Modern humans arrived in Europe ~45,000 years ago, but little is known about their genetic composition before the start of farming ~8,500 years ago. Here we analyse genome-wide data from 51 Eurasians from ~45,000-7,000 years ago. Over this time, the proportion of Neanderthal DNA decreased from 3-6% to around 2%, consistent with natural selection against Neanderthal variants in modern humans. Whereas there is no evidence of the earliest modern humans in Europe contributing to the genetic composition of present-day Europeans, all individuals between ~37,000 and ~14,000 years ago descended from a single founder population which forms part of the ancestry of present-day Europeans. An ~35,000-year-old individual from northwest Europe represents an early branch of this founder population which was then displaced across a broad region, before reappearing in southwest Europe at the height of the last Ice Age ~19,000 years ago. During the major warming period after ~14,000 years ago, a genetic component related to present-day Near Easterners became widespread in Europe. These results document how population turnover and migration have been recurring themes of European prehistory.

How modern humans dispersed into Eurasia and Australasia, including the number of separate expansions and their timings, is highly debated [1Scally A. Durbin R. Revising the human mutation rate: implications for understanding human evolution.Nat. Rev. Genet. 2012; 13: 745-753Crossref PubMed Scopus (343) Google Scholar, 2Groucutt H.S. Petraglia M.D. Bailey G. Scerri E.M. Parton A. Clark-Balzan L. Jennings R.P. Lewis L. Blinkhorn J. Drake N.A. et al.Rethinking the dispersal of Homo sapiens out of Africa.Evol. Anthropol. 2015; 24: 149-164Crossref PubMed Scopus (210) Google Scholar]. Two categories of models are proposed for the dispersal of non-Africans: (1) single dispersal, i.e., a single major diffusion of modern humans across Eurasia and Australasia [3Mellars P. Gori K.C. Carr M. Soares P.A. Richards M.B. Genetic and archaeological perspectives on the initial modern human colonization of southern Asia.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013; 110: 10699-10704Crossref PubMed Scopus (217) Google Scholar, 4Macaulay V. Hill C. Achilli A. Rengo C. Clarke D. Meehan W. Blackburn J. Semino O. Scozzari R. Cruciani F. et al.Single, rapid coastal settlement of Asia revealed by analysis of complete mitochondrial genomes.Science. 2005; 308: 1034-1036Crossref PubMed Scopus (566) Google Scholar, 5Oppenheimer S. A single southern exit of modern humans from Africa: before or after Toba?.Quat. Int. 2012; 258: 88-99Crossref Scopus (56) Google Scholar]; and (2) multiple dispersal, i.e., additional earlier population expansions that may have contributed to the genetic diversity of some present-day humans outside of Africa [6Lahr M.M. Foley R.A. Towards a theory of modern human origins: geography, demography, and diversity in recent human evolution.Am. J. Phys. Anthropol. 1998; : 137-176Crossref PubMed Google Scholar, 7Maca-Meyer N. González A.M. Larruga J.M. Flores C. Cabrera V.M. Major genomic mitochondrial lineages delineate early human expansions.BMC Genet. 2001; 2: 13Crossref PubMed Scopus (265) Google Scholar, 8Reyes-Centeno H. Ghirotto S. Détroit F. Grimaud-Hervé D. Barbujani G. Harvati K. Genomic and cranial phenotype data support multiple modern human dispersals from Africa and a southern route into Asia.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014; 111: 7248-7253Crossref PubMed Scopus (114) Google Scholar, 9Armitage S.J. Jasim S.A. Marks A.E. Parker A.G. Usik V.I. Uerpmann H.P. The southern route "out of Africa": evidence for an early expansion of modern humans into Arabia.Science. 2011; 331: 453-456Crossref PubMed Scopus (385) Google Scholar]. Many variants of these models focus largely on Asia and Australasia, neglecting human dispersal into Europe, thus explaining only a subset of the entire colonization process outside of Africa [3Mellars P. Gori K.C. Carr M. Soares P.A. Richards M.B. Genetic and archaeological perspectives on the initial modern human colonization of southern Asia.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013; 110: 10699-10704Crossref PubMed Scopus (217) Google Scholar, 4Macaulay V. Hill C. Achilli A. Rengo C. Clarke D. Meehan W. Blackburn J. Semino O. Scozzari R. Cruciani F. et al.Single, rapid coastal settlement of Asia revealed by analysis of complete mitochondrial genomes.Science. 2005; 308: 1034-1036Crossref PubMed Scopus (566) Google Scholar, 5Oppenheimer S. A single southern exit of modern humans from Africa: before or after Toba?.Quat. Int. 2012; 258: 88-99Crossref Scopus (56) Google Scholar, 8Reyes-Centeno H. Ghirotto S. Détroit F. Grimaud-Hervé D. Barbujani G. Harvati K. Genomic and cranial phenotype data support multiple modern human dispersals from Africa and a southern route into Asia.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014; 111: 7248-7253Crossref PubMed Scopus (114) Google Scholar, 9Armitage S.J. Jasim S.A. Marks A.E. Parker A.G. Usik V.I. Uerpmann H.P. The southern route "out of Africa": evidence for an early expansion of modern humans into Arabia.Science. 2011; 331: 453-456Crossref PubMed Scopus (385) Google Scholar]. The genetic diversity of the first modern humans who spread into Europe during the Late Pleistocene and the impact of subsequent climatic events on their demography are largely unknown. Here we analyze 55 complete human mitochondrial genomes (mtDNAs) of hunter-gatherers spanning ∼35,000 years of European prehistory. We unexpectedly find mtDNA lineage M in individuals prior to the Last Glacial Maximum (LGM). This lineage is absent in contemporary Europeans, although it is found at high frequency in modern Asians, Australasians, and Native Americans. Dating the most recent common ancestor of each of the modern non-African mtDNA clades reveals their single, late, and rapid dispersal less than 55,000 years ago. Demographic modeling not only indicates an LGM genetic bottleneck, but also provides surprising evidence of a major population turnover in Europe around 14,500 years ago during the Late Glacial, a period of climatic instability at the end of the Pleistocene.

Highlights•Genome-wide analysis of 49 Central and South Americans up to ∼11,000 years old•Two previously unknown genetic exchanges between North and South America•Distinct link between a Clovis culture-associated genome and the oldest South Americans•Continent-wide replacement of Clovis-associated ancestry beginning at least 9,000 years agoSummaryWe report genome-wide ancient DNA from 49 individuals forming four parallel time transects in Belize, Brazil, the Central Andes, and the Southern Cone, each dating to at least ∼9,000 years ago. The common ancestral population radiated rapidly from just one of the two early branches that contributed to Native Americans today. We document two previously unappreciated streams of gene flow between North and South America. One affected the Central Andes by ∼4,200 years ago, while the other explains an affinity between the oldest North American genome associated with the Clovis culture and the oldest Central and South Americans from Chile, Brazil, and Belize. However, this was not the primary source for later South Americans, as the other ancient individuals derive from lineages without specific affinity to the Clovis-associated genome, suggesting a population replacement that began at least 9,000 years ago and was followed by substantial population continuity in multiple regions.Graphical abstract

New genome-wide data for ancient, Bronze Age individuals, including Minoans, Mycenaeans, and southwestern Anatolians, show that Minoans and Mycenaeans were genetically very similar yet distinct, supporting the idea of continuity but not isolation in the history of populations of the Aegean. The most prominent civilizations that emerged during the Bronze Age in Europe include the Minoan culture on the island of Crete and the Mycenaean culture on mainland Greece, both in the Aegean region. Iosif Lazaridis, David Reich, Johannes Krause, George Stamatoyannopoulos and colleagues investigated the origins of these two archaeological cultures by analysing new genome-wide data from 19 ancient individuals, including Minoans, Mycenaeans and their eastern neighbours from southwestern Anatolia. While Minoans and Mycenaeans were genetically very similar, with shared ancestry from the western Anatolian and Aegean regions, they were also distinct, with Mycenaeans showing additional ancestry related to the Bronze Age inhabitants of the Eurasian steppe. The origins of the Bronze Age Minoan and Mycenaean cultures have puzzled archaeologists for more than a century. We have assembled genome-wide data from 19 ancient individuals, including Minoans from Crete, Mycenaeans from mainland Greece, and their eastern neighbours from southwestern Anatolia. Here we show that Minoans and Mycenaeans were genetically similar, having at least three-quarters of their ancestry from the first Neolithic farmers of western Anatolia and the Aegean1,2, and most of the remainder from ancient populations related to those of the Caucasus3 and Iran4,5. However, the Mycenaeans differed from Minoans in deriving additional ancestry from an ultimate source related to the hunter–gatherers of eastern Europe and Siberia6,7,8, introduced via a proximal source related to the inhabitants of either the Eurasian steppe1,6,9 or Armenia4,9. Modern Greeks resemble the Mycenaeans, but with some additional dilution of the Early Neolithic ancestry. Our results support the idea of continuity but not isolation in the history of populations of the Aegean, before and after the time of its earliest civilizations.

Abstract In ancient DNA research, the degraded nature of the samples generally results in poor yields of highly fragmented DNA, and targeted DNA enrichment is thus required to maximize research outcomes. The three commonly used methods – (1) array-based hybridization capture and in-solution capture using either (2) RNA or (3) DNA baits – have different characteristics that may influence the capture efficiency, specificity, and reproducibility. Here, we compared their performance in enriching pathogen DNA of Mycobacterium leprae and Treponema pallidum of 11 ancient and 19 modern samples. We find that in-solution approaches are the most effective method in ancient and modern samples of both pathogens, and RNA baits usually perform better than DNA baits. Method summary We compared three targeted DNA enrichment strategies used in ancient DNA research for the specific enrichment of pathogen DNA regarding their efficiency, specificity, and reproducibility for ancient and modern Mycobacterium leprae and Treponema pallidum samples. Array-based capture and in-solution capture with RNA and DNA baits were all tested in three independent replicates.

Recent ancient DNA studies have revealed that the genetic history of modern Europeans was shaped by a series of migration and admixture events between deeply diverged groups. While these events are well described in Central and Southern Europe, genetic evidence from Northern Europe surrounding the Baltic Sea is still sparse. Here we report genome-wide DNA data from 24 ancient North Europeans ranging from ~7,500 to 200 calBCE spanning the transition from a hunter-gatherer to an agricultural lifestyle, as well as the adoption of bronze metallurgy. We show that Scandinavia was settled after the retreat of the glacial ice sheets from a southern and a northern route, and that the first Scandinavian Neolithic farmers derive their ancestry from Anatolia 1000 years earlier than previously demonstrated. The range of Western European Mesolithic hunter-gatherers extended to the east of the Baltic Sea, where these populations persisted without gene-flow from Central European farmers until around 2,900 calBCE when the arrival of steppe pastoralists introduced a major shift in economy and established wide-reaching networks of contact within the Corded Ware Complex.

DNA extracted from herbarium specimens is highly fragmented and decays at a faster rate than DNA from ancient bones. Therefore, it is crucial to utilize extraction protocols that retrieve short DNA molecules. Improvements in extraction and library preparation protocols for animal remains have allowed efficient retrieval of molecules shorter than 50 bp. We adapted those improvements to extraction protocols for herbarium specimens and evaluated their performance by shotgun sequencing, which allows an accurate estimation of the distribution of fragment lengths. Extraction with PTB buffer decreased median fragment length by 35% when compared to CTAB. Modifying the binding conditions of DNA to silica allowed for an additional decrease of 10%. We did not observe a further decrease in length when we used single-stranded instead of double-stranded library preparation methods. Our protocol enables the retrieval of ultrashort molecules from herbarium specimens and will help to unlock the genetic information stored in herbaria.

Recent ancient DNA studies of western Eurasia have revealed a dynamic history of admixture, with evidence for major migrations during the Neolithic and Bronze Age. The population of the Mediterranean island of Sardinia has been notable in these studies -- Neolithic individuals from mainland Europe cluster more closely with Sardinian individuals than with all other present-day Europeans. The current model to explain this result is that Sardinia received an initial influx of Neolithic ancestry and then remained relatively isolated from expansions in the later Neolithic and Bronze Age that took place in continental Europe. To test this model, we generated genome-wide capture data (approximately 1.2 million variants) for 43 ancient Sardinian individuals spanning the Neolithic through the Bronze Age, including individuals from Sardinia's Nuragic culture, which is known for the construction of numerous large stone towers throughout the island. We analyze these new samples in the context of previously generated genome-wide ancient DNA data from 972 ancient individuals across western Eurasia and whole-genome sequence data from approximately 1,500 modern individuals from Sardinia. The ancient Sardinian individuals show a strong affinity to western Mediterranean Neolithic populations and we infer a high degree of genetic continuity on the island from the Neolithic (around fifth millennium BCE) through the Nuragic period (second millennium BCE). In particular, during the Bronze Age in Sardinia, we do not find significant levels of the "Steppe" ancestry that was spreading in many other parts of Europe at that time. We also characterize subsequent genetic influx between the Nuragic period and the present. We detect novel, modest signals of admixture between 1,000 BCE and present-day, from ancestry sources in the eastern and northern Mediterranean. Within Sardinia, we confirm that populations from the more geographically isolated mountainous provinces have experienced elevated levels of genetic drift and that northern and southwestern regions of the island received more gene flow from outside Sardinia. Overall, our genetic analysis sheds new light on the origin of Neolithic settlement on Sardinia, reinforces models of genetic continuity on the island, and provides enhanced power to detect post-Bronze-Age gene flow. Together, these findings offer a refined demographic model for future medical genetic studies in Sardinia.