Given the importance of Africa to studies of human origins and disease susceptibility, detailed characterization of African genetic diversity is needed. The African Genome Variation Project provides a resource with which to design, implement and interpret genomic studies in sub-Saharan Africa and worldwide. The African Genome Variation Project represents dense genotypes from 1,481 individuals and whole-genome sequences from 320 individuals across sub-Saharan Africa. Using this resource, we find novel evidence of complex, regionally distinct hunter-gatherer and Eurasian admixture across sub-Saharan Africa. We identify new loci under selection, including loci related to malaria susceptibility and hypertension. We show that modern imputation panels (sets of reference genotypes from which unobserved or missing genotypes in study sets can be inferred) can identify association signals at highly differentiated loci across populations in sub-Saharan Africa. Using whole-genome sequencing, we demonstrate further improvements in imputation accuracy, strengthening the case for large-scale sequencing efforts of diverse African haplotypes. Finally, we present an efficient genotype array design capturing common genetic variation in Africa. The African Genome Variation Project contains the whole-genome sequences of 320 individuals and dense genotypes on 1,481 individuals from sub-Saharan Africa; it enables the design and interpretation of genomic studies, with implications for finding disease loci and clues to human origins. The African Genome Variation Project (AGVP) is collecting data on the structure of African genomes to provide a central resource for genetic disease studies in Africa. It currently represents dense genotypes from 1,481 individuals and whole-genome sequences from 320 individuals across sub-Saharan Africa. Using these data, Manjinder Sandhu and colleagues identify new loci under selection, including those associated with malaria and hypertension. They show that modern imputation panels can identify association signals at highly differentiated loci across population groups. They demonstrate the utility of whole-genome sequences in further improving the imputation accuracy. In addition, they describe the first efficient genotype array design capturing common genetic variation in Africa.

It is commonly thought that human genetic diversity in non-African populations was shaped primarily by an out-of-Africa dispersal 50–100 thousand yr ago (kya). Here, we present a study of 456 geographically diverse high-coverage Y chromosome sequences, including 299 newly reported samples. Applying ancient DNA calibration, we date the Y-chromosomal most recent common ancestor (MRCA) in Africa at 254 (95% CI 192–307) kya and detect a cluster of major non-African founder haplogroups in a narrow time interval at 47–52 kya, consistent with a rapid initial colonization model of Eurasia and Oceania after the out-of-Africa bottleneck. In contrast to demographic reconstructions based on mtDNA, we infer a second strong bottleneck in Y-chromosome lineages dating to the last 10 ky. We hypothesize that this bottleneck is caused by cultural changes affecting variance of reproductive success among males.

Genomes in the mist The mountain gorilla is an iconic species that is at high risk of extinction. Xue et al. have sequenced 13 gorillas from two different populations to probe their genetic diversity. The genomes show large tracts of homozygosity and the loss of highly deleterious genetic variants, indicating population bottlenecks and inbreeding. This loss of genetic diversity appears to have started over 20,000 years ago and may have been caused by changes in climate and human-associated effects. Science , this issue p. 242

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.

Genome sequences are known for two archaic hominins-Neanderthals and Denisovans-which interbred with anatomically modern humans as they dispersed out of Africa. We identified high-confidence archaic haplotypes in 161 new genomes spanning 14 island groups in Island Southeast Asia and New Guinea and found large stretches of DNA that are inconsistent with a single introgressing Denisovan origin. Instead, modern Papuans carry hundreds of gene variants from two deeply divergent Denisovan lineages that separated over 350 thousand years ago. Spatial and temporal structure among these lineages suggest that introgression from one of these Denisovan groups predominantly took place east of the Wallace line and continued until near the end of the Pleistocene. A third Denisovan lineage occurs in modern East Asians. This regional mosaic suggests considerable complexity in archaic contact, with modern humans interbreeding with multiple Denisovan groups that were geographically isolated from each other over deep evolutionary time.

Ancient DNA is revealing new insights into the genetic relationship between Pleistocene hominins and modern humans. Nuclear DNA indicated Neanderthals as a sister group of Denisovans after diverging from modern humans. However, the closer affinity of the Neanderthal mitochondrial DNA (mtDNA) to modern humans than Denisovans has recently been suggested as the result of gene flow from an African source into Neanderthals before 100,000 years ago. Here we report the complete mtDNA of an archaic femur from the Hohlenstein-Stadel (HST) cave in southwestern Germany. HST carries the deepest divergent mtDNA lineage that splits from other Neanderthals ∼270,000 years ago, providing a lower boundary for the time of the putative mtDNA introgression event. We demonstrate that a complete Neanderthal mtDNA replacement is feasible over this time interval even with minimal hominin introgression. The highly divergent HST branch is indicative of greater mtDNA diversity during the Middle Pleistocene than in later periods.

Modern humans have populated Europe for more than 45,000 years1,2. Our knowledge of the genetic relatedness and structure of ancient hunter-gatherers is however limited, owing to the scarceness and poor molecular preservation of human remains from that period3. Here we analyse 356 ancient hunter-gatherer genomes, including new genomic data for 116 individuals from 14 countries in western and central Eurasia, spanning between 35,000 and 5,000 years ago. We identify a genetic ancestry profile in individuals associated with Upper Palaeolithic Gravettian assemblages from western Europe that is distinct from contemporaneous groups related to this archaeological culture in central and southern Europe4, but resembles that of preceding individuals associated with the Aurignacian culture. This ancestry profile survived during the Last Glacial Maximum (25,000 to 19,000 years ago) in human populations from southwestern Europe associated with the Solutrean culture, and with the following Magdalenian culture that re-expanded northeastward after the Last Glacial Maximum. Conversely, we reveal a genetic turnover in southern Europe suggesting a local replacement of human groups around the time of the Last Glacial Maximum, accompanied by a north-to-south dispersal of populations associated with the Epigravettian culture. From at least 14,000 years ago, an ancestry related to this culture spread from the south across the rest of Europe, largely replacing the Magdalenian-associated gene pool. After a period of limited admixture that spanned the beginning of the Mesolithic, we find genetic interactions between western and eastern European hunter-gatherers, who were also characterized by marked differences in phenotypically relevant variants.

Generative models have shown breakthroughs in a wide spectrum of domains due to recent advancements in machine learning algorithms and increased computational power. Despite these impressive achievements, the ability of generative models to create realistic synthetic data is still under-exploited in genetics and absent from population genetics. Yet a known limitation in the field is the reduced access to many genetic databases due to concerns about violations of individual privacy, although they would provide a rich resource for data mining and integration towards advancing genetic studies. In this study, we demonstrated that deep generative adversarial networks (GANs) and restricted Boltzmann machines (RBMs) can be trained to learn the complex distributions of real genomic datasets and generate novel high-quality artificial genomes (AGs) with none to little privacy loss. We show that our generated AGs replicate characteristics of the source dataset such as allele frequencies, linkage disequilibrium, pairwise haplotype distances and population structure. Moreover, they can also inherit complex features such as signals of selection. To illustrate the promising outcomes of our method, we showed that imputation quality for low frequency alleles can be improved by data augmentation to reference panels with AGs and that the RBM latent space provides a relevant encoding of the data, hence allowing further exploration of the reference dataset and features for solving supervised tasks. Generative models and AGs have the potential to become valuable assets in genetic studies by providing a rich yet compact representation of existing genomes and high-quality, easy-access and anonymous alternatives for private databases.

The end of the Last Glacial Maximum (LGM) in Europe (~16.5 ka ago) set in motion major changes in human culture and population structure 1 . In Southern Europe, Early Epigravettian material culture was replaced by Late Epigravettian art and technology about 18-17 ka ago at the beginning of southern Alpine deglaciation, although available genetic evidence from individuals who lived ~14 ka ago 2–5 opened up questions on the impact of migrations on this cultural transition only after that date. Here we generate new genomic data from a human mandible uncovered at the Late Epigravettian site of Riparo Tagliente (Veneto, Italy), that we directly dated to 16,980-16,510 cal BP (2σ). This individual, affected by a low-prevalence dental pathology named focal osseous dysplasia, attests that the very emergence of Late Epigravettian material culture in Italy was already associated with migration and genetic replacement of the Gravettian-related ancestry. In doing so, we push back by at least 3,000 years the date of the diffusion in Southern Europe of a genetic component linked to Balkan/Anatolian refugia, previously believed to have spread during the later Bølling/Allerød warming event (~14 ka ago 4,6 ). Our results suggest that demic diffusion from a genetically diverse population may have substantially contributed to cultural changes in LGM and post-LGM Southern Europe, independently from abrupt shifts to warmer and more favourable conditions.

Abstract The population dynamics that followed the out of Africa expansion (OoA) and the whereabouts of the early migrants before the differentiation that ultimately led to the formation of Oceanian, West and East Eurasian macro populations have long been debated. Shedding light on these events may, in turn, provide clues to better understand cultural evolution in Eurasia between 50kya and 35kya. Here we analyze Eurasian Paleolithic DNA evidence to provide a comprehensive population model and validate it in light of available material culture. Leveraging on our integrated approach we propose the existence of a Eurasian population Hub, where Homo sapiens lived between the OoA and the broader colonization of Eurasia, which was characterized by multiple events of expansion and local extinction. A major population wave out of Hub, of which Ust’Ishim, Bacho Kiro and Tianyuan are unadmixed representatives, is broadly associated with Initial Upper Paleolithic lithics and populated West and East Eurasia before or around 45 kya, before getting largely extinct in Europe. In this light, we suggest a parsimonious placement of Oase1 as an individual related to Bacho Kiro who experienced additional Neanderthal introgression. Another expansion, started before 38 kya, is broadly associated with Upper Paleolithic industries and repopulated Europe with sporadic admixtures with the previous wave (GoyetQ116-1) and more systematic ones while moving through Siberia (Yana, Mal’ta).