in Europe, probably driven by pathogenic challenges coinciding with changes in diet, lifestyle and population density. This study highlights the critical importance of the Neolithic period and Bronze Age as determinants of modern immune responses and their subsequent effect on the risk of developing MS in a changing environment.

Summary The Eurasian Holocene (beginning c. 12 thousand years ago) encompassed some of the most significant changes in human evolution, with far-reaching consequences for the dietary, physical and mental health of present-day populations. Using an imputed dataset of >1600 complete ancient genome sequences, and new computational methods for locating selection in time and space, we reconstructed the selection landscape of the transition from hunting and gathering, to farming and pastoralism across West Eurasia. We identify major selection signals related to metabolism, possibly associated with the dietary shift occurring in this period. We show that the selection on loci such as the FADS cluster, associated with fatty acid metabolism, and the lactase persistence locus, began earlier than previously thought. A substantial amount of selection is also found in the HLA region and other loci associated with immunity, possibly due to the increased exposure to pathogens during the Neolithic, which may explain the current high prevalence of auto-immune disease, such as psoriasis, due to genetic trade-offs. By using ancient populations to infer local ancestry tracks in hundreds of thousands of samples from the UK Biobank, we find strong genetic differentiation among ancient Europeans in loci associated with anthropometric traits and susceptibility to several diseases that contribute to present-day disease burden. These were previously thought to be caused by local selection, but in fact can be attributed to differential genetic contributions from various source populations that are ancestral to present-day Europeans. Thus, alleles associated with increased height seem to have increased in frequency following the Yamnaya migration into northwestern Europe around 5,000 years ago. Alleles associated with increased risk of some mood-related phenotypes are overrepresented in the farmer ancestry component entering Europe from Anatolia around 11,000 years ago, while western hunter-gatherers show a strikingly high contribution of alleles conferring risk of traits related to diabetes. Our results paint a picture of the combined contributions of migration and selection in shaping the phenotypic landscape of present-day Europeans that suggests a combination of ancient selection and migration, rather than recent local selection, is the primary driver of present-day phenotypic differences in Europe.

Abstract The Viking maritime expansion from Scandinavia (Denmark, Norway, and Sweden) marks one of the swiftest and most far-flung cultural transformations in global history. During this time (c. 750 to 1050 CE), the Vikings reached most of western Eurasia, Greenland, and North America, and left a cultural legacy that persists till today. To understand the genetic structure and influence of the Viking expansion, we sequenced the genomes of 442 ancient humans from across Europe and Greenland ranging from the Bronze Age (c. 2400 BC) to the early Modern period (c. 1600 CE), with particular emphasis on the Viking Age. We find that the period preceding the Viking Age was accompanied by foreign gene flow into Scandinavia from the south and east: spreading from Denmark and eastern Sweden to the rest of Scandinavia. Despite the close linguistic similarities of modern Scandinavian languages, we observe genetic structure within Scandinavia, suggesting that regional population differences were already present 1,000 years ago. We find evidence for a majority of Danish Viking presence in England, Swedish Viking presence in the Baltic, and Norwegian Viking presence in Ireland, Iceland, and Greenland. Additionally, we see substantial foreign European ancestry entering Scandinavia during the Viking Age. We also find that several of the members of the only archaeologically well-attested Viking expedition were close family members. By comparing Viking Scandinavian genomes with present-day Scandinavian genomes, we find that pigmentation-associated loci have undergone strong population differentiation during the last millennia. Finally, we are able to trace the allele frequency dynamics of positively selected loci with unprecedented detail, including the lactase persistence allele and various alleles associated with the immune response. We conclude that the Viking diaspora was characterized by substantial foreign engagement: distinct Viking populations influenced the genomic makeup of different regions of Europe, while Scandinavia also experienced increased contact with the rest of the continent.

SUMMARY Multiple sclerosis (MS) is a modern neuro-inflammatory and -degenerative disease, which is most prevalent in Northern Europe. Whilst it is known that inherited risk to MS is located within or within close proximity to immune genes, it is unknown when, where and how this genetic risk originated 1 . By using the largest ancient genome dataset from the Stone Age 2 , along with new Medieval and post-Medieval genomes, we show that many of the genetic risk variants for MS rose to higher frequency among pastoralists located on the Pontic Steppe, and were brought into Europe by the Yamnaya-related migration approximately 5,000 years ago. We further show that these MS-associated immunogenetic variants underwent positive selection both within the Steppe population, and later in Europe, likely driven by pathogenic challenges coinciding with dietary, lifestyle, and population density changes. This study highlights the critical importance of this period as a determinant of modern immune responses and its subsequent impact on the risk of developing MS in a changing environment.

Abstract Recent improvements in the analysis of ancient biomolecules from human remains and associated dental calculus have provided new insights into the prehistoric diet and past genetic diversity of our species. Here we present a “multi-omics” study, integrating genomic and proteomic analyses of two post-Last Glacial Maximum (LGM) individuals from San Teodoro cave (Italy), to reconstruct their lifestyle and the post-LGM resettlement of Europe. Our analyses show genetic homogeneity in Sicily during the Palaeolithic, representing a hitherto unknown Italian genetic lineage within the previously identified “Villabruna cluster”. We argue that this lineage took refuge in Italy during the LGM, followed by a subsequent spread to central-western Europe. Multi-omics analysis of dental calculus showed a diet rich of animal proteins which is also reflected on the oral microbiome composition. Our results demonstrate the power of using a multi-omics approach in the study of prehistoric human populations.

Summary Infectious diseases have had devastating impacts on human populations throughout history. Still, the origins and past dynamics of human pathogens remain poorly understood 1 . To create the first spatiotemporal map of diverse ancient human microorganisms and parasites, we screened shotgun sequencing data from 1,313 ancient human remains covering 35,000 years of Eurasian history for ancient DNA deriving from bacteria, viruses, and parasites. We demonstrate the widespread presence of ancient microbial DNA in human remains, identifying over 2,400 individual species hits in 896 samples. We report a wide range of pathogens detected for the first time in ancient human remains, including the food-borne pathogens Yersinia enterocolitica and Shigella spp., the animal-borne Leptospira interrogans , and the malaria-causing parasite Plasmodium vivax . Our findings extend the spatiotemporal range of previously described ancient pathogens such as Yersinia pestis , the causative agent of plague, Hepatitis B virus , and Borrelia recurrentis , the cause of louse-borne relapsing fever (LBRF). For LRBF we increase the known distribution from a single medieval genome to 31 cases across Eurasia covering 5,000 years. Grouping the ancient microbial species according to their type of transmission (zoonotic, anthroponotic, sapronotic, opportunistic, and other), we find that most categories are identified throughout the entire sample period, while zoonotic pathogens, which are transmitted from living animals to humans or which have made a host jump into humans from animals in the timeframe of this study, are only detected from ∼6,500 years ago. The incidence of zoonotic pathogens increased in our samples some 1,000 years later before reaching the highest detection rates ∼5,000 years ago, and was associated with a human genetic ancestry component characteristic of pastoralist populations from the Eurasian Steppe. Our results provide the first direct evidence for an epidemiological transition to an increased burden of zoonotic infectious diseases following the domestication of animals 2 . However, they also reveal that the spread of these pathogens first becomes frequent thousands of years after increased animal-human contact, likely coinciding with the pastoralist migrations from the Eurasian Steppe 3,4 . This study provides the first spatiotemporal map of past human pathogens using genomic paleoepidemiology, and the first direct evidence for an epidemiological transition of increased zoonotic infectious disease burden after the onset of agriculture, through historical times.

Summary Germanic-speaking populations historically form an integral component of the North and Northwest European cultural configuration. According to linguistic consensus, the common ancestor of the Germanic languages, which include German, English, Frisian, Dutch as well as the Nordic languages, was spoken in Northern Europe during the Pre-Roman Iron Age. However, important questions remain concerning the earlier Bronze Age distribution of this Indo-European language branch in Scandinavia as well as the driving factors behind its Late Iron Age diversification and expansion across the European continent. A key difficulty in addressing these questions are the existence of striking differences in the interpretation of the archaeological record, leading to various hypotheses of correlations with linguistic dispersals and changes in material culture. Moreover, these interpretations have been difficult to assess using genomics due to limited ancient genomes and the difficulty in differentiating closely related populations. Here we integrate multidisciplinary evidence from population genomics, historical sources, archaeology and linguistics to offer a fully revised model for the origins and spread of Germanic languages and for the formation of the genomic ancestry of Germanic-speaking northern European populations, while acknowledging that coordinating archaeology, linguistics and genetics is complex and potentially controversial. We sequenced 710 ancient human genomes from western Eurasia and analysed them together with 3,940 published genomes suitable for imputing diploid genotypes. We find evidence of a previously unknown, large-scale Bronze Age migration within Scandinavia, originating in the east and becoming widespread to the west and south, thus providing a new potential driving factor for the expansion of the Germanic speech community. This East Scandinavian genetic cluster is first seen 800 years after the arrival of the Corded Ware Culture, the first Steppe-related population to emerge in Northern Europe, opening a new scenario implying a Late rather than an Middle Neolithic arrival of the Germanic language group in Scandinavia. Moreover, the non-local Hunter-Gatherer ancestry of this East Scandinavian cluster is indicative of a cross-Baltic maritime rather than a southern Scandinavian land-based entry. Later in the Iron Age around 1700 BP, we find a southward push of admixed Eastern and Southern Scandinavians into areas including Germany and the Netherlands, previously associated with Celtic speakers, mixing with local populations from the Eastern North Sea coast. During the Migration Period (1575-1200 BP), we find evidence of this structured, admixed Southern Scandinavian population representing the Western Germanic Anglo-Saxon migrations into Britain and Langobards into southern Europe. During the Migration Period, we detect a previously unknown northward migration back into Southern Scandinavia, partly replacing earlier inhabitants and forming the North Germanic-speaking Viking-Age populations of Denmark and southern Sweden, corresponding with historically attested Danes. However, the origin and character of these major changes in Scandinavia before the Viking Age remain contested. In contrast to these Western and Northern Germanic-speaking populations, we find the Wielbark population from Poland to be primarily of Eastern Scandinavian ancestry, supporting a Swedish origin for East Germanic groups. In contrast, the later cultural descendants, the Ostrogoths and Visigoths are predominantly of Southern European ancestry implying the adoption of Gothic culture. Together, these results highlight the use of archaeology, linguistics and genetics as distinct but complementary lines of evidence.

In the past decade, ancient protein sequences have emerged as a valuable source of data for deep-time phylogenetic inference. Still, the recovery of protein sequences providing novel phylogenetic insights does not exceed 3.7 Ma (Pliocene). Here, we push this boundary back to 21-24 Ma (early Miocene), by retrieving enamel protein sequences of an early-diverging rhinocerotid ( Epiaceratherium sp. - CMNF-59632) from the Canadian High Arctic. We recover partial sequences of seven enamel proteins (AHSG, ALB, AMBN, AMELX, AMTN, ENAM, MMP20) and over 1000 peptide-spectrum matches, spanning over at least 251 amino acids. Authentic endogeneity of these sequences is supported by indicators of protein damage, including several spontaneous and irreversible post-translational modifications accumulated during prolonged diagenesis and reaching near-complete occupancy at many sites. Bayesian tip-dating, across 15 extant and extinct perissodactyl taxa, places the divergence time of CMNF-59632 in the middle Eocene-Oligocene, and identifies a later divergence time for Elasmotheriinae in the Oligocene. The finding weakens alternative models suggesting a deep basal split between Elasmotheriinae and Rhinocerotinae. This divergence time of CMNF-59632 coincides with a phase of high diversification of rhinocerotids, and supports a Eurasian origin of this clade in the late Eocene or Oligocene. The findings are consistent with previous hypotheses on the origin of the enigmatic fauna of the Haughton crater, which, in spite of their considerable degree of endemism, also display similarity to distant Eurasian faunas. Our findings demonstrate the potential of palaeoproteomics in obtaining phylogenetic information from a specimen that is ten times older than any sample from which endogenous DNA has been obtained.