The population history of Aboriginal Australians remains largely uncharacterized. Here we generate high-coverage genomes for 83 Aboriginal Australians (speakers of Pama–Nyungan languages) and 25 Papuans from the New Guinea Highlands. We find that Papuan and Aboriginal Australian ancestors diversified 25–40 thousand years ago (kya), suggesting pre-Holocene population structure in the ancient continent of Sahul (Australia, New Guinea and Tasmania). However, all of the studied Aboriginal Australians descend from a single founding population that differentiated ~10–32 kya. We infer a population expansion in northeast Australia during the Holocene epoch (past 10,000 years) associated with limited gene flow from this region to the rest of Australia, consistent with the spread of the Pama–Nyungan languages. We estimate that Aboriginal Australians and Papuans diverged from Eurasians 51–72 kya, following a single out-of-Africa dispersal, and subsequently admixed with archaic populations. Finally, we report evidence of selection in Aboriginal Australians potentially associated with living in the desert. Whole-genome sequence data for 108 individuals representing 28 language groups across Australia and five language groups for Papua New Guinea suggests that Aboriginal Australians and Papuans diverged from Eurasian populations approximately 60–100 thousand years ago, following a single out-of-Africa dispersal and subsequent admixture with archaic populations. 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.

Whole-genome sequencing of individuals from 125 populations provides insight into patterns of genetic diversity, natural selection and human demographic history during the peopling of Eurasia and finds evidence for genetic vestiges of an early expansion of modern humans out of Africa in Papuans. 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. High-coverage whole-genome sequence studies have so far focused on a limited number1 of geographically restricted populations2,3,4,5, or been targeted at specific diseases, such as cancer6. Nevertheless, the availability of high-resolution genomic data has led to the development of new methodologies for inferring population history7,8,9 and refuelled the debate on the mutation rate in humans10. Here we present the Estonian Biocentre Human Genome Diversity Panel (EGDP), a dataset of 483 high-coverage human genomes from 148 populations worldwide, including 379 new genomes from 125 populations, which we group into diversity and selection sets. We analyse this dataset to refine estimates of continent-wide patterns of heterozygosity, long- and short-distance gene flow, archaic admixture, and changes in effective population size through time as well as for signals of positive or balancing selection. We find a genetic signature in present-day Papuans that suggests that at least 2% of their genome originates from an early and largely extinct expansion of anatomically modern humans (AMHs) out of Africa. Together with evidence from the western Asian fossil record11, and admixture between AMHs and Neanderthals predating the main Eurasian expansion12, our results contribute to the mounting evidence for the presence of AMHs out of Africa earlier than 75,000 years ago.

Abstract Modern humans have substantially admixed with multiple archaic hominins. Papuans, in particular, owe up to 5% of their genome to Denisovans, a sister group to Neanderthals, whose remains have only been identified in Siberia and Tibet. Unfortunately, the biological and evolutionary significance of these introgression events remain poorly understood. Here we investigate the function of archaic alleles of both Denisovan and Neanderthal ancestry characterised within a previously published set of 56 genomes from individuals of Papuan genetic ancestry living in the island of New Guinea. By comparing the distribution of archaic and modern human variants, we are able to assess the consequences of archaic admixture across a multitude of different cell types and functional elements. We detect a consistent signal across Denisovan variants of strong involvement in immune-related processes throughout our analyses. Archaic alleles are often located within cis-regulatory elements and transcribed regions of the genome, suggesting that they are capable of contributing to a wide range of cellular regulatory processes. We identify 3,538 high-confidence Denisovan variants that fall within annotated cis-regulatory elements and have the potential to alter the affinity of multiple transcription factors to their cognate DNA motifs, highlighting a likely mechanism by which introgressed DNA can impact phenotypes in present-day humans. Lastly, we experimentally validate these predictions by testing the regulatory potential of five Denisovan variants segregating at high frequency within Papuan individuals, and find that two are associated with a significant reduction of transcriptional activities in plasmid reporter assays relative to modern human alleles. Together, these data provide support for the hypothesis that, despite their broadly deleterious nature, archaic alleles actively contribute to modern human phenotypic diversity to this day, and might have facilitated early adaptation to non-African environments.

Abstract Highlanders and lowlanders of Papua New Guinea (PNG) have faced distinct environmental conditions. These environmental differences lead to specific stress on PNG highlanders and lowlanders, such as hypoxia and environment-specific pathogen exposure, respectively. We hypothesise that these constraints induced specific selective pressures that shaped the genomes of both populations. In this study, we explored signatures of selection in newly sequenced whole genomes of 54 PNG highlanders and 74 PNG lowlanders. Based on multiple methods to detect selection, we investigated the 21 and 23 genomic top candidate regions for positive selection in PNG highlanders and PNG lowlanders, respectively. To identify the most likely candidate SNP driving selection in each of these regions, we computationally reconstructed allele frequency trajectories of variants in each of these regions and chose the SNP with the highest likelihood of being under selection with CLUES. We show that regions with signatures of positive selection in PNG highlanders genomes encompass genes associated with the hypoxia-inducible factors pathway, brain development, blood composition, and immunity, while selected genomic regions in PNG lowlanders contain genes related to immunity and blood composition. We found that several candidate driver SNPs are associated with haematological phenotypes in the UK biobank. Moreover, using phenotypes measured from the sequenced Papuans, we found that two candidate SNPs are significantly associated with altered heart rates in PNG highlanders and lowlanders. Furthermore, we found that 16 of the 44 selection candidate regions harboured archaic introgression. In four of these regions, the selection signal might be driven by the introgressed archaic haplotypes, suggesting a significant role of archaic admixture in local adaptation in PNG populations.

Neandertals and Denisovans, having inhabited distinct regions in Eurasia and possibly Oceania for over 200,000 years, experienced ample time to adapt to diverse environmental challenges these regions presented. Among present-day human populations, Papua New Guineans (PNG) stand out as one of the few carrying substantial amounts of both Neandertal and Denisovan DNA, a result of past admixture events with these archaic human groups. This study investigates the distribution of introgressed Denisovan and Neandertal DNA within two distinct PNG populations, residing in the highlands of Mt Wilhelm and the lowlands of Daru Island. These locations exhibit unique environmental features, some of which may parallel the challenges that archaic humans once confronted and adapted to. Our results show that Denisovan-like haplotypes exhibit increased levels of population differentiation between PNG highlanders and lowlanders. The highly differentiated haplotypes, more common among highlanders, reside in genomic areas linked to brain development genes. Conversely, those more frequent in lowlanders overlap with genes enriched in immune response processes. Furthermore, Denisovan-like haplotypes displayed pronounced signatures of diversification within the major histocompatibility complex. Our findings suggest that Denisovan DNA has provided a valuable source of genetic variation to PNG genomes that facilitated adaptive responses to environmental challenges.

Neandertals and Denisovans, having inhabited distinct regions in Eurasia and possibly Oceania for over 200,000 y, experienced ample time to adapt to diverse environmental challenges these regions presented. Among present-day human populations, Papua New Guineans (PNG) stand out as one of the few carrying substantial amounts of both Neandertal and Denisovan DNA, a result of past admixture events with these archaic human groups. This study investigates the distribution of introgressed Denisovan and Neandertal DNA within two distinct PNG populations, residing in the highlands of Mt Wilhelm and the lowlands of Daru Island. These locations exhibit unique environmental features, some of which may parallel the challenges that archaic humans once confronted and adapted to. Our results show that PNG highlanders carry higher levels of Denisovan DNA compared to PNG lowlanders. Among the Denisovan-like haplotypes with higher frequencies in highlander populations, those exhibiting the greatest frequency difference compared to lowlander populations also demonstrate more pronounced differences in population frequencies than frequency-matched nonarchaic variants. Two of the five most highly differentiated of those haplotypes reside in genomic areas linked to brain development genes. Conversely, Denisovan-like haplotypes more frequent in lowlanders overlap with genes associated with immune response processes. Our findings suggest that Denisovan DNA has provided genetic variation associated with brain biology and immune response to PNG genomes, some of which might have facilitated adaptive processes to environmental challenges.

Abstract We analysed DNA methylation data from 30 datasets comprising 3,474 individuals, 19 tissues and 8 ethnicities at CpGs covered by the Illumina450K array. We identified 4,143 hypervariable CpGs (“hvCpGs”) with methylation in the top 5% most variable sites across multiple tissues and ethnicities. hvCpG methylation was influenced but not determined by genetic variation, and was not linked to probe reliability, epigenetic drift, age, sex or cell heterogeneity effects. hvCpG methylation tended to covary across tissues derived from different germ-layers and hvCpGs were enriched for associations with periconceptional environment, proximity to ERV1 and ERVK retrovirus elements and parent-of-origin-specific methylation. They also showed distinctive methylation signatures in monozygotic twins. Together, these properties position hvCpGs as strong candidates for studying how stochastic and/or environmentally influenced DNA methylation states which are established in the early embryo and maintained stably thereafter can influence life-long health and disease.

European populations display low genetic diversity as the result of long term blending of the small number of ancient founding ancestries. However it is still unclear how the combination of ancient ancestries related to early European foragers, Neolithic farmers and Bronze Age nomadic pastoralists can fully explain genetic variation across Europe. Populations in natural crossroads like the Italian peninsula are expected to recapitulate the overall continental diversity, but to date have been systematically understudied. Here we characterised the ancestry profiles of modern-day Italian populations using a genome-wide dataset representative of modern and ancient samples from across Italy, Europe and the rest of the world. Italian genomes captured several ancient signatures, including a non-steppe related substantial ancestry contribution ultimately from the Caucasus. Differences in ancestry composition as the result of migration and admixture generated in Italy the largest degree of population structure detected so far in the continent and shaped the amount of Neanderthal DNA present in modern-day populations.