Abstract The Great Hungarian Plain was a crossroads of cultural transformations that have shaped European prehistory. Here we analyse a 5,000-year transect of human genomes, sampled from petrous bones giving consistently excellent endogenous DNA yields, from 13 Hungarian Neolithic, Copper, Bronze and Iron Age burials including two to high (~22 × ) and seven to ~1 × coverage, to investigate the impact of these on Europe’s genetic landscape. These data suggest genomic shifts with the advent of the Neolithic, Bronze and Iron Ages, with interleaved periods of genome stability. The earliest Neolithic context genome shows a European hunter-gatherer genetic signature and a restricted ancestral population size, suggesting direct contact between cultures after the arrival of the first farmers into Europe. The latest, Iron Age, sample reveals an eastern genomic influence concordant with introduced Steppe burial rites. We observe transition towards lighter pigmentation and surprisingly, no Neolithic presence of lactase persistence.

The invention and development of next or second generation sequencing methods has resulted in a dramatic transformation of ancient DNA research and allowed shotgun sequencing of entire genomes from fossil specimens. However, although there are exceptions, most fossil specimens contain only low (~ 1% or less) percentages of endogenous DNA. The only skeletal element for which a systematically higher endogenous DNA content compared to other skeletal elements has been shown is the petrous part of the temporal bone. In this study we investigate whether (a) different parts of the petrous bone of archaeological human specimens give different percentages of endogenous DNA yields, (b) there are significant differences in average DNA read lengths, damage patterns and total DNA concentration, and (c) it is possible to obtain endogenous ancient DNA from petrous bones from hot environments. We carried out intra-petrous comparisons for ten petrous bones from specimens from Holocene archaeological contexts across Eurasia dated between 10,000-1,800 calibrated years before present (cal. BP). We obtained shotgun DNA sequences from three distinct areas within the petrous: a spongy part of trabecular bone (part A), the dense part of cortical bone encircling the osseous inner ear, or otic capsule (part B), and the dense part within the otic capsule (part C). Our results confirm that dense bone parts of the petrous bone can provide high endogenous aDNA yields and indicate that endogenous DNA fractions for part C can exceed those obtained for part B by up to 65-fold and those from part A by up to 177-fold, while total endogenous DNA concentrations are up to 126-fold and 109-fold higher for these comparisons. Our results also show that while endogenous yields from part C were lower than 1% for samples from hot (both arid and humid) parts, the DNA damage patterns indicate that at least some of the reads originate from ancient DNA molecules, potentially enabling ancient DNA analyses of samples from hot regions that are otherwise not amenable to ancient DNA analyses.

Ancient DNA studies have established that Neolithic European populations were descended from Anatolian migrants who received a limited amount of admixture from resident hunter-gatherers. Many open questions remain, however, about the spatial and temporal dynamics of population interactions and admixture during the Neolithic period. Here we investigate the population dynamics of Neolithization across Europe using a high-resolution genome-wide ancient DNA dataset with a total of 180 samples, of which 130 are newly reported here, from the Neolithic and Chalcolithic periods of Hungary (6000-2900 bc, n = 100), Germany (5500-3000 bc, n = 42) and Spain (5500-2200 bc, n = 38). We find that genetic diversity was shaped predominantly by local processes, with varied sources and proportions of hunter-gatherer ancestry among the three regions and through time. Admixture between groups with different ancestry profiles was pervasive and resulted in observable population transformation across almost all cultural transitions. Our results shed new light on the ways in which gene flow reshaped European populations throughout the Neolithic period and demonstrate the potential of time-series-based sampling and modelling approaches to elucidate multiple dimensions of historical population interactions.

Ancient DNA studies have established that European Neolithic populations were descended from Anatolian migrants who received a limited amount of admixture from resident hunter-gatherers. Many open questions remain, however, about the spatial and temporal dynamics of population interactions and admixture during the Neolithic period. Using the highest-resolution genome-wide ancient DNA data set assembled to date—a total of 177 samples, 127 newly reported here, from the Neolithic and Chalcolithic of Hungary (6000–2900 BCE, n = 98), Germany (5500–3000 BCE, n = 42), and Spain (5500–2200 BCE, n = 37)—we investigate the population dynamics of Neolithization across Europe. We find that genetic diversity was shaped predominantly by local processes, with varied sources and proportions of hunter-gatherer ances try among the three regions and through time. Admixture between groups with different ancestry profiles was pervasive and resulted in observable population transformation across almost all cultural transitions. Our results shed new light on the ways that gene flow reshaped European populations throughout the Neolithic period and demonstrate the potential of time-series-based sampling and modeling approaches to elucidate multiple dimensions of historical population interactions.

ABSTRACT Ancient DNA sampling methods—although optimized for efficient DNA extraction—are destructive, relying on drilling or cutting and powdering (parts of) bones and teeth. As the field of ancient DNA has grown, so have concerns about the impact of destructive sampling of the skeletal remains from which ancient DNA is obtained. Due to a particularly high concentration of endogenous DNA, the cementum of tooth roots is often targeted for ancient DNA sampling, but standard destructive sampling methods often result in the loss of at least one entire root. Here, we present a minimally destructive method for extracting ancient DNA from dental cementum present on the surface of tooth roots. This method does not require destructive drilling or grinding, and, following extraction, the tooth remains safe to handle and suitable for most morphological studies, as well as other biochemical studies, such as radiocarbon dating. We extracted and sequenced ancient DNA from 30 teeth (and 9 corresponding petrous bones) using this minimally destructive extraction method in addition to a typical tooth sampling method. We find that the minimally destructive method can provide ancient DNA that is of comparable quality to extracts produced from teeth that have undergone destructive sampling processes. Further, we find that a rigorous cleaning of the tooth surface combining diluted bleach and UV light irradiation seems sufficient to minimize external contaminants usually removed through the physical removal of a superficial layer when sampling through regular powdering methods.

DNA recovery from ancient human remains has revolutionized our ability to reconstruct the genetic landscape of the past. Ancient DNA research has benefited from the identification of skeletal elements, such as the cochlear part of the osseous inner ear, that provide optimal contexts for DNA preservation; however, the rich genetic information obtained from the cochlea must be counterbalanced against the loss of valuable morphological information caused by its sampling. Motivated by similarities in developmental processes and histological properties between the cochlea and auditory ossicles, we evaluated the efficacy of ossicles as an alternative source of ancient DNA. We demonstrate that ossicles perform comparably to the cochlea in terms of DNA recovery, finding no substantial reduction in data quality, quantity, or authenticity across a range of preservation conditions. Ossicles can be sampled from intact skulls or disarticulated petrous bones without damage to surrounding bone, and we argue that, when available, they should be selected over the cochlea to reduce damage to skeletal integrity. These results identify a second optimal skeletal element for ancient DNA analysis and add to a growing toolkit of sampling methods that help to better preserve skeletal remains for future research while maximizing the likelihood that ancient DNA analysis will produce useable results.

Abstract The Linearbandkeramik (LBK) Neolithic communities were the first to spread farming across large parts of central Europe, settling fertile regions from Ukraine to France during the second half of the 6th millennium BCE. The LBK had a high degree of material culture uniformity, albeit with regional differences in settlement patterns, subsistence, and mortuary practices. To date, ancient DNA data from LBK individuals have been generated for a limited number of locations and often in small sample sizes, making it challenging to study variation within and across sites. We report genome-wide data for 178 LBK individuals, from the Alföld Linearbankeramik Culture (ALPC) eastern LBK site of Polgár-Ferenci-hát in Hungary, the western LBK site of Nitra in Slovakia, and the enclosed western LBK settlement and massacre site of Schletz in Austria, as well as 42 LBK individuals from 18 other sites. We also report genome-wide data for 28 Early Neolithic Körös and Starčevo individuals from 13 sites, viewed as the predecessors of the LBK. We observe a higher percentage of western hunter-gatherer (WHG) admixture among individuals in the eastern LBK than in the far more widely distributed western LBK, showing that these two archaeologically distinct cultures also had different genetic trajectories. Most WHG-farmer mixture occurred just before the dawn of the LBK culture and there is no evidence that the WHG ancestry came systematically more from males or females. However, we do find strong genetic evidence for patrilocality among the LBK, extending previous findings based on isotopic analysis, with more genetic structure across sites on the male than on the female line, and a higher rate of within-site relatives for males. At Schletz we detect almost no first-degree relatives despite reporting data from almost every skeleton present at the site, showing that this massacre involved people from a large population, not a small community.