Den första storskaliga studien av forntida mänskligt DNA från Afrika söder om Sahara öppnar ett efterlängtat fönster till identiteten för förhistoriska populationer i regionen och hur de flyttat runt och ersatt varandra under de senaste 8, 000 år.

Resultaten, publicerad 21 september in Cell av en internationell forskargrupp ledd av Harvard Medical School, svara på flera långvariga mysterier och avslöja överraskande detaljer om afrikanska härkomster söder om Sahara – inklusive genetiska anpassningar för en jägare-samlare-livsstil och de första glimtarna av befolkningsfördelningen innan bönder och djurskötare svepte över kontinenten omkring 3, 000 år sedan.

"De senaste tusen åren var en otroligt rik och formativ period som är nyckeln till att förstå hur befolkningen i Afrika kom dit de är idag, sa David Reich, professor i genetik vid HMS och senior associerad medlem av Broad Institute of MIT och Harvard. "Anor under den här tidsperioden är ett så outforskat landskap att allt vi lärde oss var nytt."

Reich delar seniorförfattarskapet av studien med Ron Pinhasi från Wiens universitet och Johannes Krause från Max Planck Institute for Science of Human History och University of Tübingen i Tyskland.

"Forntida DNA är det enda verktyg vi har för att karakterisera tidigare genomisk mångfald. Det lär oss saker som vi inte vet om historia från arkeologi och lingvistik och kan hjälpa oss att bättre förstå dagens befolkningar, sa Pontus Skoglund, en postdoktor i Reich-labbet och studiens första författare. "Vi måste se till att vi använder det till fördel för alla befolkningar runt om i världen, kanske särskilt Afrika, som innehåller den största mänskliga genetiska mångfalden i världen men har underbetjänats av genomiksamhället."

Länge på väg

Även om forntida DNA-forskning har avslöjat insikter i befolkningshistorien i många områden i världen, att fördjupa sig i afrikanska gruppers djupa härkomst var inte möjligt förrän nyligen eftersom genetiskt material bryts ned för snabbt i varma, fuktigt klimat.

Tekniska framsteg – inklusive upptäckten av Pinhasi och kollegor att DNA kvarstår längre i små, täta öronben — börjar nu bryta klimatbarriären. Förra året, Reich och kollegor använde de nya teknikerna för att generera de första genomomfattande data från de tidigaste bönderna i Främre Orienten, som levde mellan 8, 000 och 12, 000 år sedan.

I den nya studien, Skoglund med team, inklusive kollegor från Sydafrika, Malawi, Tanzania och Kenya, coaxed DNA från resterna av 15 forntida afrikaner söder om Sahara. Individerna kom från en mängd olika geografiska regioner och varierade i ålder från cirka 500 till 8, 500 år gammal.

Forskarna jämförde dessa antika genom - tillsammans med det enda andra kända antika genomet från regionen, tidigare publicerad 2015 – mot de av nästan 600 nuvarande människor från 59 afrikanska befolkningar och 300 personer från 142 icke-afrikanska grupper.

Med varje analys, avslöjanden rullade in.

"Vi skalar tillbaka de första lagren av jordbruksövergången söder om Sahara, ", sa Skoglund. "Vi kan redan se att det fanns ett helt annat landskap av populationer bara 2, 000 eller 3, 000 år sedan."

Genomisk time-lapse

Nästan hälften av teamets prover kom från Malawi, tillhandahåller en serie genomiska ögonblicksbilder från samma plats under tusentals år.

Tidsserien avslöjade förekomsten av en gammal jägare-samlarbefolkning som forskarna inte hade förväntat sig.

När jordbruket spred sig i Europa och Östasien, bönder och djurskötare expanderade till nya områden och blandades med jägare-samlare som bodde där. Dagens populationer ärvde alltså DNA från båda grupperna.

Den nya studien fann bevis för liknande rörelser och blandning i andra delar av Afrika, men efter att bönderna nått Malawi, jägare-samlare verkar ha försvunnit utan att ha bidragit med några spårbara anor till de människor som bor där idag.

"Det ser ut som att det var en fullständig befolkningsersättning, ", sade Reich. "Vi har inte sett tydliga bevis för en händelse som denna någon annanstans."

Malawis ögonblicksbilder hjälpte också till att identifiera en befolkning som sträckte sig från Afrikas södra spets hela vägen till ekvatorn cirka 1, 400 år sedan innan den försvann. Den mystiska gruppen delade anor med dagens Khoe-San (eller Khoisan) människor i södra Afrika och lämnade några DNA-spår i människor från en grupp öar tusentals kilometer bort, utanför Tanzanias kust.

"Det är fantastiskt att se dessa populationer i DNA:t som inte existerar längre, " sade Reich. "Det är uppenbart att insamling av ytterligare DNA-prover kommer att lära oss mycket mer."

"Khoe-San är ett så genetiskt distinkt folk, det var en överraskning att hitta en närbesläktad förfader så långt norrut för bara ett par tusen år sedan, " tillade Reich.

Den nya studien fann också att västafrikaner kan spåra sin härstamning tillbaka till en mänsklig förfader som kan ha splittrats från andra afrikanska populationer ännu tidigare än Khoe-San.

Saknade länkar

Forskningen belyser också ursprunget till en annan unik grupp, Hadza-folket i Östafrika.

"De har ett distinkt utseende, språk och genetik, och vissa människor spekulerade i att, som Khoe-San, de kan representera en mycket tidigt avvikande grupp från andra afrikanska befolkningar, " sa Reich. "Vår studie visar att istället, de är på något sätt mitt i allt."

Hadza, enligt genomiska jämförelser, är idag närmare släkt med icke-afrikaner än med andra afrikaner. Forskarna antar att Hadza är direkta ättlingar till gruppen som migrerade ut ur Afrika, och möjligen spridda även inom Afrika, efter ca 50, 000 år sedan.

En annan upptäckt låg och väntade i Östafrika.

Forskare hade förutspått förekomsten av en gammal befolkning baserat på observationen att dagens människor i södra Afrika delar anor med människor i Främre Orienten. Den 3, 000-åriga kvarlevor av en ung flicka i Tanzania gav de saknade bevisen.

Reich och kollegor misstänker att flickan tillhörde en vallbefolkning som bidrog med betydande anor till dagens människor från Etiopien och Somalia ner till Sydafrika. Den antika befolkningen var ungefär en tredjedel eurasier, och forskarna kunde ytterligare peka ut denna härkomst till Levantregionen.

"Med detta prov i handen, vi kan nu säga mer om vilka dessa människor var, sa Skoglund.

Fyndet satte ett mysterium till vila samtidigt som det uppfostrade ett annat:Nutida människor på Afrikas horn har ytterligare österländska härkomster som inte kan förklaras av gruppen som den unga flickan tillhörde.

Naturligt urval

Till sist, studien tog ett första steg i att använda forntida DNA för att förstå genetisk anpassning i afrikanska populationer.

Det krävde att "krama ut vatten ur en sten" eftersom forskarna arbetade med så få gamla prover, sa Reich, men Skoglund kunde identifiera två regioner av genomet som verkar ha genomgått naturligt urval hos södra afrikaner.

En anpassning ökade skyddet mot ultraviolett strålning, som forskarna föreslår kan relateras till livet i Kalahariöknen. Den andra varianten var lokaliserad på gener relaterade till smaklökar, vilket forskarna påpekar kan hjälpa människor att upptäcka gifter i växter.

Forskarna hoppas att deras studie uppmuntrar mer undersökning av det mångsidiga genetiska landskapet hos mänskliga populationer i Afrika, både förr och nu. Reich sa också att han hoppas att arbetet påminner folk om att afrikansk historia inte slutade 50, 000 år sedan när grupper av människor började migrera in i Främre Orienten och därefter.

"Den sena stenåldern i Afrika är som ett svart hål, forskningsmässigt, ", sa Reich. "Forntida DNA kan ta itu med den luckan."