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 Individuals infected with the SARS-CoV-2 virus present with a wide variety of phenotypes ranging from asymptomatic to severe and even lethal outcomes. Past research has revealed a genetic haplotype on chromosome 3 that entered the human population via introgression from Neanderthals as the strongest genetic risk factor for the severe COVID-19 phenotype. However, the specific variants along this introgressed haplotype that contribute to this risk and the biological mechanisms that are involved remain unclear. Here, we assess the variants present on the risk haplotype for their likelihood of driving the severe COVID-19 phenotype. We do this by first exploring their impact on the regulation of genes involved in COVID-19 infection using a variety of population genetics and functional genomics tools. We then perform an locus-specific massively parallel reporter assay to individually assess the regulatory potential of each allele on the haplotype in a multipotent immune-related cell line. We ultimately reduce the set of over 600 linked genetic variants to identify 4 introgressed alleles that are strong functional candidates for driving the association between this locus and severe COVID-19. These variants likely drive the locus’ impact on severity by putatively modulating the regulation of two critical chemokine receptor genes: CCR1 and CCR5 . These alleles are ideal targets for future functional investigations into the interaction between host genomics and COVID-19 outcomes.

Summary The geographical location and shape of Apulia, a narrow land stretching out in the sea at the South of Italy, made this region a Mediterranean crossroads connecting Western Europe and the Balkans. Such movements culminated at the beginning of the Iron Age with the Iapygian civilization which consisted of three cultures: Peucetians, Messapians and Daunians. Among them, the Daunians left a peculiar cultural heritage, with one-of-a-kind stelae and pottery, but, despite the extensive archaeological literature, their origin has been lost to time. In order to shed light on this and to provide a genetic picture of Iron Age Southern Italy, we collected and sequenced human remains from three archaeological sites geographically located in Northern Apulia (the area historically inhabited by Daunians) and radiocarbon dated between 1157 and 275 calBCE. We find that Iron Age Apulian samples are still distant from the genetic variability of modern-day Apulians, they show a remarkable genetic heterogeneity, even though a few kilometers and centuries separate them, and they are well inserted into the Iron Age Pan-Mediterranean genetic landscape. Our study provides for the first time a window on the genetic make-up of pre-imperial Southern Italy, whose increasing connectivity within the Mediterranean landscape, would have contributed to laying the foundation for modern genetic variability. In this light, the genetic profile of Daunians may be compatible with an autochthonous origin, with plausible contributions from the Balkan peninsula.

Abstract The contemporary European genetic makeup formed in the last 8000 years as the combination of three main genetic components: the local Western Hunter-Gatherers, the incoming Neolithic Farmers from Anatolia and the Bronze Age component from the Pontic Steppes. When meeting into the post-Neolithic European environment, the genetic variants accumulated during their three distinct evolutionary histories mixed and came into contact with new environmental challenges. Here we investigate how this genetic legacy reflects on the complex trait landscape of contemporary European populations, using the Estonian Biobank as a case study. For the first time we directly connect the phenotypic information available from biobank samples with the genetic similarity to these ancestral groups, both at a genome-wide level and focusing on genomic regions associated with each of the 27 complex traits we investigated. We also found SNPs connected to pigmentation, cholesterol, sleep, diastolic blood pressure, and body mass index (BMI) to show signals of selection following the post Neolithic admixture events. We recapitulate existing knowledge about pigmentation traits, corroborate the connection between Steppe ancestry and height and highlight novel associations. Among others, we report the contribution of Hunter Gatherer ancestry towards high BMI and low blood cholesterol levels. Our results show that the ancient components that form the contemporary European genome were differentiated enough to contribute ancestry-specific signatures to the phenotypic variability displayed by contemporary individuals in at least 11 out of 27 of the complex traits investigated here.

SUMMARY The recently enriched genomic history of Indigenous groups in the Americas is still meagre concerning continental Central America. Here, we report ten pre-Hispanic (plus two early colonial) genomes and 84 genome-wide profiles from seven groups presently living in Panama. Our analyses reveal that pre-Hispanic demographic changes and isolation events contributed to create the extensive genetic structure currently seen in the area, which is also characterized by a distinctive Isthmo-Colombian Indigenous component. This component drives these populations on a specific variability axis and derives from the local admixture of different ancestries of northern North American origin(s). Two of these ancestries were differentially associated to Pleistocene Indigenous groups that also moved into South America leaving heterogenous footprints. An additional Pleistocene ancestry was brought by UPopI, a still unsampled population that remained restricted to the Isthmian area, expanded locally during the early Holocene, and left genomic traces up to the present.

Abstract Anatomically modern humans evolved around 300 thousand years ago in Africa 1 . Modern humans started to appear in the fossil record outside of Africa about 100 thousand years ago though other hominins existed throughout Eurasia much earlier 2–4 . Recently, several researchers argued in favour of a single out of Africa event for modern humans based on whole-genome sequences analyses 5–7 . However, the single out of Africa model is in contrast with some of the findings from fossil records, which supports two out of Africa 8,9 , and uniparental data, which proposes back to Africa movement 10,11 . Here, we used a novel deep learning approach coupled with Approximate Bayesian Computation and Sequential Monte Carlo to revisit these hypotheses from the whole genome sequence perspective. Our results support the back to Africa model over other alternatives. We estimated that there are two successive splits between Africa and out of African populations happening around 60-80 thousand years ago and separated by 12-13 thousand years. One of the populations resulting from the more recent split has to a large extent replaced the older West African population while the other one has founded the out of Africa populations.

Abstract Using contemporary people as proxies for ancient communities is a contentious but necessary practice in anthropology. In Southern Africa, the distinction between the Cape KhoeSan and eastern KhoeSan remains unclear as ethnicity labels are continually changed through time and most communities were extirpated. The eastern KhoeSan may reflect an ‘essentialistic’ biological distinction from neighbouring Bantu-speaking communities or it may not be tied to ‘race’ and instead denote communities with a nomadic ‘life-way’ distinct from agro-pastoralism. The BaPhuthi of the 1800s in the Maloti-Drakensberg, Southern Africa had a substantial San constituency and a life-way of nomadism, cattle raiding, and horticulture. The BaPhuthi heritage could provide insights into the history of the eastern KhoeSan. We examine for the first time genetic affinities of 23 BaPhuthi to distinguish if KhoeSan ancestry reflects biologically distinct heritage or a shared life-way. Data were merged with 52 global populations. The Principle Component Analysis, ADMIXTURE clustering and F 3 tests show no support for a unique eastern KhoeSan ancestry distinct from other KhoeSan or southern Bantu-speaking communities. The BaPhuthi have strong affinities with Nguni communities, as the non-Nguni show strong evidence of recent African admixture possibly related to late-iron age migrations. The BaPhuthi may have an interesting connection to the early iron-age Bantu-speaking communities as MALDER detected no signals for late-iron age admixture. We demonstrate how the ‘essentialistic’ understanding of references in historic literature creates misconstrued notions of ethnic/biological distinctions when ‘San’ and ‘Bushman’ may have reflected ambiguous references to the non-sedentary polities and practices.

Abstract Recent studies have showed the diverse genetic architecture of the highly consanguineous populations inhabiting the Arabian Peninsula. Consanguinity coupled with heterogeneity is complex and makes it difficult to understand the bases of population-specific genetic diseases in the region. Therefore, comprehensive genetic characterization of the populations at the finest scale is warranted. Here, we revisit the genetic structure of the Kuwait population by analyzing genome-wide single nucleotide polymorphisms data from 583 Kuwaiti individuals sorted into three subgroups. We envisage a diverse demographic genetic history among the three subgroups based on drift and allelic sharing with modern and ancient individuals. Furthermore, our comprehensive haplotype-based analyses disclose a high genetic heterogeneity among the Kuwaiti populations. We infer the major sources of ancestry within the newly defined groups; one with an obvious predominance of sub-Saharan/Western Africa mostly comprising Kuwait-B individuals, and other with West Eurasia including Kuwait-P and Kuwait-S individuals. Overall, our results recapitulate the historical population movements and reaffirm the genetic imprints of the legacy of continental trading in the region. Such deciphering of fine-scale population structure and their regional genetic heterogeneity would provide clues to the uncharted areas of disease-gene discovery and related associations in populations inhabiting the Arabian Peninsula.

Abstract American populations are one of the most interesting examples of recently admixed groups, where ancestral components from three major continental human groups (Africans, Eurasians and Native Americans) have admixed within the last 15 generations. Recently, several genetic surveys focusing on thousands of individuals shed light on the geography, chronology and relevance of these events. However, despite the fact that gene-flow could drive adaptive evolution, it is not clear whether and how natural selection acted on the resulting genetic variation in the Americas. In this study, we analysed the patterns of local ancestry of genomic fragments in genome-wide data for ∼6,000 admixed individuals from ten American countries. In doing so, we identified regions characterized by a Divergent Ancestry Profile (DAP), in which a significant over or under ancestral representation is evident. Our results highlighted a series of genomic regions with Divergent Ancestry Profiles (DAP) associated with immune system response and relevant medical traits, with the longest DAP region encompassing the Human Leukocyte Antigen locus. Furthermore, we found that DAP regions are enriched in genes linked to cancer-related traits and autoimmune diseases. Then, analyzing the biological impact of these regions, we showed that natural selection could have acted preferentially towards variants located in coding and non-coding transcripts, and characterized by a high deleteriousness score. Taken together, our analyses suggest that shared patterns of post admixture adaptation occurred at continental scale in the Americas, affecting more often functional and impactful genomic variants.