The Bronze Age of Eurasia (around 3000–1000 BC) was a period of major cultural changes. However, there is debate about whether these changes resulted from the circulation of ideas or from human migrations, potentially also facilitating the spread of languages and certain phenotypic traits. We investigated this by using new, improved methods to sequence low-coverage genomes from 101 ancient humans from across Eurasia. We show that the Bronze Age was a highly dynamic period involving large-scale population migrations and replacements, responsible for shaping major parts of present-day demographic structure in both Europe and Asia. Our findings are consistent with the hypothesized spread of Indo-European languages during the Early Bronze Age. We also demonstrate that light skin pigmentation in Europeans was already present at high frequency in the Bronze Age, but not lactose tolerance, indicating a more recent onset of positive selection on lactose tolerance than previously thought. An analysis of 101 ancient human genomes from the Bronze Age (3000–1000 bc) reveals large-scale population migrations in Eurasia consistent with the spread of Indo-European languages; individuals frequently had light skin pigmentation but were not lactose tolerant. Was the Bronze Age of a period of major cultural changes because of circulation of ideas or because of large-scale migrations? The authors sequence and analyse low-coverage genomes from 101 ancient humans from across Eurasia to reveal large-scale population migrations and replacements during this time. Analyses indicate that light skin pigmentation was already frequent among Europeans in the Bronze Age but not lactose tolerance, indicating a more recent onset of positive selection on the latter trait than previously believed. The reported findings are also consistent with the spread of Indo-European languages during the Early Bronze Age reported on page 207 of this issue.

Ancient steppes for human equestrians The Eurasian steppes reach from the Ukraine in Europe to Mongolia and China. Over the past 5000 years, these flat grasslands were thought to be the route for the ebb and flow of migrant humans, their horses, and their languages. de Barros Damgaard et al. probed whole-genome sequences from the remains of 74 individuals found across this region. Although there is evidence for migration into Europe from the steppes, the details of human movements are complex and involve independent acquisitions of horse cultures. Furthermore, it appears that the Indo-European Hittite language derived from Anatolia, not the steppes. The steppe people seem not to have penetrated South Asia. Genetic evidence indicates an independent history involving western Eurasian admixture into ancient South Asian peoples. Science , this issue p. eaar7711

Most ancient specimens contain very low levels of endogenous DNA, precluding the shotgun sequencing of many interesting samples because of cost. Ancient DNA (aDNA) libraries often contain <1% endogenous DNA, with the majority of sequencing capacity taken up by environmental DNA. Here we present a capture-based method for enriching the endogenous component of aDNA sequencing libraries. By using biotinylated RNA baits transcribed from genomic DNA libraries, we are able to capture DNA fragments from across the human genome. We demonstrate this method on libraries created from four Iron Age and Bronze Age human teeth from Bulgaria, as well as bone samples from seven Peruvian mummies and a Bronze Age hair sample from Denmark. Prior to capture, shotgun sequencing of these libraries yielded an average of 1.2% of reads mapping to the human genome (including duplicates). After capture, this fraction increased substantially, with up to 59% of reads mapped to human and enrichment ranging from 6- to 159-fold. Furthermore, we maintained coverage of the majority of regions sequenced in the precapture library. Intersection with the 1000 Genomes Project reference panel yielded an average of 50,723 SNPs (range 3,062–147,243) for the postcapture libraries sequenced with 1 million reads, compared with 13,280 SNPs (range 217–73,266) for the precapture libraries, increasing resolution in population genetic analyses. Our whole-genome capture approach makes it less costly to sequence aDNA from specimens containing very low levels of endogenous DNA, enabling the analysis of larger numbers of samples. Most ancient specimens contain very low levels of endogenous DNA, precluding the shotgun sequencing of many interesting samples because of cost. Ancient DNA (aDNA) libraries often contain <1% endogenous DNA, with the majority of sequencing capacity taken up by environmental DNA. Here we present a capture-based method for enriching the endogenous component of aDNA sequencing libraries. By using biotinylated RNA baits transcribed from genomic DNA libraries, we are able to capture DNA fragments from across the human genome. We demonstrate this method on libraries created from four Iron Age and Bronze Age human teeth from Bulgaria, as well as bone samples from seven Peruvian mummies and a Bronze Age hair sample from Denmark. Prior to capture, shotgun sequencing of these libraries yielded an average of 1.2% of reads mapping to the human genome (including duplicates). After capture, this fraction increased substantially, with up to 59% of reads mapped to human and enrichment ranging from 6- to 159-fold. Furthermore, we maintained coverage of the majority of regions sequenced in the precapture library. Intersection with the 1000 Genomes Project reference panel yielded an average of 50,723 SNPs (range 3,062–147,243) for the postcapture libraries sequenced with 1 million reads, compared with 13,280 SNPs (range 217–73,266) for the precapture libraries, increasing resolution in population genetic analyses. Our whole-genome capture approach makes it less costly to sequence aDNA from specimens containing very low levels of endogenous DNA, enabling the analysis of larger numbers of samples.

Complex processes in the settling of the Americas The expansion into the Americas by the ancestors of present day Native Americans has been difficult to tease apart from analyses of present day populations. To understand how humans diverged and spread across North and South America, Moreno-Mayar et al. sequenced 15 ancient human genomes from Alaska to Patagonia. Analysis of the oldest genomes suggests that there was an early split within Beringian populations, giving rise to the Northern and Southern lineages. Because population history cannot be explained by simple models or patterns of dispersal, it seems that people moved out of Beringia and across the continents in a complex manner. Science , this issue p. eaav2621

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.

Abstract Due to postmortem DNA degradation, most ancient genomes sequenced to date have low depth of coverage, preventing the true underlying genotypes from being recovered. Genotype imputation has been put forward to improve genotyping accuracy for low-coverage genomes. However, it is unknown to what extent imputation of ancient genomes produces accurate genotypes and whether imputation introduces bias to downstream analyses. To address these questions, we downsampled 43 ancient genomes, 42 of which are high-coverage (above 10x) and three constitute a trio (mother, father and son), from different times and continents to simulate data with coverage in the range of 0.1x-2.0x and imputed these using state-of-the-art methods and reference panels. We assessed imputation accuracy across ancestries and depths of coverage. We found that ancient and modern DNA imputation accuracies were comparable. We imputed most of the 42 high-coverage genomes downsampled to 1x with low error rates (below 5%) and estimated higher error rates for African genomes, which are underrepresented in the reference panel. We used the ancient trio data to validate imputation and phasing results using an orthogonal approach based on Mendel’s rules of inheritance. This resulted in imputation and switch error rates of 1.9% and 2.0%, respectively, for 1x genomes. We further compared the results of downstream analyses between imputed and high-coverage genomes, notably principal component analysis (PCA), genetic clustering, and runs of homozygosity (ROH). For these three approaches, we observed similar results between imputed and high-coverage genomes using depths of coverage of at least 0.5x, except for African genomes, for which the decreased imputation accuracy impacted ROH estimates. Altogether, these results suggest that, for most populations and depths of coverage as low as 0.5x, imputation is a reliable method with potential to expand and improve ancient DNA studies.

Rapa Nui (also known as Easter Island) is one of the most isolated inhabited places in the world. It has captured the imagination of many owing to its archaeological record, which includes iconic megalithic statues called moai

1. The application of whole genome capture (WGC) methods to ancient DNA (aDNA) promises to increase the efficiency of ancient genome sequencing. 2. We compared the performance of two recently developed WGC methods in enriching human aDNA within Illumina libraries built using both double-stranded (DSL) and single-stranded (SSL) build protocols. Although both methods effectively enriched aDNA, one consistently produced marginally better results, giving us the opportunity to further explore the parameters influencing WGC experiments. 3. Our results suggest that bait length has an important influence on library enrichment. Moreover, we show that WGC biases against the shorter molecules that are enriched in SSL preparation protocols. Therefore application of WGC to such samples is not recommended without future optimization. Lastly, we document the effect of WGC on other features including clonality, GC composition and repetitive DNA content of captured libraries. 4. Our findings provide insights for researchers planning to perform WGC on aDNA, and suggest future tests and optimization to improve WGC efficiency.

Background: As most ancient biological samples have low levels of endogenous DNA, it is advantageous to enrich for specific genomic regions prior to sequencing. One approach - in-solution capture-enrichment - retrieves sequences of interest and reduces the fraction of microbial DNA. In this work, we implement a capture-enrichment approach targeting informative regions of the Y chromosome in six human archaeological remains excavated in the Caribbean and dated between 200 and 3,000 years BP. We compare the recovery rate of Y-chromosome capture (YCC) alone, whole-genome capture followed by YCC (WGC+Y) versus non-enriched (pre-capture) libraries. Results: We recovered 17-4,152 times more targeted unique Y-chromosome sequences after capture, where 0.01-6.2% (WGC+Y) and 0.01-23.5% (YCC) of the sequence reads were on-target, compared to 0.0002-0.004% pre-capture. In samples with endogenous DNA content greater than 0.1%, we found that WGC followed by YCC (WGC+Y) yields lower enrichment due to the loss of complexity in consecutive capture experiments, whereas in samples with lower endogenous content, WGC+Y yielded greater enrichment than YCC alone. Finally, increasing recovery of informative sites enabled us to assign Y-chromosome haplogroups to some of the archeological remains and gain insights about their paternal lineages and origins. Conclusions: We present to our knowledge the first in-solution capture-enrichment method targeting the human Y-chromosome in aDNA sequencing libraries. YCC and WGC+Y enrichments lead to an increase in the amount of Y-DNA sequences, as compared to libraries not enriched for the Y-chromosome. Our probe design effectively recovers regions of the Y-chromosome bearing phylogenetically informative sites, allowing us to identify paternal lineages with less sequencing than needed for pre-capture libraries. Finally, we recommend considering the endogenous content in the experimental design and avoiding consecutive rounds of capture for low-complexity libraries, as clonality increases considerably with each round.

From 1500 to 1900, an estimated 12 million Africans were transported to the Americas as part of the transatlantic slave trade. Following Britain's abolition of slave trade in 1807, the Royal Navy patrolled the Atlantic and intercepted slave ships that continued to operate. During this period, the island of St Helena in the South Atlantic served as a depot for "liberated" Africans. Between 1840 and 1867, approximately 27,000 Africans were disembarked on the island. To investigate their origins, we generated genome-wide ancient DNA data for 20 individuals recovered from St Helena. The genetic data shows they came from West Central Africa, possibly the area of present-day Gabon and Angola. The data implies that they did not belong to a single population, confirming historical reports of cultural heterogeneity in the island's African community. Our results shed new light on the origins of enslaved Africans during the final stages of the slave trade and illustrate how genetic data can be used to complement and validate historical sources.