We present the high-quality genome sequence of a ∼45,000-year-old modern human male from Siberia. This individual derives from a population that lived before—or simultaneously with—the separation of the populations in western and eastern Eurasia and carries a similar amount of Neanderthal ancestry as present-day Eurasians. However, the genomic segments of Neanderthal ancestry are substantially longer than those observed in present-day individuals, indicating that Neanderthal gene flow into the ancestors of this individual occurred 7,000–13,000 years before he lived. We estimate an autosomal mutation rate of 0.4 × 10−9 to 0.6 × 10−9 per site per year, a Y chromosomal mutation rate of 0.7 × 10−9 to 0.9 × 10−9 per site per year based on the additional substitutions that have occurred in present-day non-Africans compared to this genome, and a mitochondrial mutation rate of 1.8 × 10−8 to 3.2 × 10−8 per site per year based on the age of the bone. The high-quality genome sequence of a 45,000-year-old modern human from Siberia reveals that gene flow from Neanderthals into the ancestors of this individual had already occurred about 7,000 to 13,000 years earlier; genomic comparisons show that he belonged to a population that lived close in time to the separation of populations in east and west Eurasia and that may represent an early modern human radiation out of Africa that has no direct descendants today. A modern human fossil femur found in 2008 on the banks of the river Irtysh near Ust'-Ishim in western Siberia was dated at about 45,000 years old. Janet Kelso and colleagues have now sequenced and analysed the genome from this individual — a male who was alive before, or at about the time of, the separation of the populations in western and eastern Eurasia. Analyses reveal a level of Neanderthal ancestry similar to that found in present-day Eurasians. Based on the length of the genomic segments of Neanderthal ancestry, the flow of Neanderthal genes into the ancestors of this individual occurred between 7,000 and 13,000 years before he lived. Previous estimates of the timing of interbreeding between modern humans and Neanderthals range from 37,000 and 86,000 years ago, but this study suggests that it occurred approximately 50,000 to 60,000 years ago, coinciding with the expansion of modern humans into Europe, and possibly Asia.

Calcified dental plaque (dental calculus) preserves for millennia and entraps biomolecules from all domains of life and viruses. We report the first, to our knowledge, high-resolution taxonomic and protein functional characterization of the ancient oral microbiome and demonstrate that the oral cavity has long served as a reservoir for bacteria implicated in both local and systemic disease. We characterize (i) the ancient oral microbiome in a diseased state, (ii) 40 opportunistic pathogens, (iii) ancient human-associated putative antibiotic resistance genes, (iv) a genome reconstruction of the periodontal pathogen Tannerella forsythia, (v) 239 bacterial and 43 human proteins, allowing confirmation of a long-term association between host immune factors, 'red complex' pathogens and periodontal disease, and (vi) DNA sequences matching dietary sources. Directly datable and nearly ubiquitous, dental calculus permits the simultaneous investigation of pathogen activity, host immunity and diet, thereby extending direct investigation of common diseases into the human evolutionary past.

We assembled genome-wide data from 271 ancient Iberians, of whom 176 are from the largely unsampled period after 2000 BCE, thereby providing a high-resolution time transect of the Iberian Peninsula. We document high genetic substructure between northwestern and southeastern hunter-gatherers before the spread of farming. We reveal sporadic contacts between Iberia and North Africa by ~2500 BCE and, by ~2000 BCE, the replacement of 40% of Iberia's ancestry and nearly 100% of its Y-chromosomes by people with Steppe ancestry. We show that, in the Iron Age, Steppe ancestry had spread not only into Indo-European-speaking regions but also into non-Indo-European-speaking ones, and we reveal that present-day Basques are best described as a typical Iron Age population without the admixture events that later affected the rest of Iberia. Additionally, we document how, beginning at least in the Roman period, the ancestry of the peninsula was transformed by gene flow from North Africa and the eastern Mediterranean.

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 Dental calculus preserves oral microbes, enabling comparative studies of the oral microbiome and health through time. However, small sample sizes and limited dental health metadata have hindered health-focused investigations to date. Here we investigate the relationship between tobacco pipe smoking and dental calculus microbiomes. Dental calculus from 75 individuals from the 19th century Middenbeemster skeletal collection (Netherlands) were analyzed by metagenomics. Demographic and dental health parameters were systematically recorded, including the presence/number of pipe notches. Comparative data sets from European populations before and after the introduction of tobacco were also analyzed. Calculus species profiles were compared with oral pathology to examine associations between microbiome community, smoking behavior, and oral health status. The Middenbeemster individuals exhibited relatively poor oral health, with a high prevalence of periodontal disease, caries, heavy calculus deposits, and antemortem tooth loss. No associations between pipe notches and dental pathologies, or microbial species composition, were found. Calculus samples before and after the introduction of tobacco showed highly similar species profiles. Observed inter-individual microbiome differences were consistent with previously described variation in human populations from the Upper Paleolithic to the present. Dental calculus may not preserve microbial indicators of health and disease status as distinctly as dental plaque. Research Highlights No associations between calculus species profiles and oral health metrics were detected in a single large population A minority of individuals have a dental calculus species profile characterized by low levels of Streptococcus and high levels of anaerobic taxa

Abstract Uniparentally-inherited markers on mitochondrial DNA (mtDNA) and the non-recombining regions of the Y chromosome (NRY), have been used for the past 30 years to investigate the history of humans from a maternal and paternal perspective. Researchers have preferred mtDNA due to its abundance in the cells, and comparatively high substitution rate. Conversely, the NRY is less susceptible to back mutations and saturation, and is potentially more informative than mtDNA owing to its longer sequence length. However, due to comparatively poor NRY coverage via shotgun sequencing, and the relatively low and biased representation of Y-chromosome variants on capture arrays such as the 1240K, ancient DNA studies often fail to utilize the unique perspective that the NRY can yield. Here we introduce a new DNA enrichment assay, coined YMCA (Y-mappable capture assay), that targets the “mappable” regions of the NRY. We show that compared to low-coverage shotgun sequencing and 1240K capture, YMCA significantly improves the coverage and number of sites hit on the NRY, increasing the number of Y-haplogroup informative SNPs, and allowing for the identification of previously undiscovered variants. To illustrate the power of YMCA, we show that the analysis of ancient Y-chromosome lineages can help to resolve Y-chromosomal haplogroups. As a case study, we focus on H2, a haplogroup associated with a critical event in European human history: the Neolithic transition. By disentangling the evolutionary history of this haplogroup, we further elucidate the two separate paths by which early farmers expanded from Anatolia and the Near East to western Europe.

Abstract The oral cavity is a heterogeneous environment, varying in factors such as pH, oxygen levels, and salivary flow. These factors affect the microbial community composition and distribution of species in dental plaque, but it is not known how well these patterns are reflected in archaeological dental calculus. In most archaeological studies, a single sample of dental calculus is studied per individual and is assumed to represent the entire oral cavity. However, it is not known if this sampling strategy introduces biases into studies of the ancient oral microbiome. Here, we present the results of a shotgun metagenomic study of a dense sampling of dental calculus from four Chalcolithic individuals from the southeast Iberian peninsula (ca. 4500-5000 BP). Inter-individual differences in microbial composition are found to be much larger than intra-individual differences, indicating that a single sample can indeed represent an individual in most cases. However, there are minor spatial patterns in species distribution within the oral cavity that should be taken into account when designing a study or interpreting results. Finally, we show that plant DNA identified in the samples may be of environmental origin, showing the importance of including environmental controls or several lines of biomolecular evidence.

Malaria-causing protozoa of the genus Plasmodium have exerted one of the strongest selective pressures on the human genome, and resistance alleles provide biomolecular footprints that outline the historical reach of these species

Abstract Southern Africa has one of the longest records of fossil hominins and harbours the largest human genetic diversity in the world. Yet, despite its relevance for human origins and spread around the globe, the formation and processes of its gene pool in the past are still largely unknown. Here, we present a time transect of genome-wide sequences from nine individuals recovered from a single site in South Africa, Oakhurst Rockshelter. Spanning the whole Holocene, the ancient DNA of these individuals allows us to reconstruct the demographic trajectories of the indigenous San population and their ancestors during the last 10,000 years. We show that, in contrast to most regions around the world, the population history of southernmost Africa was not characterized by several waves of migration, replacement and admixture but by long-lasting genetic continuity from the early Holocene to the end of the Later Stone Age. Although the advent of pastoralism and farming substantially transformed the gene pool in most parts of southern Africa after 1,300 bp , we demonstrate using allele-frequency and identity-by-descent segment-based methods that the ‡Khomani San and Karretjiemense from South Africa still show direct signs of relatedness to the Oakhurst hunter-gatherers, a pattern obscured by recent, extensive non-Southern African admixture. Yet, some southern San in South Africa still preserve this ancient, Pleistocene-derived genetic signature, extending the period of genetic continuity until today.

Abstract Cornaux/Les Sauges (Switzerland, Late Iron Age) revealed remnants of a wooden bridge, artifacts, and human and animal skeletal remains. The relationship between the collapsed structure and the skeletal material, whether it indicates a potential accident or cultural practices, remains elusive. We evaluate the most plausible scenario for Cornaux based on osteological, taphonomic, isotopic, and paleogenomic analysis of the recovered individuals. The latter amount to at least 20 individuals, mostly adult males. Perimortem lesions include only blunt force traumas. Radiocarbon data fall between the 3rd and 1st c. BCE, although in some cases predating available dendrochronological estimates from the bridge. Isotopic data highlight five to eight nonlocals. No close genetic relatedness links the analyzed skeletons. Paleogenomic results, the first for Iron Age Switzerland, point to a genetic affinity with other Central and Western European Iron Age groups. The type of skeletal lesions supports an accidental event as the more plausible explanation. Radiocarbon data and the demographic structure of the sample may suggest a sequence of different events possibly including executions and/or sacrifices. Isotopic and paleogenomic data, while not favoring one scenario over the other, do support earlier interpretations of the last centuries BCE in Europe as a dynamic period from a biocultural perspective.