Abstract Population mixture is an important process in biology. We present a suite of methods for learning about population mixtures, implemented in a software package called ADMIXTOOLS, that support formal tests for whether mixture occurred and make it possible to infer proportions and dates of mixture. We also describe the development of a new single nucleotide polymorphism (SNP) array consisting of 629,433 sites with clearly documented ascertainment that was specifically designed for population genetic analyses and that we genotyped in 934 individuals from 53 diverse populations. To illustrate the methods, we give a number of examples that provide new insights about the history of human admixture. The most striking finding is a clear signal of admixture into northern Europe, with one ancestral population related to present-day Basques and Sardinians and the other related to present-day populations of northeast Asia and the Americas. This likely reflects a history of admixture between Neolithic migrants and the indigenous Mesolithic population of Europe, consistent with recent analyses of ancient bones from Sweden and the sequencing of the genome of the Tyrolean “Iceman.”

We present a high-quality genome sequence of a Neanderthal woman from Siberia. We show that her parents were related at the level of half-siblings and that mating among close relatives was common among her recent ancestors. We also sequenced the genome of a Neanderthal from the Caucasus to low coverage. An analysis of the relationships and population history of available archaic genomes and 25 present-day human genomes shows that several gene flow events occurred among Neanderthals, Denisovans and early modern humans, possibly including gene flow into Denisovans from an unknown archaic group. Thus, interbreeding, albeit of low magnitude, occurred among many hominin groups in the Late Pleistocene. In addition, the high-quality Neanderthal genome allows us to establish a definitive list of substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans. A complete genome sequence is presented of a female Neanderthal from Siberia, providing information about interbreeding between close relatives and uncovering gene flow events among Neanderthals, Denisovans and early modern humans, as well as establishing substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans. Recent excavations in the Denisova Cave in the Altai Mountains of southern Siberia have yielded a wealth of hominin fossils from a site that has been occupied for perhaps 250,000 years or more. Now a high-quality genome sequence has been determined from a circa 50,000-year-old toe bone — a proximal toe phalanx — excavated from the east gallery of Denisova Cave in 2010. The sequence is that of a Neanderthal woman whose parents were closely related — perhaps half-siblings or uncle and niece. Such inbreeding was also common among her recent ancestors. Comparisons with other archaic and present-day human genomes reveal several gene-flow events among Neanderthals, the closely related Denisovans and early modern humans, possibly including gene flow into Denisovans from an unknown archaic group. The high-quality Neanderthal genome also helps to establish a definitive list of substitutions that became fixed in modern humans after their separation from the ancestors of Neanderthals and Denisovans.

Ancient Genomics The Denisovans were archaic humans closely related to Neandertals, whose populations overlapped with the ancestors of modern-day humans. Using a single-stranded library preparation method, Meyer et al. (p. 222 , published online 30 August) provide a detailed analysis of a high-quality Denisovan genome. The genomic sequence provides evidence for very low rates of heterozygosity in the Denisova, probably not because of recent inbreeding, but instead because of a small population size. The genome sequence also illuminates the relationships between humans and archaics, including Neandertals, and establishes a catalog of genetic changes within the human lineage.

Using DNA extracted from a finger bone found in Denisova Cave in southern Siberia, we have sequenced the genome of an archaic hominin to about 1.9-fold coverage. This individual is from a group that shares a common origin with Neanderthals. This population was not involved in the putative gene flow from Neanderthals into Eurasians; however, the data suggest that it contributed 4–6% of its genetic material to the genomes of present-day Melanesians. We designate this hominin population ‘Denisovans’ and suggest that it may have been widespread in Asia during the Late Pleistocene epoch. A tooth found in Denisova Cave carries a mitochondrial genome highly similar to that of the finger bone. This tooth shares no derived morphological features with Neanderthals or modern humans, further indicating that Denisovans have an evolutionary history distinct from Neanderthals and modern humans. Anatomically modern humans were in Africa from some point after 200,000 years ago and reached Eurasia rather later. Meanwhile, archaic hominins — including the Neanderthals — had been in Eurasia from at least 230,000 years ago and disappear from the fossil record only about 30,000 years ago. The genome of a female archaic hominin from Denisova Cave in southern Siberia has now been sequenced from DNA extracted from a finger bone. The group to which this 'Denisovan' individual belonged shares a common origin with Neanderthals and, although it was not involved in the putative gene flow from Neanderthals into Eurasians, it contributed 4–6% of the genomes of present-day Melanesians. In addition, the morphology of a tooth with a mitochondrial genome very similar to that of the finger bone suggests that these hominins are evolutionarily distinct from both Neanderthals and modern humans. Using DNA from a finger bone, the genome of an archaic hominin from southern Siberia has been sequenced to about 1.9-fold coverage. The group to which this individual belonged shares a common origin with Neanderthals, and although it was not involved in the putative gene flow from Neanderthals into Eurasians, it contributed 4–6% of its genetic material to the genomes of present-day Melanesians. A tooth whose mitochondrial genome is very similar to that of the finger bone further suggests that these hominins are evolutionarily distinct from Neanderthals and modern humans.

We generated genome-wide data from 69 Europeans who lived between 8,000-3,000 years ago by enriching ancient DNA libraries for a target set of almost 400,000 polymorphisms. Enrichment of these positions decreases the sequencing required for genome-wide ancient DNA analysis by a median of around 250-fold, allowing us to study an order of magnitude more individuals than previous studies and to obtain new insights about the past. We show that the populations of Western and Far Eastern Europe followed opposite trajectories between 8,000-5,000 years ago. At the beginning of the Neolithic period in Europe, ∼8,000-7,000 years ago, closely related groups of early farmers appeared in Germany, Hungary and Spain, different from indigenous hunter-gatherers, whereas Russia was inhabited by a distinctive population of hunter-gatherers with high affinity to a ∼24,000-year-old Siberian. By ∼6,000-5,000 years ago, farmers throughout much of Europe had more hunter-gatherer ancestry than their predecessors, but in Russia, the Yamnaya steppe herders of this time were descended not only from the preceding eastern European hunter-gatherers, but also from a population of Near Eastern ancestry. Western and Eastern Europe came into contact ∼4,500 years ago, as the Late Neolithic Corded Ware people from Germany traced ∼75% of their ancestry to the Yamnaya, documenting a massive migration into the heartland of Europe from its eastern periphery. This steppe ancestry persisted in all sampled central Europeans until at least ∼3,000 years ago, and is ubiquitous in present-day Europeans. These results provide support for a steppe origin of at least some of the Indo-European languages of Europe.

Here we report the Simons Genome Diversity Project data set: high quality genomes from 300 individuals from 142 diverse populations. These genomes include at least 5.8 million base pairs that are not present in the human reference genome. Our analysis reveals key features of the landscape of human genome variation, including that the rate of accumulation of mutations has accelerated by about 5% in non-Africans compared to Africans since divergence. We show that the ancestors of some pairs of present-day human populations were substantially separated by 100,000 years ago, well before the archaeologically attested onset of behavioural modernity. We also demonstrate that indigenous Australians, New Guineans and Andamanese do not derive substantial ancestry from an early dispersal of modern humans; instead, their modern human ancestry is consistent with coming from the same source as that of other non-Africans. Deep whole-genome sequencing of 300 individuals from 142 diverse populations provides insights into key population genetic parameters, shows that all modern human ancestry outside of Africa including in Australasians is consistent with descending from a single founding population, and suggests a higher rate of accumulation of mutations in non-Africans compared to Africans since divergence. 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.

Ancient DNA makes it possible to observe natural selection directly by analysing samples from populations before, during and after adaptation events. Here we report a genome-wide scan for selection using ancient DNA, capitalizing on the largest ancient DNA data set yet assembled: 230 West Eurasians who lived between 6500 and 300 bc, including 163 with newly reported data. The new samples include, to our knowledge, the first genome-wide ancient DNA from Anatolian Neolithic farmers, whose genetic material we obtained by extracting from petrous bones, and who we show were members of the population that was the source of Europe's first farmers. We also report a transect of the steppe region in Samara between 5600 and 300 bc, which allows us to identify admixture into the steppe from at least two external sources. We detect selection at loci associated with diet, pigmentation and immunity, and two independent episodes of selection on height.

A sequencing study comparing ancient and contemporary genomes reveals that most present-day Europeans derive from at least three highly differentiated populations: west European hunter-gatherers, ancient north Eurasians (related to Upper Palaeolithic Siberians) and early European farmers of mainly Near Eastern origin. By sequencing and comparing the genomes of nine ancient Europeans that bridge the transition to agriculture in Europe between 8,000 and 7,000 years ago, David Reich and colleagues show that most present-day Europeans derive from at least three highly differentiated populations — west European hunter-gatherers, ancient north Eurasians (related to Upper Palaeolithic Siberians) and early European farmers of mainly Near Eastern origin. They further propose that early European farmers had about 44% ancestry from a 'basal Eurasian' population that split before the diversification of other non-African lineages. These results raise interesting new questions, for instance that of where and when the Near Eastern farmers mixed with European hunter-gatherers to produce the early European farmers. We sequenced the genomes of a ∼7,000-year-old farmer from Germany and eight ∼8,000-year-old hunter-gatherers from Luxembourg and Sweden. We analysed these and other ancient genomes1,2,3,4 with 2,345 contemporary humans to show that most present-day Europeans derive from at least three highly differentiated populations: west European hunter-gatherers, who contributed ancestry to all Europeans but not to Near Easterners; ancient north Eurasians related to Upper Palaeolithic Siberians3, who contributed to both Europeans and Near Easterners; and early European farmers, who were mainly of Near Eastern origin but also harboured west European hunter-gatherer related ancestry. We model these populations’ deep relationships and show that early European farmers had ∼44% ancestry from a ‘basal Eurasian’ population that split before the diversification of other non-African lineages.

In the modern human genome, elevated Neanderthal ancestry is found at genes affecting keratin filaments, suggesting that gene flow with Neanderthals helped modern humans to adapt to non-African environments; deficiencies of Neanderthal ancestry are also found, particularly on the X chromosome and in genes expressed highly in testes, suggesting that some Neanderthal mutations were not tolerated on a modern human genetic background as they reduced male fertility. The modern human genome contains traces of Neanderthal ancestry. But is Neanderthal DNA distributed uniformly across the human genome, or is it concentrated more in some parts than in others? Sriram Sankararaman et al. show that parts of the human genome enriched for genes affecting keratin filaments (in hair, for example) also contain a relatively high concentration of Neanderthal DNA, suggesting that this DNA helped modern humans adapt to the chillier non-African environment. On the downside, many Neanderthal-derived alleles are associated with disease risk. Other parts of the human genome contain a deficiency of Neanderthal alleles, implying their active removal in evolution. Among the 'lost' genes are a number expressed in the testis and on the X chromosome, implying that Neanderthal DNA reduced human fertility when moved to a modern human genetic background. Genomic studies have shown that Neanderthals interbred with modern humans, and that non-Africans today are the products of this mixture1,2. The antiquity of Neanderthal gene flow into modern humans means that genomic regions that derive from Neanderthals in any one human today are usually less than a hundred kilobases in size. However, Neanderthal haplotypes are also distinctive enough that several studies have been able to detect Neanderthal ancestry at specific loci1,3,4,5,6,7,8. We systematically infer Neanderthal haplotypes in the genomes of 1,004 present-day humans9. Regions that harbour a high frequency of Neanderthal alleles are enriched for genes affecting keratin filaments, suggesting that Neanderthal alleles may have helped modern humans to adapt to non-African environments. We identify multiple Neanderthal-derived alleles that confer risk for disease, suggesting that Neanderthal alleles continue to shape human biology. An unexpected finding is that regions with reduced Neanderthal ancestry are enriched in genes, implying selection to remove genetic material derived from Neanderthals. Genes that are more highly expressed in testes than in any other tissue are especially reduced in Neanderthal ancestry, and there is an approximately fivefold reduction of Neanderthal ancestry on the X chromosome, which is known from studies of diverse species to be especially dense in male hybrid sterility genes10,11,12. These results suggest that part of the explanation for genomic regions of reduced Neanderthal ancestry is Neanderthal alleles that caused decreased fertility in males when moved to a modern human genetic background.

Mark Daly and colleagues present a statistical framework to evaluate the role of de novo mutations in human disease by calibrating a model of de novo mutation rates at the individual gene level. The mutation probabilities defined by their model and list of constrained genes can be used to help identify genetic variants that have a significant role in disease. Spontaneously arising (de novo) mutations have an important role in medical genetics. For diseases with extensive locus heterogeneity, such as autism spectrum disorders (ASDs), the signal from de novo mutations is distributed across many genes, making it difficult to distinguish disease-relevant mutations from background variation. Here we provide a statistical framework for the analysis of excesses in de novo mutation per gene and gene set by calibrating a model of de novo mutation. We applied this framework to de novo mutations collected from 1,078 ASD family trios, and, whereas we affirmed a significant role for loss-of-function mutations, we found no excess of de novo loss-of-function mutations in cases with IQ above 100, suggesting that the role of de novo mutations in ASDs might reside in fundamental neurodevelopmental processes. We also used our model to identify ∼1,000 genes that are significantly lacking in functional coding variation in non-ASD samples and are enriched for de novo loss-of-function mutations identified in ASD cases.