Studies of the human microbiome have revealed that even healthy individuals differ remarkably in the microbes that occupy habitats such as the gut, skin and vagina. Much of this diversity remains unexplained, although diet, environment, host genetics and early microbial exposure have all been implicated. Accordingly, to characterize the ecology of human-associated microbial communities, the Human Microbiome Project has analysed the largest cohort and set of distinct, clinically relevant body habitats so far. We found the diversity and abundance of each habitat’s signature microbes to vary widely even among healthy subjects, with strong niche specialization both within and among individuals. The project encountered an estimated 81–99% of the genera, enzyme families and community configurations occupied by the healthy Western microbiome. Metagenomic carriage of metabolic pathways was stable among individuals despite variation in community structure, and ethnic/racial background proved to be one of the strongest associations of both pathways and microbes with clinical metadata. These results thus delineate the range of structural and functional configurations normal in the microbial communities of a healthy population, enabling future characterization of the epidemiology, ecology and translational applications of the human microbiome. The Human Microbiome Project Consortium reports the first results of their analysis of microbial communities from distinct, clinically relevant body habitats in a human cohort; the insights into the microbial communities of a healthy population lay foundations for future exploration of the epidemiology, ecology and translational applications of the human microbiome. The Human Microbiome Project (HMP), supported by the National Institutes of Health Common Fund, has the goal of characterizing the microbial communities that inhabit and interact with the human body in sickness and in health. In two Articles in this issue of Nature, the HMP Consortium presents the first population-scale details of the organismal and functional composition of the microbiota across five areas of the body. An associated News & Views discusses the initial results — which, along with those of a series of co-publications, already constitute the most extensive catalogue of organisms and genes related to the human microbiome yet published — and highlights some of the major questions that the project will tackle in the next few years.

A variety of microbial communities and their genes (the microbiome) exist throughout the human body, with fundamental roles in human health and disease. The National Institutes of Health (NIH)-funded Human Microbiome Project Consortium has established a population-scale framework to develop metagenomic protocols, resulting in a broad range of quality-controlled resources and data including standardized methods for creating, processing and interpreting distinct types of high-throughput metagenomic data available to the scientific community. Here we present resources from a population of 242 healthy adults sampled at 15 or 18 body sites up to three times, which have generated 5,177 microbial taxonomic profiles from 16S ribosomal RNA genes and over 3.5 terabases of metagenomic sequence so far. In parallel, approximately 800 reference strains isolated from the human body have been sequenced. Collectively, these data represent the largest resource describing the abundance and variety of the human microbiome, while providing a framework for current and future studies. The Human Microbiome Project Consortium has established a population-scale framework to study a variety of microbial communities that exist throughout the human body, enabling the generation of a range of quality-controlled data as well as community resources. The Human Microbiome Project (HMP), supported by the National Institutes of Health Common Fund, has the goal of characterizing the microbial communities that inhabit and interact with the human body in sickness and in health. In two Articles in this issue of Nature, the HMP Consortium presents the first population-scale details of the organismal and functional composition of the microbiota across five areas of the body. An associated News & Views discusses the initial results — which, along with those of a series of co-publications, already constitute the most extensive catalogue of organisms and genes related to the human microbiome yet published — and highlights some of the major questions that the project will tackle in the next few years.

Microbial communities carry out the majority of the biochemical activity on the planet, and they play integral roles in processes including metabolism and immune homeostasis in the human microbiome. Shotgun sequencing of such communities' metagenomes provides information complementary to organismal abundances from taxonomic markers, but the resulting data typically comprise short reads from hundreds of different organisms and are at best challenging to assemble comparably to single-organism genomes. Here, we describe an alternative approach to infer the functional and metabolic potential of a microbial community metagenome. We determined the gene families and pathways present or absent within a community, as well as their relative abundances, directly from short sequence reads. We validated this methodology using a collection of synthetic metagenomes, recovering the presence and abundance both of large pathways and of small functional modules with high accuracy. We subsequently applied this method, HUMAnN, to the microbial communities of 649 metagenomes drawn from seven primary body sites on 102 individuals as part of the Human Microbiome Project (HMP). This provided a means to compare functional diversity and organismal ecology in the human microbiome, and we determined a core of 24 ubiquitously present modules. Core pathways were often implemented by different enzyme families within different body sites, and 168 functional modules and 196 metabolic pathways varied in metagenomic abundance specifically to one or more niches within the microbiome. These included glycosaminoglycan degradation in the gut, as well as phosphate and amino acid transport linked to host phenotype (vaginal pH) in the posterior fornix. An implementation of our methodology is available at http://huttenhower.sph.harvard.edu/humann. This provides a means to accurately and efficiently characterize microbial metabolic pathways and functional modules directly from high-throughput sequencing reads, enabling the determination of community roles in the HMP cohort and in future metagenomic studies.

Genome mining has become a key technology to exploit natural product diversity. Although initially performed on a single-genome basis, the process is now being scaled up to mine entire genera, strain collections and microbiomes. However, no bioinformatic framework is currently available for effectively analyzing datasets of this size and complexity. In the present study, a streamlined computational workflow is provided, consisting of two new software tools: the ‘biosynthetic gene similarity clustering and prospecting engine’ (BiG-SCAPE), which facilitates fast and interactive sequence similarity network analysis of biosynthetic gene clusters and gene cluster families; and the ‘core analysis of syntenic orthologues to prioritize natural product gene clusters’ (CORASON), which elucidates phylogenetic relationships within and across these families. BiG-SCAPE is validated by correlating its output to metabolomic data across 363 actinobacterial strains and the discovery potential of CORASON is demonstrated by comprehensively mapping biosynthetic diversity across a range of detoxin/rimosamide-related gene cluster families, culminating in the characterization of seven detoxin analogues. Two bioinformatic tools, BiG-SCAPE and CORASON, enable sequence similarity network and phylogenetic analysis of gene clusters and their families across hundreds of strains and in large datasets, leading to the discovery of new natural products.

Host factors in the intestine help select for bacteria that promote health. Certain commensals can utilize mucins as an energy source, thus promoting their colonization. However, health conditions such as inflammatory bowel disease (IBD) are associated with a reduced mucus layer, potentially leading to dysbiosis associated with this disease. We characterize the capability of commensal species to cleave and transport mucin-associated monosaccharides and identify several Clostridiales members that utilize intestinal mucins. One such mucin utilizer, Peptostreptococcus russellii, reduces susceptibility to epithelial injury in mice. Several Peptostreptococcus species contain a gene cluster enabling production of the tryptophan metabolite indoleacrylic acid (IA), which promotes intestinal epithelial barrier function and mitigates inflammatory responses. Furthermore, metagenomic analysis of human stool samples reveals that the genetic capability of microbes to utilize mucins and metabolize tryptophan is diminished in IBD patients. Our data suggest that stimulating IA production could promote anti-inflammatory responses and have therapeutic benefits.

Abstract Mammalian species have co-evolved with intestinal microbial communities that can shape development and adapt to environmental changes, including antibiotic perturbation or nutrient flux. In humans, especially children, microbiota disruption is common, yet the dynamic microbiome recovery from early-life antibiotics is still uncharacterized. Here we use a mouse model mimicking paediatric antibiotic use and find that therapeutic-dose pulsed antibiotic treatment (PAT) with a beta-lactam or macrolide alters both host and microbiota development. Early-life PAT accelerates total mass and bone growth, and causes progressive changes in gut microbiome diversity, population structure and metagenomic content, with microbiome effects dependent on the number of courses and class of antibiotic. Whereas control microbiota rapidly adapts to a change in diet, PAT slows the ecological progression, with delays lasting several months with previous macrolide exposure. This study identifies key markers of disturbance and recovery, which may help provide therapeutic targets for microbiota restoration following antibiotic treatment.

Richard Wilson and colleagues report the genome sequence of Trichinella spiralis, a food-borne parasitic nematode that diverged early in the evolution of the phylum Nematoda. T. spiralis is the most common cause of human trichinellosis. Genome evolution studies for the phylum Nematoda have been limited by focusing on comparisons involving Caenorhabditis elegans. We report a draft genome sequence of Trichinella spiralis, a food-borne zoonotic parasite, which is the most common cause of human trichinellosis. This parasitic nematode is an extant member of a clade that diverged early in the evolution of the phylum, enabling identification of archetypical genes and molecular signatures exclusive to nematodes. We sequenced the 64-Mb nuclear genome, which is estimated to contain 15,808 protein-coding genes, at ∼35-fold coverage using whole-genome shotgun and hierarchal map–assisted sequencing. Comparative genome analyses support intrachromosomal rearrangements across the phylum, disproportionate numbers of protein family deaths over births in parasitic compared to a non-parasitic nematode and a preponderance of gene-loss and -gain events in nematodes relative to Drosophila melanogaster. This genome sequence and the identified pan-phylum characteristics will contribute to genome evolution studies of Nematoda as well as strategies to combat global parasites of humans, food animals and crops.

While the ability for humans to host a complex microbial ecosystem is an essential property of life, the mechanisms allowing for immune tolerance of such a large microbial load are not completely understood and are currently the focus of intense research. This study shows that an important proinflammatory pathway that is commonly triggered by pathogenic bacteria upon interaction with the host is, in fact, actively repressed by the bacteria of the gut microbiome, supporting the idea that beneficial microbes themselves contribute to the immune tolerance in support of homeostasis. These findings are important for two reasons. First, many currently assume that proinflammatory signaling by lipopolysaccharide is a fundamental feature of the gut flora. This assumption influences greatly how host-microbiome interactions are theoretically modeled but also how they are experimentally studied, by using robust TLR signaling conditions to simulate commensals. Second, elucidation of the mechanisms that support host-microbe tolerance is key to the development of therapeutics for both intestinal and systemic inflammatory disorders.

Abstract Genome mining has become a key technology to explore and exploit natural product diversity through the identification and analysis of biosynthetic gene clusters (BGCs). Initially, this was performed on a single-genome basis; currently, the process is being scaled up to large-scale mining of pan-genomes of entire genera, complete strain collections and metagenomic datasets from which thousands of bacterial genomes can be extracted at once. However, no bioinformatic framework is currently available for the effective analysis of datasets of this size and complexity. Here, we provide a streamlined computational workflow, tightly integrated with antiSMASH and MIBiG, that consists of two new software tools, BiG-SCAPE and CORASON. BiG-SCAPE facilitates rapid calculation and interactive visual exploration of BGC sequence similarity networks, grouping gene clusters at multiple hierarchical levels, and includes a ‘glocal’ alignment mode that accurately groups both complete and fragmented BGCs. CORASON employs a phylogenomic approach to elucidate the detailed evolutionary relationships between gene clusters by computing high-resolution multi-locus phylogenies of all BGCs within and across gene cluster families (GCFs), and allows researchers to comprehensively identify all genomic contexts in which particular biosynthetic gene cassettes are found. We validate BiG-SCAPE by correlating its GCF output to metabolomic data across 403 actinobacterial strains. Furthermore, we demonstrate the discovery potential of the platform by using CORASON to comprehensively map the phylogenetic diversity of the large detoxin/rimosamide gene cluster clan, prioritizing three new detoxin families for subsequent characterization of six new analogs using isotopic labeling and analysis of tandem mass spectrometric data.