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.

ABSTRACT Ancient DNA (aDNA) sequencing has enabled unprecedented reconstruction of speciation, migration, and admixture events for extinct taxa 1 . Outside the permafrost, however, irreversible aDNA post-mortem degradation 2 has so far limited aDNA recovery within the ˜0.5 million years (Ma) time range 3 . Tandem mass spectrometry (MS)-based collagen type I (COL1) sequencing provides direct access to older biomolecular information 4 , though with limited phylogenetic use. In the absence of molecular evidence, the speciation of several Early and Middle Pleistocene extinct species remain contentious. In this study, we address the phylogenetic relationships of the Eurasian Pleistocene Rhinocerotidae 5-7 using ˜1.77 million years (Ma) old dental enamel proteome sequences of a Stephanorhinus specimen from the Dmanisi archaeological site in Georgia (South Caucasus) 8 . Molecular phylogenetic analyses place the Dmanisi Stephanorhinus as a sister group to the woolly ( Coelodonta antiquitatis ) and Merck’s rhinoceros ( S. kirchbergensis ) clade. We show that Coelodonta evolved from an early Stephanorhinus lineage and that this genus includes at least two distinct evolutionary lines. As such, the genus Stephanorhinus is currently paraphyletic and its systematic revision is therefore needed. We demonstrate that Early Pleistocene dental enamel proteome sequencing overcomes the limits of ancient collagen- and aDNA-based phylogenetic inference, and also provides additional information about the sex and taxonomic assignment of the specimens analysed. Dental enamel, the hardest tissue in vertebrates, is highly abundant in the fossil record. Our findings reveal that palaeoproteomic investigation of this material can push biomolecular investigation further back into the Early Pleistocene.

Abstract The origins of viral pathogens and the age of their association with humans remains largely elusive. To date, there is no direct evidence about the diversity of viral infections in early modern humans pre-dating the Holocene. We recovered two near-complete genomes (5.2X and 0.7X) of human adenovirus C (HAdV-C), as well as low-coverage genomes from four distinct species of human herpesvirus obtained from two 31,630-year-old milk teeth excavated at Yana, in northeastern Siberia. Phylogenetic analysis of the two HAdV-C genomes suggests an evolutionary origin around 700,000 years ago consistent with a common evolutionary history with hominin hosts. Our findings push back the earliest direct molecular evidence for human viral infections by ∼25,000 years, and demonstrate that viral species causing common childhood viral infections today have been in circulation in humans at least since the Pleistocene.

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.

ABSTRACT Far northeastern Siberia has been occupied by humans for more than 40 thousand years. Yet, owing to a scarcity of early archaeological sites and human remains, its population history and relationship to ancient and modern populations across Eurasia and the Americas are poorly understood. Here, we analyze 34 ancient genome sequences, including two from fragmented milk teeth found at the ~31.6 thousand-year-old (kya) Yana RHS site, the earliest and northernmost Pleistocene human remains found. These genomes reveal complex patterns of past population admixture and replacement events throughout northeastern Siberia, with evidence for at least three large-scale human migrations into the region. The first inhabitants, a previously unknown population of “Ancient North Siberians” (ANS), represented by Yana RHS, diverged ~38 kya from Western Eurasians, soon after the latter split from East Asians. Between 20 and 11 kya, the ANS population was largely replaced by peoples with ancestry related to present-day East Asians, giving rise to ancestral Native Americans and “Ancient Paleosiberians” (AP), represented by a 9.8 kya skeleton from Kolyma River. AP are closely related to the Siberian ancestors of Native Americans, and ancestral to contemporary communities such as Koryaks and Itelmen. Paleoclimatic modelling shows evidence for a refuge during the last glacial maximum (LGM) in southeastern Beringia, suggesting Beringia as a possible location for the admixture forming both ancestral Native Americans and AP. Between 11 and 4 kya, AP were in turn largely replaced by another group of peoples with ancestry from East Asia, the “Neosiberians” from which many contemporary Siberians derive. We detect gene flow events in both directions across the Bering Strait during this time, influencing the genetic composition of Inuit, as well as Na Dene-speaking Northern Native Americans, whose Siberian-related ancestry components is closely related to AP. Our analyses reveal that the population history of northeastern Siberia was highly dynamic throughout the Late Pleistocene and Holocene. The pattern observed in northeastern Siberia, with earlier, once widespread populations being replaced by distinct peoples, seems to have taken place across northern Eurasia, as far west as Scandinavia.

Abstract: FADS genes encode fatty acid desaturases that are important for the conversion of short chain polyunsaturated fatty acids (PUFAs) to long chain fatty acids. Prior studies indicate that the FADS genes have been subjected to strong positive selection in Africa, South Asia, Greenland, and Europe. By comparing FADS sequencing data from present-day and Bronze Age (5-3k years ago) Europeans, we identify possible targets of selection in the European population, which suggest that selection has targeted different alleles in the FADS genes in Europe than it has in South Asia or Greenland. The alleles showing the strongest changes in allele frequency since the Bronze Age show associations with expression changes and multiple lipid-related phenotypes. Furthermore, the selected alleles are associated with a decrease in linoleic acid and an increase in arachidonic and eicosapentaenoic acids among Europeans; this is an opposite effect of that observed for selected alleles in Inuit from Greenland. We show that multiple SNPs in the region affect expression levels and PUFA synthesis. Additionally, we find evidence for a gene-environment interaction influencing low-density lipoprotein (LDL) levels between alleles affecting PUFA synthesis and PUFA dietary intake: carriers of the selected, derived allele have diminished increases in LDL cholesterol with a higher intake of PUFAs. We hypothesize that the selective patterns observed in Europeans were driven by a change in dietary composition of fatty acids following the transition to agriculture, resulting in a lower intake of arachidonic acid and eicosapentaenoic acid, but a higher intake of linoleic acid and α-linolenic acid.

Poor DNA preservation is the most limiting factor in ancient genomic research. In the vast majority of ancient bones and teeth, endogenous DNA molecules only represent a minor fraction of the whole DNA extract, rendering traditional shot-gun sequencing approaches cost-ineffective for whole-genome characterization. Based on ancient human bone samples from temperate and tropical environments, we show that an initial EDTA-based enzymatic 'pre-digestion' of powdered bone increases the proportion of endogenous DNA several fold. By performing the pre-digestion step between 30 min and 6 hours on five bones, we identify the optimal pre-digestion time and document an average increase of 2.7 times in the endogenous DNA fraction after 1 hour of pre-digestion. With longer pre-digestion times, the increase is asymptotic while molecular complexity decreases. We repeated the experiment with n=21 and t=15-30', and document a significant increase in endogenous DNA content (one-sided paired t-test: p=0.009). We advocate the implementation of a short pre-digestion step as a standard procedure in ancient DNA extractions from bone material. Finally, we demonstrate on 14 ancient teeth that crushed cementum of the roots contains up to 14 times more endogenous DNA than the dentine. Our presented methodological guidelines considerably advance the ability to characterize ancient genomes.

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.

Anatomical modern humans reached East Asia by >40,000 years ago (kya). However, key questions still remain elusive with regard to the route(s) and the number of wave(s) in the dispersal into East Eurasia. Ancient genomes at the edge of East Eurasia may shed light on the detail picture of peopling to East Eurasia. Here, we analyze the whole-genome sequence of a 2.5 kya individual (IK002) characterized with a typical Jomon culture that started in the Japanese archipelago >16 kya. The phylogenetic analyses support multiple waves of migration, with IK002 forming a lineage basal to the rest of the ancient/present-day East Eurasians examined, likely to represent some of the earliest-wave migrants who went north toward East Asia from Southeast Asia. Furthermore, IK002 has the extra genetic affinity with the indigenous Taiwan aborigines, which may support a coastal route of the Jomon-ancestry migration from Southeast Asia to the Japanese archipelago. This study highlight the power of ancient genomics with the isolated population to provide new insights into complex history in East Eurasia.

Bell Beaker pottery spread across western and central Europe beginning around 2750 BCE before disappearing between 2200-1800 BCE. The mechanism of its expansion is a topic of long-standing debate, with support for both cultural diffusion and human migration. We present new genome-wide ancient DNA data from 170 Neolithic, Copper Age and Bronze Age Europeans, including 100 Beaker-associated individuals. In contrast to the Corded Ware Complex, which has previously been identified as arriving in central Europe following migration from the east, we observe limited genetic affinity between Iberian and central European Beaker Complex-associated individuals, and thus exclude migration as a significant mechanism of spread between these two regions. However, human migration did have an important role in the further dissemination of the Beaker Complex, which we document most clearly in Britain using data from 80 newly reported individuals dating to 3900-1200 BCE. British Neolithic farmers were genetically similar to contemporary populations in continental Europe and in particular to Neolithic Iberians, suggesting that a portion of the farmer ancestry in Britain came from the Mediterranean rather than the Danubian route of farming expansion. Beginning with the Beaker period, and continuing through the Bronze Age, all British individuals harboured high proportions of Steppe ancestry and were genetically closely related to Beaker-associated individuals from the Lower Rhine area. We use these observations to show that the spread of the Beaker Complex to Britain was mediated by migration from the continent that replaced >90% of Britain's Neolithic gene pool within a few hundred years, continuing the process that brought Steppe ancestry into central and northern Europe 400 years earlier.