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."

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.

Ancient human movements through Asia Ancient DNA has allowed us to begin tracing the history of human movements across the globe. Narasimhan et al. identify a complex pattern of human migrations and admixture events in South and Central Asia by performing genetic analysis of more than 500 people who lived over the past 8000 years (see the Perspective by Schaefer and Shapiro). They establish key phases in the population prehistory of Eurasia, including the spread of farming peoples from the Near East, with movements both westward and eastward. The people known as the Yamnaya in the Bronze Age also moved both westward and eastward from a focal area located north of the Black Sea. The overall patterns of genetic clines reflect similar and parallel patterns in South Asia and Europe. Science , this issue p. eaat7487 ; see also p. 981

The complete genome sequences of an indigenous hunter-gatherer from Namibia's Kalahari Desert and of a Bantu from South Africa are presented in this issue, together with protein-coding regions from three other hunter-gatherer groups from the Kalahari. Analysis of genetic variance in what is probably the oldest known modern human lineage will contribute to understanding human diversity, and facilitate the inclusion of southern Africans in medical genomics research projects. Initial observations from the data include the fact that the Bushmen seem more different from each other, in terms of nucleotide substitutions, than typical Asians and Europeans. More speculatively, variants between these genomes and the existing data sets may point to genetic adaptations for an agricultural lifestyle. Until now, fully sequenced human genomes of the indigenous hunter-gatherer peoples of southern Africa have been limited to recently diverged populations. The complete genome sequences of an indigenous hunter-gatherer from the Kalahari Desert and of a Bantu from southern Africa are now presented. The extent of whole-genome and exome diversity is characterized; the observed genomic differences may help to pinpoint genetic adaptations to an agricultural lifestyle. The genetic structure of the indigenous hunter-gatherer peoples of southern Africa, the oldest known lineage of modern human, is important for understanding human diversity. Studies based on mitochondrial1 and small sets of nuclear markers2 have shown that these hunter-gatherers, known as Khoisan, San, or Bushmen, are genetically divergent from other humans1,3. However, until now, fully sequenced human genomes have been limited to recently diverged populations4,5,6,7,8. Here we present the complete genome sequences of an indigenous hunter-gatherer from the Kalahari Desert and a Bantu from southern Africa, as well as protein-coding regions from an additional three hunter-gatherers from disparate regions of the Kalahari. We characterize the extent of whole-genome and exome diversity among the five men, reporting 1.3 million novel DNA differences genome-wide, including 13,146 novel amino acid variants. In terms of nucleotide substitutions, the Bushmen seem to be, on average, more different from each other than, for example, a European and an Asian. Observed genomic differences between the hunter-gatherers and others may help to pinpoint genetic adaptations to an agricultural lifestyle. Adding the described variants to current databases will facilitate inclusion of southern Africans in medical research efforts, particularly when family and medical histories can be correlated with genome-wide data.

Abstract Long-range migrations and the resulting admixtures between populations have been important forces shaping human genetic diversity. Most existing methods for detecting and reconstructing historical admixture events are based on allele frequency divergences or patterns of ancestry segments in chromosomes of admixed individuals. An emerging new approach harnesses the exponential decay of admixture-induced linkage disequilibrium (LD) as a function of genetic distance. Here, we comprehensively develop LD-based inference into a versatile tool for investigating admixture. We present a new weighted LD statistic that can be used to infer mixture proportions as well as dates with fewer constraints on reference populations than previous methods. We define an LD-based three-population test for admixture and identify scenarios in which it can detect admixture events that previous formal tests cannot. We further show that we can uncover phylogenetic relationships among populations by comparing weighted LD curves obtained using a suite of references. Finally, we describe several improvements to the computation and fitting of weighted LD curves that greatly increase the robustness and speed of the calculations. We implement all of these advances in a software package, ALDER, which we validate in simulations and apply to test for admixture among all populations from the Human Genome Diversity Project (HGDP), highlighting insights into the admixture history of Central African Pygmies, Sardinians, and Japanese.

Most Indian groups descend from a mixture of two genetically divergent populations: Ancestral North Indians (ANI) related to Central Asians, Middle Easterners, Caucasians, and Europeans; and Ancestral South Indians (ASI) not closely related to groups outside the subcontinent. The date of mixture is unknown but has implications for understanding Indian history. We report genome-wide data from 73 groups from the Indian subcontinent and analyze linkage disequilibrium to estimate ANI-ASI mixture dates ranging from about 1,900 to 4,200 years ago. In a subset of groups, 100% of the mixture is consistent with having occurred during this period. These results show that India experienced a demographic transformation several thousand years ago, from a region in which major population mixture was common to one in which mixture even between closely related groups became rare because of a shift to endogamy.

Previous genetic studies have suggested a history of sub-Saharan African gene flow into some West Eurasian populations after the initial dispersal out of Africa that occurred at least 45,000 years ago. However, there has been no accurate characterization of the proportion of mixture, or of its date. We analyze genome-wide polymorphism data from about 40 West Eurasian groups to show that almost all Southern Europeans have inherited 1%-3% African ancestry with an average mixture date of around 55 generations ago, consistent with North African gene flow at the end of the Roman Empire and subsequent Arab migrations. Levantine groups harbor 4%-15% African ancestry with an average mixture date of about 32 generations ago, consistent with close political, economic, and cultural links with Egypt in the late middle ages. We also detect 3%-5% sub-Saharan African ancestry in all eight of the diverse Jewish populations that we analyzed. For the Jewish admixture, we obtain an average estimated date of about 72 generations. This may reflect descent of these groups from a common ancestral population that already had some African ancestry prior to the Jewish Diasporas.

Austronesian languages are spread across half the globe, from Easter Island to Madagascar. Evidence from linguistics and archaeology indicates that the ‘Austronesian expansion,’ which began 4,000–5,000 years ago, likely had roots in Taiwan, but the ancestry of present-day Austronesian-speaking populations remains controversial. Here, we analyse genome-wide data from 56 populations using new methods for tracing ancestral gene flow, focusing primarily on Island Southeast Asia. We show that all sampled Austronesian groups harbour ancestry that is more closely related to aboriginal Taiwanese than to any present-day mainland population. Surprisingly, western Island Southeast Asian populations have also inherited ancestry from a source nested within the variation of present-day populations speaking Austro-Asiatic languages, which have historically been nearly exclusive to the mainland. Thus, either there was once a substantial Austro-Asiatic presence in Island Southeast Asia, or Austronesian speakers migrated to and through the mainland, admixing there before continuing to western Indonesia. Populations speaking Austronesian languages are numerous and widespread, but their history remains controversial. Here, the authors analyse genetic data from Southeast Asia and show that all populations harbour ancestry most closely related to aboriginal Taiwanese, while some also contain a component closest to Austro-Asiatic speakers.

The textbook view that most germline mutations in mammals arise from replication errors is indirectly supported by the fact that there are both more mutations and more cell divisions in the male than in the female germline. When analyzing large de novo mutation datasets in humans, we find multiple lines of evidence that call that view into question. Notably, despite the drastic increase in the ratio of male to female germ cell divisions after the onset of spermatogenesis, even young fathers contribute three times more mutations than young mothers, and this ratio barely increases with parental age. This surprising finding points to a substantial contribution of damage-induced mutations. Indeed, C-to-G transversions and CpG transitions, which together constitute over one-fourth of all base substitution mutations, show genomic distributions and sex-specific age dependencies indicative of double-strand break repair and methylation-associated damage, respectively. Moreover, we find evidence that maternal age at conception influences the mutation rate both because of the accumulation of damage in oocytes and potentially through an influence on the number of postzygotic mutations in the embryo. These findings reveal underappreciated roles of DNA damage and maternal age in the genesis of human germline mutations.