Abstract Population mixture is an important process in biology. We present a suite of methods for learning about population mixtures, implemented in a software package called ADMIXTOOLS, that support formal tests for whether mixture occurred and make it possible to infer proportions and dates of mixture. We also describe the development of a new single nucleotide polymorphism (SNP) array consisting of 629,433 sites with clearly documented ascertainment that was specifically designed for population genetic analyses and that we genotyped in 934 individuals from 53 diverse populations. To illustrate the methods, we give a number of examples that provide new insights about the history of human admixture. The most striking finding is a clear signal of admixture into northern Europe, with one ancestral population related to present-day Basques and Sardinians and the other related to present-day populations of northeast Asia and the Americas. This likely reflects a history of admixture between Neolithic migrants and the indigenous Mesolithic population of Europe, consistent with recent analyses of ancient bones from Sweden and the sequencing of the genome of the Tyrolean “Iceman.”

Ancient Genomics The Denisovans were archaic humans closely related to Neandertals, whose populations overlapped with the ancestors of modern-day humans. Using a single-stranded library preparation method, Meyer et al. (p. 222 , published online 30 August) provide a detailed analysis of a high-quality Denisovan genome. The genomic sequence provides evidence for very low rates of heterozygosity in the Denisova, probably not because of recent inbreeding, but instead because of a small population size. The genome sequence also illuminates the relationships between humans and archaics, including Neandertals, and establishes a catalog of genetic changes within the human lineage.

We generated genome-wide data from 69 Europeans who lived between 8,000-3,000 years ago by enriching ancient DNA libraries for a target set of almost 400,000 polymorphisms. Enrichment of these positions decreases the sequencing required for genome-wide ancient DNA analysis by a median of around 250-fold, allowing us to study an order of magnitude more individuals than previous studies and to obtain new insights about the past. We show that the populations of Western and Far Eastern Europe followed opposite trajectories between 8,000-5,000 years ago. At the beginning of the Neolithic period in Europe, ∼8,000-7,000 years ago, closely related groups of early farmers appeared in Germany, Hungary and Spain, different from indigenous hunter-gatherers, whereas Russia was inhabited by a distinctive population of hunter-gatherers with high affinity to a ∼24,000-year-old Siberian. By ∼6,000-5,000 years ago, farmers throughout much of Europe had more hunter-gatherer ancestry than their predecessors, but in Russia, the Yamnaya steppe herders of this time were descended not only from the preceding eastern European hunter-gatherers, but also from a population of Near Eastern ancestry. Western and Eastern Europe came into contact ∼4,500 years ago, as the Late Neolithic Corded Ware people from Germany traced ∼75% of their ancestry to the Yamnaya, documenting a massive migration into the heartland of Europe from its eastern periphery. This steppe ancestry persisted in all sampled central Europeans until at least ∼3,000 years ago, and is ubiquitous in present-day Europeans. These results provide support for a steppe origin of at least some of the Indo-European languages of Europe.

Here we report the Simons Genome Diversity Project data set: high quality genomes from 300 individuals from 142 diverse populations. These genomes include at least 5.8 million base pairs that are not present in the human reference genome. Our analysis reveals key features of the landscape of human genome variation, including that the rate of accumulation of mutations has accelerated by about 5% in non-Africans compared to Africans since divergence. We show that the ancestors of some pairs of present-day human populations were substantially separated by 100,000 years ago, well before the archaeologically attested onset of behavioural modernity. We also demonstrate that indigenous Australians, New Guineans and Andamanese do not derive substantial ancestry from an early dispersal of modern humans; instead, their modern human ancestry is consistent with coming from the same source as that of other non-Africans. Deep whole-genome sequencing of 300 individuals from 142 diverse populations provides insights into key population genetic parameters, shows that all modern human ancestry outside of Africa including in Australasians is consistent with descending from a single founding population, and suggests a higher rate of accumulation of mutations in non-Africans compared to Africans since divergence. Three international collaborations reporting in this issue of Nature describe 787 high-quality genomes from individuals from geographically diverse populations. David Reich and colleagues analysed whole-genome sequences of 300 individuals from 142 populations. Their findings include an accelerated estimated rate of accumulation of mutations in non-Africans compared to Africans since divergence, and that indigenous Australians, New Guineans and Andamanese do not derive substantial ancestry from an early dispersal of modern humans but from the same source as that of other non-Africans. Eske Willerlsev and colleagues obtained whole-genome data for 83 Aboriginal Australians and 25 Papuans from the New Guinea Highlands. They estimate that Aboriginal Australians and Papuans diverged from Eurasian populations 51,000–72,000 years ago, following a single out-of-Africa dispersal. Luca Pagani et al. report on a dataset of 483 high-coverage human genomes from 148 populations worldwide, including 379 new genomes from 125 populations. Their analyses support the model by which all non-African populations derive most of their genetic ancestry from a single recent migration out of Africa, although a Papuan contribution suggests a trace of an earlier human expansion.

Ancient DNA makes it possible to observe natural selection directly by analysing samples from populations before, during and after adaptation events. Here we report a genome-wide scan for selection using ancient DNA, capitalizing on the largest ancient DNA data set yet assembled: 230 West Eurasians who lived between 6500 and 300 bc, including 163 with newly reported data. The new samples include, to our knowledge, the first genome-wide ancient DNA from Anatolian Neolithic farmers, whose genetic material we obtained by extracting from petrous bones, and who we show were members of the population that was the source of Europe's first farmers. We also report a transect of the steppe region in Samara between 5600 and 300 bc, which allows us to identify admixture into the steppe from at least two external sources. We detect selection at loci associated with diet, pigmentation and immunity, and two independent episodes of selection on height.

A sequencing study comparing ancient and contemporary genomes reveals that most present-day Europeans derive from at least three highly differentiated populations: west European hunter-gatherers, ancient north Eurasians (related to Upper Palaeolithic Siberians) and early European farmers of mainly Near Eastern origin. By sequencing and comparing the genomes of nine ancient Europeans that bridge the transition to agriculture in Europe between 8,000 and 7,000 years ago, David Reich and colleagues show that most present-day Europeans derive from at least three highly differentiated populations — west European hunter-gatherers, ancient north Eurasians (related to Upper Palaeolithic Siberians) and early European farmers of mainly Near Eastern origin. They further propose that early European farmers had about 44% ancestry from a 'basal Eurasian' population that split before the diversification of other non-African lineages. These results raise interesting new questions, for instance that of where and when the Near Eastern farmers mixed with European hunter-gatherers to produce the early European farmers. We sequenced the genomes of a ∼7,000-year-old farmer from Germany and eight ∼8,000-year-old hunter-gatherers from Luxembourg and Sweden. We analysed these and other ancient genomes1,2,3,4 with 2,345 contemporary humans to show that most present-day Europeans derive from at least three highly differentiated populations: west European hunter-gatherers, who contributed ancestry to all Europeans but not to Near Easterners; ancient north Eurasians related to Upper Palaeolithic Siberians3, who contributed to both Europeans and Near Easterners; and early European farmers, who were mainly of Near Eastern origin but also harboured west European hunter-gatherer related ancestry. We model these populations’ deep relationships and show that early European farmers had ∼44% ancestry from a ‘basal Eurasian’ population that split before the diversification of other non-African lineages.

Improvements in technology have reduced the cost of DNA sequencing to the point that the limiting factor for many experiments is the time and reagent cost of sample preparation. We present an approach in which 192 sequencing libraries can be produced in a single day of technician time at a cost of about $15 per sample. These libraries are effective not only for low-pass whole-genome sequencing, but also for simultaneously enriching them in pools of approximately 100 individually barcoded samples for a subset of the genome without substantial loss in efficiency of target capture. We illustrate the power and effectiveness of this approach on about 2000 samples from a prostate cancer study.

We report genome-wide ancient DNA from 44 ancient Near Easterners ranging in time between ~12,000 and 1,400 bc, from Natufian hunter–gatherers to Bronze Age farmers. We show that the earliest populations of the Near East derived around half their ancestry from a ‘Basal Eurasian’ lineage that had little if any Neanderthal admixture and that separated from other non-African lineages before their separation from each other. The first farmers of the southern Levant (Israel and Jordan) and Zagros Mountains (Iran) were strongly genetically differentiated, and each descended from local hunter–gatherers. By the time of the Bronze Age, these two populations and Anatolian-related farmers had mixed with each other and with the hunter–gatherers of Europe to greatly reduce genetic differentiation. The impact of the Near Eastern farmers extended beyond the Near East: farmers related to those of Anatolia spread westward into Europe; farmers related to those of the Levant spread southward into East Africa; farmers related to those of Iran spread northward into the Eurasian steppe; and people related to both the early farmers of Iran and to the pastoralists of the Eurasian steppe spread eastward into South Asia. Analysis of DNA from ancient individuals of the Near East documents the extreme substructure among the populations which transitioned to farming, a structure that was maintained throughout the transition from hunter–gatherer to farmer but that broke down over the next five thousand years. David Reich and colleagues report the genomic analysis of samples from 44 individuals who lived from around 12,000 to 1,400 BC in Near East regions, including modern Armenia, Turkey, Israel and Jordan. The analyses provide insights into demographics of the human populations that transitioned to farming.

Modern humans arrived in Europe ~45,000 years ago, but little is known about their genetic composition before the start of farming ~8,500 years ago. Here we analyse genome-wide data from 51 Eurasians from ~45,000-7,000 years ago. Over this time, the proportion of Neanderthal DNA decreased from 3-6% to around 2%, consistent with natural selection against Neanderthal variants in modern humans. Whereas there is no evidence of the earliest modern humans in Europe contributing to the genetic composition of present-day Europeans, all individuals between ~37,000 and ~14,000 years ago descended from a single founder population which forms part of the ancestry of present-day Europeans. An ~35,000-year-old individual from northwest Europe represents an early branch of this founder population which was then displaced across a broad region, before reappearing in southwest Europe at the height of the last Ice Age ~19,000 years ago. During the major warming period after ~14,000 years ago, a genetic component related to present-day Near Easterners became widespread in Europe. These results document how population turnover and migration have been recurring themes of European prehistory.

Changing the Code Easily and efficiently expanding the genetic code could provide tools to genome engineers with broad applications in medicine, energy, agriculture, and environmental safety. Lajoie et al. (p. 357 ) replaced all known UAG stop codons with synonymous UAA stop codons in Escherichia coli MG1655, as well as release factor 1 (RF1; terminates translation at UAG), thereby eliminating natural UAG translation function without impairing fitness. This made it possible to reassign UAG as a dedicated codon to genetically encode nonstandard amino acids while avoiding deleterious incorporation at native UAG positions. The engineered E. coli incorporated nonstandard amino acids into its proteins and showed enhanced resistance to bacteriophage T7. In a second paper, Lajoie et al. (p. 361 ) demonstrated the recoding of 13 codons in 42 highly expressed essential genes in E. coli. Codon usage was malleable, but synonymous codons occasionally were nonequivalent in unpredictable ways.