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.

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.