Neandertals, the closest evolutionary relatives of present-day humans, lived in large parts of Europe and western Asia before disappearing 30,000 years ago. We present a draft sequence of the Neandertal genome composed of more than 4 billion nucleotides from three individuals. Comparisons of the Neandertal genome to the genomes of five present-day humans from different parts of the world identify a number of genomic regions that may have been affected by positive selection in ancestral modern humans, including genes involved in metabolism and in cognitive and skeletal development. We show that Neandertals shared more genetic variants with present-day humans in Eurasia than with present-day humans in sub-Saharan Africa, suggesting that gene flow from Neandertals into the ancestors of non-Africans occurred before the divergence of Eurasian groups from each other.

Although many animals communicate vocally, no extant creature rivals modern humans in language ability. Therefore, knowing when and under what evolutionary pressures our capacity for language evolved is of great interest. Here, we find that our closest extinct relatives, the Neandertals, share with modern humans two evolutionary changes in FOXP2, a gene that has been implicated in the development of speech and language. We furthermore find that in Neandertals, these changes lie on the common modern human haplotype, which previously was shown to have been subject to a selective sweep. These results suggest that these genetic changes and the selective sweep predate the common ancestor (which existed about 300,000-400,000 years ago) of modern human and Neandertal populations. This is in contrast to more recent age estimates of the selective sweep based on extant human diversity data. Thus, these results illustrate the usefulness of retrieving direct genetic information from ancient remains for understanding recent human evolution.

It is known that there was gene flow from Neanderthals to modern humans around 50,000 years ago; now, analysis of a Neanderthal genome from the Altai Mountains in Siberia reveals evidence of gene flow 100,000 years ago in the other direction—from early modern humans to Neanderthals. Sergi Castellano and colleagues analyse genomic data from Neanderthal and Denisovan modern humans from the Altai Mountains in Siberia and from Neanderthals from Spain and Croatia. Using a Bayesian method for inference of demographic models known as G-PhoCS (Generalized Phylogenetic Coalescent Sampler), the authors obtain preliminary quantitative estimates of previously reported gene flow events between modern and archaic humans. They also report evidence of gene flow from an early modern human population to the ancestors of Neanderthals from the Altai Mountains more than 100,000 years ago, in the opposite direction to the instances of gene flow from Neanderthals to modern humans. It has been shown that Neanderthals contributed genetically to modern humans outside Africa 47,000–65,000 years ago. Here we analyse the genomes of a Neanderthal and a Denisovan from the Altai Mountains in Siberia together with the sequences of chromosome 21 of two Neanderthals from Spain and Croatia. We find that a population that diverged early from other modern humans in Africa contributed genetically to the ancestors of Neanderthals from the Altai Mountains roughly 100,000 years ago. By contrast, we do not detect such a genetic contribution in the Denisovan or the two European Neanderthals. We conclude that in addition to later interbreeding events, the ancestors of Neanderthals from the Altai Mountains and early modern humans met and interbred, possibly in the Near East, many thousands of years earlier than previously thought.

Economic Ancient DNA Sequencing Analysis of ancient DNA is often limited by the availability of ancient material for sequencing. Briggs et al. (p. 318 ; see the news story by Pennisi ) describe a method of ancient DNA sequence retrieval that greatly reduces shotgun sequencing costs while avoiding the many difficulties associated with direct PCR-based approaches. They generated five complete and one near-complete Neandertal mitochondrial DNA genomes, which would have been economically impossible with a simple shotgun approach. Analysis of these genomes shows that Neandertal populations had a much smaller effective population size than modern humans or great apes.

Analysis of calcified dental plaque (calculus) specimens from Neanderthals shows marked regional differences in diet and microbiota and evidence of self-medication in one individual, and identifies prevalent microorganisms and their divergence between Neanderthals and modern humans. The Neanderthal diet has been much debated, with evidence for a meat-rich diet conflicting with evidence from tooth wear that suggests more varied fare. Laura Weyrich and colleagues sequenced DNA from the dental calculus of five Neanderthal individuals from across Europe to provide a genetic reconstruction of their diet and health. They found that a Neanderthal from Spy in Belgium dined on rhinoceros and mutton, whereas another, from El Sidrón in Spain, ate pine nuts, moss and mushrooms. Their results also suggest that the Spanish Neanderthal had a dental abscess and a stomach bug that they were self-medicating with poplar, a natural painkiller, and the antibiotic-producing Penicillium bacteria. The team also uncovered the oldest microbial genome to date, that of Methanobrevibacter oralis at 48,000 years old. Recent genomic data have revealed multiple interactions between Neanderthals and modern humans1, but there is currently little genetic evidence regarding Neanderthal behaviour, diet, or disease. Here we describe the shotgun-sequencing of ancient DNA from five specimens of Neanderthal calcified dental plaque (calculus) and the characterization of regional differences in Neanderthal ecology. At Spy cave, Belgium, Neanderthal diet was heavily meat based and included woolly rhinoceros and wild sheep (mouflon), characteristic of a steppe environment. In contrast, no meat was detected in the diet of Neanderthals from El Sidrón cave, Spain, and dietary components of mushrooms, pine nuts, and moss reflected forest gathering2,3. Differences in diet were also linked to an overall shift in the oral bacterial community (microbiota) and suggested that meat consumption contributed to substantial variation within Neanderthal microbiota. Evidence for self-medication was detected in an El Sidrón Neanderthal with a dental abscess4 and a chronic gastrointestinal pathogen (Enterocytozoon bieneusi). Metagenomic data from this individual also contained a nearly complete genome of the archaeal commensal Methanobrevibacter oralis (10.2× depth of coverage)—the oldest draft microbial genome generated to date, at around 48,000 years old. DNA preserved within dental calculus represents a notable source of information about the behaviour and health of ancient hominin specimens, as well as a unique system that is useful for the study of long-term microbial evolution.

Tracing our ancestors in cave sediments Analysis of DNA from archaic hominids has illuminated human evolution. However, sites where thousand-year-old bones and other remains can be found are relatively rare. Slon et al. wanted to exploit any trace remains that our ancestors left behind. They looked for ancient DNA of hominids and other mammals in cave sediments, even those lacking skeletal remains. They identified mitochondrial DNA from Neandertal and Denisovan individuals in cave sediments at multiple sites. Science , this issue p. 605

The melanocortin 1 receptor (MC1R) regulates pigmentation in humans and other vertebrates. Variants of MC1R with reduced function are associated with pale skin color and red hair in humans of primarily European origin. We amplified and sequenced a fragment of the MC1R gene ( mc1r ) from two Neanderthal remains. Both specimens have a mutation that was not found in ∼3700 modern humans analyzed. Functional analyses show that this variant reduces MC1R activity to a level that alters hair and/or skin pigmentation in humans. The impaired activity of this variant suggests that Neanderthals varied in pigmentation levels, potentially on the scale observed in modern humans. Our data suggest that inactive MC1R variants evolved independently in both modern humans and Neanderthals.

It is now possible to perform whole-genome shotgun sequencing as well as capture of specific genomic regions for extinct organisms. However, targeted resequencing of large parts of nuclear genomes has yet to be demonstrated for ancient DNA. Here we show that hybridization capture on microarrays can successfully recover more than a megabase of target regions from Neandertal DNA even in the presence of ~99.8% microbial DNA. Using this approach, we have sequenced ~14,000 protein-coding positions inferred to have changed on the human lineage since the last common ancestor shared with chimpanzees. By generating the sequence of one Neandertal and 50 present-day humans at these positions, we have identified 88 amino acid substitutions that have become fixed in humans since our divergence from the Neandertals.