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.

Abstract At present day, human parental relatedness varies substantially across the globe, but little is known about the past. Here we use ancient DNA to provide new insights, leveraging that parental relatedness leaves traces in the offspring’s genome in the form of runs of homozygosity. We present a method to identify such runs in low-coverage ancient DNA data using linkage information from a reference panel of modern haplotypes. As a result, the method facilitates analysis of a much larger fraction of the global ancient DNA record than previously possible. Simulation and experiments show that this new method has power to detect runs of homozygosity longer than 4 centimorgan for ancient individuals with at least 0.3× coverage. We used this new method to analyze sequence data from 1,785 humans from the last 45,000 years. Generally, we detect very low rates of first cousin or closer unions across most ancient populations. Moreover, our results evidence a substantial impact of the adoption of agricultural lifestyles: We find a marked decay in background parental relatedness, co-occurring with or shortly after the advent of sedentary agriculture. We observe this signal, likely linked to increasing local population sizes, across several geographic regions worldwide.

Abstract Social anthropology and ethnographic studies have described kinship systems and networks of contact and exchange in extant populations 1–4 . However, for prehistoric societies, these systems can be studied only indirectly from biological and cultural remains. Stable isotope data, sex and age at death can provide insights into the demographic structure of a burial community and identify local versus non-local childhood signatures, archaeogenetic data can reconstruct the biological relationships between individuals, which enables the reconstruction of pedigrees, and combined evidence informs on kinship practices and residence patterns in prehistoric societies. Here we report ancient DNA, strontium isotope and contextual data from more than 100 individuals from the site Gurgy ‘les Noisats’ (France), dated to the western European Neolithic around 4850–4500 bc . We find that this burial community was genetically connected by two main pedigrees, spanning seven generations, that were patrilocal and patrilineal, with evidence for female exogamy and exchange with genetically close neighbouring groups. The microdemographic structure of individuals linked and unlinked to the pedigrees reveals additional information about the social structure, living conditions and site occupation. The absence of half-siblings and the high number of adult full siblings suggest that there were stable health conditions and a supportive social network, facilitating high fertility and low mortality 5 . Age-structure differences and strontium isotope results by generation indicate that the site was used for just a few decades, providing new insights into shifting sedentary farming practices during the European Neolithic.

Archaeogenetic studies have described two main genetic turnover events in prehistoric western Eurasia: one associated with the spread of farming and a sedentary lifestyle starting around 7000-6000 BC (refs. 1-3) and a second with the expansion of pastoralist groups from the Eurasian steppes starting around 3300 BC (refs. 4,5). The period between these events saw new economies emerging on the basis of key innovations, including metallurgy, wheel and wagon and horse domestication6-9. However, what happened between the demise of the Copper Age settlements around 4250 BC and the expansion of pastoralists remains poorly understood. To address this question, we analysed genome-wide data from 135 ancient individuals from the contact zone between southeastern Europe and the northwestern Black Sea region spanning this critical time period. While we observe genetic continuity between Neolithic and Copper Age groups from major sites in the same region, from around 4500 BC on, groups from the northwestern Black Sea region carried varying amounts of mixed ancestries derived from Copper Age groups and those from the forest/steppe zones, indicating genetic and cultural contact over a period of around 1,000 years earlier than anticipated. We propose that the transfer of critical innovations between farmers and transitional foragers/herders from different ecogeographic zones during this early contact was integral to the formation, rise and expansion of pastoralist groups around 3300 BC.

Nubia has been a corridor for the movement of goods, culture, and people between sub-Saharan Africa, Egypt, and West Eurasia since prehistory, but little is known about the genetic landscape of the region prior to the influence of the Islamic migrations that began in the late 1st millennium CE. We report genome-wide data for 66 individuals from the site of Kulubnarti (∼650–1000 CE), increasing the number of ancient individuals with genome-level data from the Nile Valley from three to 69. Our results shed light on the genetic ancestry of a Christian Period group and help to address a long-standing question about the relationships among people buried in two neighboring cemeteries who show skeletal evidence of differences in morbidity and mortality that are broadly suggestive of differences in social status. We find that the Kulubnarti Nubians were admixed with ∼43% Nilotic-related ancestry on average (individual proportions varied between ∼36-54%) and the remaining ancestry reflecting a West Eurasian-related gene pool likely introduced into Nubia through Egypt, but ultimately deriving from an ancestry pool like that found in the Bronze and Iron Age Levant. The admixed ancestry at Kulubnarti reflects interactions between genetically-distinct people in northeast Africa spanning almost a millennium, with West Eurasian ancestry disproportionately associated with females, highlighting the impact of female mobility in this region. We find no significant differences in ancestry among individuals from the two plausibly socially-stratified cemeteries at Kulubnarti, supporting hypotheses that the groups may have been socially divided but were not genetically distinct. We identify seven pairs of inter-cemetery relatives as close as second-degree, suggesting that any social divisions at Kulubnarti did not prevent mixing between groups. Present-day Nubians are not directly descended from the Christian Period people from Kulubnarti without additional admixture, attesting to the dynamic history of interaction that continues to shape the cultural and genetic landscape of Nubia.

Humans settled the Caribbean ~6,000 years ago, with intensified agriculture and ceramic use marking a shift from the Archaic Age to the Ceramic Age ~2,500 years ago. To shed new light on the history of Caribbean people, we report genome-wide data from 184 individuals predating European contact from The Bahamas, Cuba, Hispaniola, Puerto Rico, Curaçao, and northwestern Venezuela. A largely homogeneous ceramic-using population most likely originating in northeastern South America and related to present-day Arawak-speaking groups moved throughout the Caribbean at least 1,800 years ago, spreading ancestry that is still detected in parts of the region today. These people eventually almost entirely replaced Archaic-related lineages in Hispaniola but not in northwestern Cuba, where unadmixed Archaic-related ancestry persisted into the last millennium. We document high mobility and inter-island connectivity throughout the Ceramic Age as reflected in relatives buried ~75 kilometers apart in Hispaniola and low genetic differentiation across many Caribbean islands, albeit with subtle population structure distinguishing the Bahamian islands we studied from the rest of the Caribbean and from each other, and long-term population continuity in southeastern coastal Hispaniola differentiating this region from the rest of the island. Ceramic-associated people avoided close kin unions despite limited mate pools reflecting low effective population sizes (2N e =1000-2000) even at sites on the large Caribbean islands. While census population sizes can be an order of magnitude larger than effective population sizes, pan-Caribbean population size estimates of hundreds of thousands are likely too large. Transitions in pottery styles show no evidence of being driven by waves of migration of new people from mainland South America; instead, they more likely reflect the spread of ideas and people within an interconnected Caribbean world.

Abstract Neandertal DNA makes up 2-3% of the genomes of all non-African individuals. The patterns of Neandertal ancestry in modern humans have been used to estimate that this is the result of gene flow that occurred during the expansion of modern humans into Eurasia, but the precise dates of this event remain largely unknown. Here, we introduce an extended admixture pulse model that allows joint estimation of the timing and duration of gene flow. This model leads to simple expressions for both the admixture segment distribution and the decay curve of ancestry linkage disequilibrium, and we show that these two statistics are closely related. In simulations, we find that estimates of the mean time of admixture are largely robust to details in gene flow models, but that the duration of the gene flow can only be recovered if gene flow is very recent and the exact recombination map is known. These results imply that gene flow from Neandertals into modern humans could have happened over hundreds of generations. Ancient genomes from the time around the admixture event are thus likely required to resolve the question when, where, and for how long humans and Neandertals interacted.

The Yamnaya archaeological complex appeared around 3300BCE across the steppes north of the Black and Caspian Seas, and by 3000BCE reached its maximal extent from Hungary in the west to Kazakhstan in the east. To localize the ancestral and geographical origins of the Yamnaya among the diverse Eneolithic people that preceded them, we studied ancient DNA data from 428 individuals of which 299 are reported for the first time, demonstrating three previously unknown Eneolithic genetic clines. First, a “Caucasus-Lower Volga” (CLV) Cline suffused with Caucasus hunter-gatherer (CHG) ancestry extended between a Caucasus Neolithic southern end in Neolithic Armenia, and a steppe northern end in Berezhnovka in the Lower Volga. Bidirectional gene flow across the CLV cline created admixed intermediate populations in both the north Caucasus, such as the Maikop people, and on the steppe, such as those at the site of Remontnoye north of the Manych depression. CLV people also helped form two major riverine clines by admixing with distinct groups of European hunter-gatherers. A “Volga Cline” was formed as Lower Volga people mixed with upriver populations that had more Eastern hunter-gatherer (EHG) ancestry, creating genetically hyper-variable populations as at Khvalynsk in the Middle Volga. A “Dnipro Cline” was formed as CLV people bearing both Caucasus Neolithic and Lower Volga ancestry moved west and acquired Ukraine Neolithic hunter-gatherer (UNHG) ancestry to establish the population of the Serednii Stih culture from which the direct ancestors of the Yamnaya themselves were formed around 4000BCE. This population grew rapidly after 3750-3350BCE, precipitating the expansion of people of the Yamnaya culture who totally displaced previous groups on the Volga and further east, while admixing with more sedentary groups in the west. CLV cline people with Lower Volga ancestry contributed four fifths of the ancestry of the Yamnaya, but also, entering Anatolia from the east, contributed at least a tenth of the ancestry of Bronze Age Central Anatolians, where the Hittite language, related to the Indo-European languages spread by the Yamnaya, was spoken. We thus propose that the final unity of the speakers of the “Proto-Indo-Anatolian” ancestral language of both Anatolian and Indo-European languages can be traced to CLV cline people sometime between 4400-4000 BCE. Abstract Figure Summary Figure: The origin of Indo-Anatolian and Indo-European languages. Genetic reconstruction of the ancestry of Pontic-Caspian steppe and West Asian populations points to the North Caucasus-Lower Volga area as the homeland of Indo-Anatolian languages and to the Serednii Stih archaeological culture of the Dnipro-Don area as the homeland of Indo-European languages. The Caucasus-Lower Volga people had diverse distal roots, estimated using the qpAdm software on the left barplot, as Caucasus hunter-gatherer (purple), Central Asian (red), Eastern hunter-gatherer (pink), and West Asian Neolithic (green). Caucasus-Lower Volga expansions, estimated using qpAdm on the right barplot as disseminated Caucasus Neolithic (blue)-Lower Volga Eneolithic (orange) proximal ancestries, mixing with the inhabitants of the North Pontic region (yellow), Volga region (yellow), and West Asia (green).

ABSTRACT Recently it has become feasible to detect long blocks of almost identical sequence shared between pairs of genomes. These so called IBD-blocks are direct traces of recent coalescence events, and as such contain ample signal for inferring recent demography. Here, we examine sharing of such blocks in two-dimensional populations with local migration. Using a diffusion approximation to trace genetic ancestry back in time, we derive analytical formulas for patterns of isolation by distance of long IBD-blocks, which can also incorporate recent population density changes. As a main result, we introduce an inference scheme that uses a composite likelihood approach to fit observed block sharing to these formulas. We assess our inference method on simulated block sharing data under several standard population genetics models. We first validate the diffusion approximation by showing that the theoretical results closely match simulated block sharing patterns. We then show that our inference scheme rather accurately and robustly recovers estimates of the dispersal rate and effective density, as well as bounds on recent dynamics of population density. To demonstrate an application, we use our estimation scheme to explore the fit of a diffusion model to Eastern European samples in the POPRES data set. We show that ancestry diffusing with a rate of during the last centuries, combined with accelerating population growth, can explain the observed exponential decay of block sharing with pairwise sample distance.

Abstract We report genome-wide data for 33 Ashkenazi Jews (AJ), dated to the 14 th century, following a salvage excavation at the medieval Jewish cemetery of Erfurt, Germany. The Erfurt individuals are genetically similar to modern AJ and have substantial Southern European ancestry, but they show more variability in Eastern European-related ancestry than modern AJ. A third of the Erfurt individuals carried the same nearly-AJ-specific mitochondrial haplogroup and eight carried pathogenic variants known to affect AJ today. These observations, together with high levels of runs of homozygosity, suggest that the Erfurt community had already experienced the major reduction in size that affected modern AJ. However, the Erfurt bottleneck was more severe, implying substructure in medieval AJ. Together, our results suggest that the AJ founder event and the acquisition of the main sources of ancestry pre-dated the 14 th century and highlight late medieval genetic heterogeneity no longer present in modern AJ.