We present a high-quality genome sequence of a Neanderthal woman from Siberia. We show that her parents were related at the level of half-siblings and that mating among close relatives was common among her recent ancestors. We also sequenced the genome of a Neanderthal from the Caucasus to low coverage. An analysis of the relationships and population history of available archaic genomes and 25 present-day human genomes shows that several gene flow events occurred among Neanderthals, Denisovans and early modern humans, possibly including gene flow into Denisovans from an unknown archaic group. Thus, interbreeding, albeit of low magnitude, occurred among many hominin groups in the Late Pleistocene. In addition, the high-quality Neanderthal genome allows us to establish a definitive list of substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans. A complete genome sequence is presented of a female Neanderthal from Siberia, providing information about interbreeding between close relatives and uncovering gene flow events among Neanderthals, Denisovans and early modern humans, as well as establishing substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans. Recent excavations in the Denisova Cave in the Altai Mountains of southern Siberia have yielded a wealth of hominin fossils from a site that has been occupied for perhaps 250,000 years or more. Now a high-quality genome sequence has been determined from a circa 50,000-year-old toe bone — a proximal toe phalanx — excavated from the east gallery of Denisova Cave in 2010. The sequence is that of a Neanderthal woman whose parents were closely related — perhaps half-siblings or uncle and niece. Such inbreeding was also common among her recent ancestors. Comparisons with other archaic and present-day human genomes reveal several gene-flow events among Neanderthals, the closely related Denisovans and early modern humans, possibly including gene flow into Denisovans from an unknown archaic group. The high-quality Neanderthal genome also helps to establish a definitive list of substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans.

It is known that there was gene flow from Neanderthals to modern humans around 50,000 years ago; now, analysis of a Neanderthal genome from the Altai Mountains in Siberia reveals evidence of gene flow 100,000 years ago in the other direction—from early modern humans to Neanderthals. Sergi Castellano and colleagues analyse genomic data from Neanderthal and Denisovan modern humans from the Altai Mountains in Siberia and from Neanderthals from Spain and Croatia. Using a Bayesian method for inference of demographic models known as G-PhoCS (Generalized Phylogenetic Coalescent Sampler), the authors obtain preliminary quantitative estimates of previously reported gene flow events between modern and archaic humans. They also report evidence of gene flow from an early modern human population to the ancestors of Neanderthals from the Altai Mountains more than 100,000 years ago, in the opposite direction to the instances of gene flow from Neanderthals to modern humans. It has been shown that Neanderthals contributed genetically to modern humans outside Africa 47,000–65,000 years ago. Here we analyse the genomes of a Neanderthal and a Denisovan from the Altai Mountains in Siberia together with the sequences of chromosome 21 of two Neanderthals from Spain and Croatia. We find that a population that diverged early from other modern humans in Africa contributed genetically to the ancestors of Neanderthals from the Altai Mountains roughly 100,000 years ago. By contrast, we do not detect such a genetic contribution in the Denisovan or the two European Neanderthals. We conclude that in addition to later interbreeding events, the ancestors of Neanderthals from the Altai Mountains and early modern humans met and interbred, possibly in the Near East, many thousands of years earlier than previously thought.

Of chimpanzees and bonobos Modern non-African human genomes contain genomic remnants that suggest that there was interbreeding between ancient humans and archaic hominoid lineages. Now, de Manuel et al. show similar ancestral interbreeding between the ancestors of today's chimpanzees and bonobos (see the Perspective by Hoelzel). The study also provides population-specific genetic markers that may be valuable for conservation efforts. Science , this issue p. 477 ; see also p. 414

Significance We use a hybridization approach to enrich the DNA from the protein-coding fraction of the genomes of two Neandertal individuals from Spain and Croatia. By analyzing these two exomes together with the genome sequence of a Neandertal from Siberia we show that the genetic diversity of Neandertals was lower than that of present-day humans and that the pattern of coding variation suggests that Neandertal populations were small and isolated from one another. We also show that genes involved in skeletal morphology have changed more than expected on the Neandertal evolutionary lineage whereas genes involved in pigmentation and behavior have changed more on the modern human lineage.

Abstract Throughout the past decade, studying ancient genomes provided unique insights into human prehistory, and differences between modern humans and other branches like Neanderthals can enrich our understanding of the molecular basis of unique modern human traits. Modern human variation and the interactions between different hominin lineages are now well studied, making it reasonable to go beyond fixed changes and explore changes that are observed at high frequency in present-day humans. Here, we identify 571 genes with non-synonymous changes at high frequency. We suggest that molecular mechanisms in cell division and networks affecting cellular features of neurons were prominently modified by these changes. Complex phenotypes in brain growth trajectory and cognitive traits are likely influenced by these networks and other changes presented here. We propose that at least some of these changes contributed to uniquely human traits, and should be prioritized for experimental validation.

As our knowledge about the history of the sapiens lineage becomes increasingly complex, large-scale estimations of the time of emergence of derived variants become essential to be able to offer more precise answers to time-sensitive hypotheses concerning human evolution. Using an open repository of genetic variant age estimations recently made available, we offer here a temporal evaluation of various evolutionarily relevant datasets, such as sapiens-specific variants, high-frequency variants found in genetic windows under positive selection, introgressed variants from extinct human species, as well as putative regulatory variants in various brain regions. We find a recurrent bimodal distribution of high-frequency variants, but also evidence for specific enrichments of gene categories in various time windows, which brings into prominence the 300-500k time slice. We also find evidence for very early mutations impacting the facial phenotype, and much more recent molecular events linked to specific brain regions such as the cerebellum or the precuneus. Additionally, we present a case study of an evolutionarily relevant gene, BAZ1B, and its targets, to emphasize the importance of applying temporal data to specific evolutionary questions. Overall, we present a unique resource that informs and complements our previous knowledge of sapiens evolution using publicly available data, and reinforce the case for the mosaic, temporally very extended nature of the evolutionary trajectory of our species.

Abstract Sea turtles represent an ancient lineage of marine vertebrates that evolved from terrestrial ancestors over 100 MYA, yet the genomic basis of the unique physiological and ecological traits enabling these species to thrive in diverse marine habitats remains largely unknown. Additionally, many populations have drastically declined due to anthropogenic activities over the past two centuries, and their recovery is a high global conservation priority. We generated and analyzed high-quality reference genomes for the leatherback (Dermochelys coriacea) and green (Chelonia mydas) turtles, representing the two extant sea turtle families. These genomes are highly syntenic and homologous, but localized regions of non-collinearity were associated with higher copy numbers of immune, zinc-finger, and olfactory receptor (OR) genes in green turtles, with ORs related to waterborne odorants greatly expanded in green turtles. Our findings suggest that divergent evolution of these key gene families may underlie immunological and sensory adaptations assisting navigation, occupancy of neritic versus pelagic environments, and diet specialization. Reduced collinearity was especially prevalent in microchromosomes, with greater gene content, heterozygosity, and genetic distances between species, supporting their critical role in vertebrate evolutionary adaptation. Finally, diversity and demographic histories starkly contrasted between species, indicating that leatherback turtles have had a low yet stable effective population size, exhibit extremely low diversity compared to other reptiles, and harbor a higher genetic load compared to green turtles, reinforcing concern over their persistence under future climate scenarios. These genomes provide invaluable resources for advancing our understanding of evolution and conservation best practices in an imperiled vertebrate lineage. Statement of significance Sea turtle populations have undergone recent global declines. We analyzed de novo assembled genomes for both extant sea turtle families through the Vertebrate Genomes Project to inform their conservation and evolutionary biology. These highly conserved genomes were differentiated by localized gene-rich regions of divergence, particularly within microchromosomes, suggesting that these genomic elements play key functional roles in the evolution of sea turtles and possibly other vertebrates. We further demonstrate that dissimilar evolutionary histories impact standing genomic diversity and genetic load, and are critical to consider when using these metrics to assess adaptive potential and extinction risk. Our results also demonstrate how reference genome quality impacts inferences of comparative and conservation genomics analyses that need to be considered in their application.

Summary Malaria has historically been one of the leading infection-related causes of death in human populations. To this day, it continues to pose a significant public health threat in African countries, particularly among children. Humans are affected by five Plasmodium species, with Plasmodium falciparum being the most lethal. The study of pathogenic DNA from ancient human remains has been vital in understanding the origin, evolution, and virulence of human-infecting pathogens. However, there have been no complete pre-20th century mitochondrial DNA (mtDNA) or genomic sequences of Plasmodium falciparum reported to date. This gap in knowledge makes it difficult to understand the genetic dynamics of this pathogen in the past. The difficulty in identifying ancient malaria cases through bioarchaeology and the infrequent presence of Plasmodium DNA in ancient bones contribute to these limitations. Here, we present the first complete mtDNA genome of P. falciparum recovered from an archaeological skeleton (a 2 nd century CE Roman individual from Italy). The study of the 43-fold mtDNA genome supports the hypothesis of an Indian origin for P. falciparum in Europe and provides evidence for the genetic continuity of this lineage over the past 2,000 years. Additionally, our research highlights that extensive sampling may be necessary for malaria screening to gain insights into the evolution of this vector-borne disease from archaeological samples.

Abstract Archaic admixture has had a significant impact on human evolution with multiple events across different clades, including from extinct hominins such as Neanderthals and Denisovans into modern humans. Within the great apes archaic admixture has been identified in chimpanzees and bonobos, but the possibility of such events has not been explored in other species. Here, we address this question using high-coverage whole genome sequences from all four extant gorilla subspecies, including six newly sequenced eastern gorillas from previously unsampled geographic regions. Using Approximate Bayesian Computation (ABC) with neural networks to model the demographic history of gorillas, we find a signature of admixture from an archaic ‘ghost’ lineage into the common ancestor of eastern gorillas, but not western gorillas. We infer that up to 3% of the genome of these individuals is introgressed from an archaic lineage that diverged more than 3 million years ago from the common ancestor of all extant gorillas. This introgression event took place before the split of mountain and eastern lowland gorillas, likely more than 40 thousand years ago, and may have influenced perception of bitter taste in eastern gorillas. When comparing the introgression landscapes of gorillas, humans and bonobos, we find a consistent depletion of introgressed fragments on the X chromosome across these species. However, depletion in protein-coding content is not detectable in eastern gorillas, possibly as a consequence of stronger genetic drift in this species.

Mammalian Y chromosomes are often neglected from genomic analysis. Due to their inherent assembly difficulties, high repeat content, and large ampliconic regions, only a handful of species have their Y chromosome properly characterized. To date, just a single human reference quality Y chromosome, of European ancestry, is available due to a lack of accessible methodology. To facilitate the assembly of such complicated genomic territory, we developed a novel strategy to sequence native, unamplified flow sorted DNA on a MinION nanopore sequencing device. Our approach yields a highly continuous and complete assembly of the first human Y chromosome of African origin. It constitutes a significant improvement over comparable previous methods, increasing continuity by more than 800%, thus allowing a chromosome scale analysis of human Y chromosomes. Sequencing native DNA also allows to take advantage of the nanopore signal data to detect epigenetic modifications in situ. This approach is in theory generalizable to any species simplifying the assembly of extremely large and repetitive genomes.