Southern Africa is consistently placed as a potential region for the evolution of Homo sapiens We present genome sequences, up to 13x coverage, from seven ancient individuals from KwaZulu-Natal, South Africa. The remains of three Stone Age hunter-gatherers (about 2000 years old) were genetically similar to current-day southern San groups, and those of four Iron Age farmers (300 to 500 years old) were genetically similar to present-day Bantu-language speakers. We estimate that all modern-day Khoe-San groups have been influenced by 9 to 30% genetic admixture from East Africans/Eurasians. Using traditional and new approaches, we estimate the first modern human population divergence time to between 350,000 and 260,000 years ago. This estimate increases the deepest divergence among modern humans, coinciding with anatomical developments of archaic humans into modern humans, as represented in the local fossil record.

The history of click-speaking Khoe-San, and African populations in general, remains poorly understood. We genotyped ~2.3 million single-nucleotide polymorphisms in 220 southern Africans and found that the Khoe-San diverged from other populations ≥100,000 years ago, but population structure within the Khoe-San dated back to about 35,000 years ago. Genetic variation in various sub-Saharan populations did not localize the origin of modern humans to a single geographic region within Africa; instead, it indicated a history of admixture and stratification. We found evidence of adaptation targeting muscle function and immune response; potential adaptive introgression of protection from ultraviolet light; and selection predating modern human diversification, involving skeletal and neurological development. These new findings illustrate the importance of African genomic diversity in understanding human evolutionary history.

When modern humans left Africa ca. 60,000 years ago (60 kya), they were already infected with Helicobacter pylori, and these bacteria have subsequently diversified in parallel with their human hosts. But how long were humans infected by H. pylori prior to the out-of-Africa event? Did this co-evolution predate the emergence of modern humans, spanning the species divide? To answer these questions, we investigated the diversity of H. pylori in Africa, where both humans and H. pylori originated. Three distinct H. pylori populations are native to Africa: hpNEAfrica in Afro-Asiatic and Nilo-Saharan speakers, hpAfrica1 in Niger-Congo speakers and hpAfrica2 in South Africa. Rather than representing a sustained co-evolution over millions of years, we find that the coalescent for all H. pylori plus its closest relative H. acinonychis dates to 88–116 kya. At that time the phylogeny split into two primary super-lineages, one of which is associated with the former hunter-gatherers in southern Africa known as the San. H. acinonychis, which infects large felines, resulted from a later host jump from the San, 43–56 kya. These dating estimates, together with striking phylogenetic and quantitative human-bacterial similarities show that H. pylori is approximately as old as are anatomically modern humans. They also suggest that H. pylori may have been acquired via a single host jump from an unknown, non-human host. We also find evidence for a second Out of Africa migration in the last 52,000 years, because hpEurope is a hybrid population between hpAsia2 and hpNEAfrica, the latter of which arose in northeast Africa 36–52 kya, after the Out of Africa migrations around 60 kya.

Abstract The expansion of people speaking Bantu languages is the most dramatic demographic event in Late Holocene Africa and fundamentally reshaped the linguistic, cultural and biological landscape of the continent 1–7 . With a comprehensive genomic dataset, including newly generated data of modern-day and ancient DNA from previously unsampled regions in Africa, we contribute insights into this expansion that started 6,000–4,000 years ago in western Africa. We genotyped 1,763 participants, including 1,526 Bantu speakers from 147 populations across 14 African countries, and generated whole-genome sequences from 12 Late Iron Age individuals 8 . We show that genetic diversity amongst Bantu-speaking populations declines with distance from western Africa, with current-day Zambia and the Democratic Republic of Congo as possible crossroads of interaction. Using spatially explicit methods 9 and correlating genetic, linguistic and geographical data, we provide cross-disciplinary support for a serial-founder migration model. We further show that Bantu speakers received significant gene flow from local groups in regions they expanded into. Our genetic dataset provides an exhaustive modern-day African comparative dataset for ancient DNA studies 10 and will be important to a wide range of disciplines from science and humanities, as well as to the medical sector studying human genetic variation and health in African and African-descendant populations.

The Stone Age record of South Africa provides some of the earliest evidence for the biological and cultural origins of Homo sapiens . While there is extensive genomic evidence for the selection of polymorphisms in response to pathogen-pressure in sub-Saharan Africa, there is insufficient evidence for ancient human-pathogen interactions in the region. Here, we analysed shotgun metagenome libraries derived from the sequencing of a Later Stone Age hunter-gatherer child who lived near Ballito Bay, South Africa, c . 2,000 years ago. This resulted in the identification of DNA sequence reads homologous to Rickettsia felis , and the reconstruction of an ancient R. felis genome, the causative agent of typhus-like flea-borne rickettsioses. The concurrent detection of DNA reads derived from Toxoplasma gondii , the causative agent of toxoplasmosis, confirms the pre-Neolithic incidence of these pathogens in southern Africa. We demonstrate that an R. felis and T. gondii co-infection, exacerbated by various additional bacterial and parasitic pathogens, contributed to the ill-health and subsequent demise of the boy from Ballito Bay.

Abstract South Eastern Bantu-speaking (SEB) groups constitute more than 80% of the population in South Africa. Despite clear linguistic and geographic diversity, the genetic differences between these groups have not been systematically investigated. Based on genome-wide data of over 5000 individuals, representing eight major SEB groups, we provide strong evidence for fine-scale population structure that broadly aligns with geographic distribution and is also congruent with linguistic phylogeny (separation of Nguni, Sotho-Tswana and Tsonga speakers). Although differential Khoe-San admixture plays a key role, the structure persists after Khoe-San ancestry-masking. The timing of admixture, levels of sex-biased gene flow and population size dynamics also highlight differences in the demographic histories of individual groups. The comparisons with five Iron Age farmer genomes further support genetic continuity over ∼400 years in certain regions of the country. Simulated trait genome-wide association studies further show that the observed population structure could have major implications for biomedical genomics research in South Africa.

Abstract Human population history in the Holocene was profoundly impacted by changes in lifestyle following the invention and adoption of food-production practices. These changes triggered significant increases in population sizes and expansions over large distances. Here we investigate the population history of the Fulani, a pastoral population extending throughout the African Sahel/Savannah belt. Based on genome-wide analyses we propose that ancestors of the Fulani population experienced admixture between a West African group and a group carrying both European and North African ancestries. This admixture was likely coupled with newly adopted herding practices, as it resulted in signatures of genetic adaptation in contemporary Fulani genomes, including the control element of the LCT gene enabling carriers to digest lactose throughout their lives. The lactase persistence (LP) trait in the Fulani is conferred by the presence of the allele T-13910, which is also present at high frequencies in Europe. We establish that the T-13910 LP allele in Fulani individuals analysed in this study lies on a European haplotype background thus excluding parallel convergent evolution. Our findings further suggest that Eurasian admixture and the European LP allele was introduced into the Fulani through contact with a North African population/s. We furthermore confirm the link between the lactose digestion phenotype in the Fulani to the MCM6/LCT locus by reporting the first Genome Wide Association study (GWAS) of the lactase persistence trait. We also further explored signals of recent adaptation in the Fulani and identified additional candidates for selection to adapt to herding life-styles.

Abstract Lactase persistence (LP) is a well-studied example of a Mendelian trait under selection in some human groups due to gene-culture co-evolution. We investigated the frequencies of genetic variants linked to LP in Sudanese and South Sudanese populations. These populations have diverse subsistence patterns, and some are dependent on milk to various extents, not only from cows, but also from other livestock such as camels and goats. We sequenced a 316bp region involved in regulating the expression of the LCT gene on chromosome 2, which encompasses five polymorphisms that have been associated with LP. Pastoralist populations showed a higher frequency of LP-associated alleles compared to non-pastoralist groups, hinting at positive selection also in northeast African pastoralists. There was no incidence of the East African LP allele (−14010:C) in the Sudanese groups, and only one heterozygote individual for the European LP allele (−13910:T), suggesting limited recent admixture from these geographic regions. Among the LP variants, the −14009:G variant occurs at the highest frequency among the investigated populations, followed by the −13915:G variant, which is likely of Middle Eastern origin, consistent with Middle Eastern gene-flow to the Sudanese populations. The Beja population of the Beni Amer show three different LP-variants at substantial and similar levels, resulting in one of the greatest frequencies of LP-variants among all populations across the world.

Southern Africa is consistently placed as one of the potential regions for the evolution of Homo sapiens. To examine the region's human prehistory prior to the arrival of migrants from East and West Africa or Eurasia in the last 1,700 years, we generated and analyzed genome sequence data from seven ancient individuals from KwaZulu-Natal, South Africa. Three Stone Age hunter-gatherers date to ~2,000 years ago, and we show that they were related to current-day southern San groups such as the Karretjie People. Four Iron Age farmers (300-500 years old) have genetic signatures similar to present day Bantu-speakers. The genome sequence (13x coverage) of a juvenile boy from Ballito Bay, who lived ~2,000 years ago, demonstrates that southern African Stone Age hunter-gatherers were not impacted by recent admixture; however, we estimate that all modern-day Khoekhoe and San groups have been influenced by 9-22% genetic admixture from East African/Eurasian pastoralist groups arriving >1,000 years ago, including the Ju|'hoansi San, previously thought to have very low levels of admixture. Using traditional and new approaches, we estimate the population divergence time between the Ballito Bay boy and other groups to beyond 260,000 years ago. These estimates dramatically increases the deepest divergence amongst modern humans, coincide with the onset of the Middle Stone Age in sub-Saharan Africa, and coincide with anatomical developments of archaic humans into modern humans as represented in the local fossil record. Cumulatively, cross-disciplinary records increasingly point to southern Africa as a potential (not necessarily exclusive) 'hot spot' for the evolution of our species.

The Fulani people, one of the most important pastoralist groups in sub-Saharan Africa, are still largely underrepresented in population genomic research. They speak a Niger-Congo language called Fulfulde or Pulaar and live in scattered locations across the Sahel/Savannah Belt, from the Atlantic Ocean to Lake Chad. According to historical records, their ancestors spread from Futa Toro in the Middle Senegal Valley to Futa-Jallon in Guinea, and then eastward into the Sahel belt over the past 1500 years. However, the earlier history of this traditionally pastoral population has not been well studied. To uncover the genetic structure and ancestry of this widespread population, we gathered genome-wide genotype data from 460 individuals across 18 local Fulani populations, along with comparative data from both modern and ancient worldwide populations. This represents the most geographically wide-scaled genome-wide study of the Fulani to date. We revealed a genetic component closely associated with all local Fulani populations, suggesting a shared ancestral component possibly linked to the beginning of African pastoralism in the Green Sahara. Comparison to ancient DNA results also identified the presence of an ancient Iberomaurusian associated component across all Fulani groups, providing novel insights into their deep genetic history. Additionally, our genetic data indicate a later Fulani expansion from the western to the eastern Sahel, characterized by a clinal pattern and admixture with several other African populations north of the equator.