Summary

 The body-wide human microbiome plays a role in health, but its full diversity remains uncharacterized, particularly outside of the gut and in international populations. We leveraged 9,428 metagenomes to reconstruct 154,723 microbial genomes (45% of high quality) spanning body sites, ages, countries, and lifestyles. We recapitulated 4,930 species-level genome bins (SGBs), 77% without genomes in public repositories (unknown SGBs [uSGBs]). uSGBs are prevalent (in 93% of well-assembled samples), expand underrepresented phyla, and are enriched in non-Westernized populations (40% of the total SGBs). We annotated 2.85 M genes in SGBs, many associated with conditions including infant development (94,000) or Westernization (106,000). SGBs and uSGBs permit deeper microbiome analyses and increase the average mappability of metagenomic reads from 67.76% to 87.51% in the gut (median 94.26%) and 65.14% to 82.34% in the mouth. We thus identify thousands of microbial genomes from yet-to-be-named species, expand the pangenomes of human-associated microbes, and allow better exploitation of metagenomic technologies.

With the quantity of genomic data increasing at an exponential rate, it is imperative that these data be captured electronically, in a standard format. Standardization activities must proceed within the auspices of open-access and international working bodies. To tackle the issues surrounding the development of better descriptions of genomic investigations, we have formed the Genomic Standards Consortium (GSC). Here, we introduce the minimum information about a genome sequence (MIGS) specification with the intent of promoting participation in its development and discussing the resources that will be required to develop improved mechanisms of metadata capture and exchange. As part of its wider goals, the GSC also supports improving the 'transparency' of the information contained in existing genomic databases.

The acquisition and development of the infant microbiome are key to establishing a healthy host-microbiome symbiosis. The maternal microbial reservoir is thought to play a crucial role in this process. However, the source and transmission routes of the infant pioneering microbes are poorly understood. To address this, we longitudinally sampled the microbiome of 25 mother-infant pairs across multiple body sites from birth up to 4 months postpartum. Strain-level metagenomic profiling showed a rapid influx of microbes at birth followed by strong selection during the first few days of life. Maternal skin and vaginal strains colonize only transiently, and the infant continues to acquire microbes from distinct maternal sources after birth. Maternal gut strains proved more persistent in the infant gut and ecologically better adapted than those acquired from other sources. Together, these data describe the mother-to-infant microbiome transmission routes that are integral in the development of the infant microbiome.

Several studies have investigated links between the gut microbiome and colorectal cancer (CRC), but questions remain about the replicability of biomarkers across cohorts and populations. We performed a meta-analysis of five publicly available datasets and two new cohorts and validated the findings on two additional cohorts, considering in total 969 fecal metagenomes. Unlike microbiome shifts associated with gastrointestinal syndromes, the gut microbiome in CRC showed reproducibly higher richness than controls (P < 0.01), partially due to expansions of species typically derived from the oral cavity. Meta-analysis of the microbiome functional potential identified gluconeogenesis and the putrefaction and fermentation pathways as being associated with CRC, whereas the stachyose and starch degradation pathways were associated with controls. Predictive microbiome signatures for CRC trained on multiple datasets showed consistently high accuracy in datasets not considered for model training and independent validation cohorts (average area under the curve, 0.84). Pooled analysis of raw metagenomes showed that the choline trimethylamine-lyase gene was overabundant in CRC (P = 0.001), identifying a relationship between microbiome choline metabolism and CRC. The combined analysis of heterogeneous CRC cohorts thus identified reproducible microbiome biomarkers and accurate disease-predictive models that can form the basis for clinical prognostic tests and hypothesis-driven mechanistic studies. Multicohort analysis identifies microbial signatures of colorectal cancer in fecal microbiomes.

Among the human health conditions linked to microbial communities, phenotypes are often associated with only a subset of strains within causal microbial groups. Although it has been critical for decades in microbial physiology to characterize individual strains, this has been challenging when using culture-independent high-throughput metagenomics. We introduce StrainPhlAn, a novel metagenomic strain identification approach, and apply it to characterize the genetic structure of thousands of strains from more than 125 species in more than 1500 gut metagenomes drawn from populations spanning North and South American, European, Asian, and African countries. The method relies on per-sample dominant sequence variant reconstruction within species-specific marker genes. It identified primarily subject-specific strain variants (<5% inter-subject strain sharing), and we determined that a single strain typically dominated each species and was retained over time (for >70% of species). Microbial population structure was correlated in several distinct ways with the geographic structure of the host population. In some cases, discrete subspecies (e.g., for Eubacterium rectale and Prevotella copri ) or continuous microbial genetic variations (e.g., for Faecalibacterium prausnitzii ) were associated with geographically distinct human populations, whereas few strains occurred in multiple unrelated cohorts. We further estimated the genetic variability of gut microbes, with Bacteroides species appearing remarkably consistent (0.45% median number of nucleotide variants between strains), whereas P. copri was among the most plastic gut colonizers. We thus characterize here the population genetics of previously inaccessible intestinal microbes, providing a comprehensive strain-level genetic overview of the gut microbial diversity.

The gut microbiome is shaped by diet and influences host metabolism; however, these links are complex and can be unique to each individual. We performed deep metagenomic sequencing of 1,203 gut microbiomes from 1,098 individuals enrolled in the Personalised Responses to Dietary Composition Trial (PREDICT 1) study, whose detailed long-term diet information, as well as hundreds of fasting and same-meal postprandial cardiometabolic blood marker measurements were available. We found many significant associations between microbes and specific nutrients, foods, food groups and general dietary indices, which were driven especially by the presence and diversity of healthy and plant-based foods. Microbial biomarkers of obesity were reproducible across external publicly available cohorts and in agreement with circulating blood metabolites that are indicators of cardiovascular disease risk. While some microbes, such as Prevotella copri and Blastocystis spp., were indicators of favorable postprandial glucose metabolism, overall microbiome composition was predictive for a large panel of cardiometabolic blood markers including fasting and postprandial glycemic, lipemic and inflammatory indices. The panel of intestinal species associated with healthy dietary habits overlapped with those associated with favorable cardiometabolic and postprandial markers, indicating that our large-scale resource can potentially stratify the gut microbiome into generalizable health levels in individuals without clinically manifest disease.

Early infant exposure is important in the acquisition and ultimate development of a healthy infant microbiome. There is increasing support for the idea that the maternal microbial reservoir is a key route of microbial transmission, and yet much is inferred from the observation of shared species in mother and infant. The presence of common species, per se , does not necessarily equate to vertical transmission, as species exhibit considerable strain heterogeneity. It is therefore imperative to assess whether shared microbes belong to the same genetic variant (i.e., strain) to support the hypothesis of vertical transmission. Here we demonstrate the potential of shotgun metagenomics and strain-level profiling to identify vertical transmission events. Combining these data with metatranscriptomics, we show that it is possible not only to identify and track the fate of microbes in the early infant microbiome but also to investigate the actively transcribing members of the community. These approaches will ultimately provide important insights into the acquisition, development, and community dynamics of the infant microbiome.

Bacterial community acquisition in the infant gut impacts immune education and disease susceptibility. We compared bacterial strains across and within families in a prospective birth cohort of 44 infants and their mothers, sampled longitudinally in the first months of each child’s life. We identified mother-to-child bacterial transmission events and describe the incidence of family-specific antibiotic resistance genes. We observed two inheritance patterns across multiple species, where often the mother’s dominant strain is transmitted to the child, but occasionally her secondary strains colonize the infant gut. In families where the secondary strain of B. uniformis was inherited, a starch utilization gene cluster that was absent in the mother’s dominant strain was identified in the child, suggesting the selective advantage of a mother’s secondary strain in the infant gut. Our findings reveal mother-to-child bacterial transmission events at high resolution and give insights into early colonization of the infant gut.

Abstract Metagenomic assembly enables new organism discovery from microbial communities, but it can only capture few abundant organisms from most metagenomes. Here we present MetaPhlAn 4, which integrates information from metagenome assemblies and microbial isolate genomes for more comprehensive metagenomic taxonomic profiling. From a curated collection of 1.01 M prokaryotic reference and metagenome-assembled genomes, we define unique marker genes for 26,970 species-level genome bins, 4,992 of them taxonomically unidentified at the species level. MetaPhlAn 4 explains ~20% more reads in most international human gut microbiomes and >40% in less-characterized environments such as the rumen microbiome and proves more accurate than available alternatives on synthetic evaluations while also reliably quantifying organisms with no cultured isolates. Application of the method to >24,500 metagenomes highlights previously undetected species to be strong biomarkers for host conditions and lifestyles in human and mouse microbiomes and shows that even previously uncharacterized species can be genetically profiled at the resolution of single microbial strains.