Abstract Sponges (phylum Porifera) are early-diverging metazoa renowned for establishing complex microbial symbioses. Here we present a global Porifera microbiome survey, set out to establish the ecological and evolutionary drivers of these host–microbe interactions. We show that sponges are a reservoir of exceptional microbial diversity and major contributors to the total microbial diversity of the world’s oceans. Little commonality in species composition or structure is evident across the phylum, although symbiont communities are characterized by specialists and generalists rather than opportunists. Core sponge microbiomes are stable and characterized by generalist symbionts exhibiting amensal and/or commensal interactions. Symbionts that are phylogenetically unique to sponges do not disproportionally contribute to the core microbiome, and host phylogeny impacts complexity rather than composition of the symbiont community. Our findings support a model of independent assembly and evolution in symbiont communities across the entire host phylum, with convergent forces resulting in analogous community organization and interactions.

The gut microbiome is associated with diverse diseases1-3, but a universal signature of a healthy or unhealthy microbiome has not been identified, and there is a need to understand how genetics, exposome, lifestyle and diet shape the microbiome in health and disease. Here we profiled bacterial composition, function, antibiotic resistance and virulence factors in the gut microbiomes of 8,208 Dutch individuals from a three-generational cohort comprising 2,756 families. We correlated these to 241 host and environmental factors, including physical and mental health, use of medication, diet, socioeconomic factors and childhood and current exposome. We identify that the microbiome is shaped primarily by the environment and cohabitation. Only around 6.6% of taxa are heritable, whereas the variance of around 48.6% of taxa is significantly explained by cohabitation. By identifying 2,856 associations between the microbiome and health, we find that seemingly unrelated diseases share a common microbiome signature that is independent of comorbidities. Furthermore, we identify 7,519 associations between microbiome features and diet, socioeconomics and early life and current exposome, with numerous early-life and current factors being significantly associated with microbiome function and composition. Overall, this study provides a comprehensive overview of gut microbiome and the underlying impact of heritability and exposures that will facilitate future development of microbiome-targeted therapies.

Abstract The composition of the gut microbiome has been associated with clinical responses to immune checkpoint inhibitor (ICI) treatment, but there is limited consensus on the specific microbiome characteristics linked to the clinical benefits of ICIs. We performed shotgun metagenomic sequencing of stool samples collected before ICI initiation from five observational cohorts recruiting ICI-naive patients with advanced cutaneous melanoma ( n = 165). Integrating the dataset with 147 metagenomic samples from previously published studies, we found that the gut microbiome has a relevant, but cohort-dependent, association with the response to ICIs. A machine learning analysis confirmed the link between the microbiome and overall response rates (ORRs) and progression-free survival (PFS) with ICIs but also revealed limited reproducibility of microbiome-based signatures across cohorts. Accordingly, a panel of species, including Bifidobacterium pseudocatenulatum , Roseburia spp. and Akkermansia muciniphila , associated with responders was identified, but no single species could be regarded as a fully consistent biomarker across studies. Overall, the role of the human gut microbiome in ICI response appears more complex than previously thought, extending beyond differing microbial species simply present or absent in responders and nonresponders. Future studies should adopt larger sample sizes and take into account the complex interplay of clinical factors with the gut microbiome over the treatment course.

Marine sponges (phylum Porifera) are a diverse, phylogenetically deep-branching clade known for forming intimate partnerships with complex communities of microorganisms. To date, 16S rRNA gene sequencing studies have largely utilised different extraction and amplification methodologies to target the microbial communities of a limited number of sponge species, severely limiting comparative analyses of sponge microbial diversity and structure. Here, we provide an extensive and standardised dataset that will facilitate sponge microbiome comparisons across large spatial, temporal, and environmental scales. Samples from marine sponges (n = 3569 specimens), seawater (n = 370), marine sediments (n = 65) and other environments (n = 29) were collected from different locations across the globe. This dataset incorporates at least 268 different sponge species, including several yet unidentified taxa. The V4 region of the 16S rRNA gene was amplified and sequenced from extracted DNA using standardised procedures. Raw sequences (total of 1.1 billion sequences) were processed and clustered with (i) a standard protocol using QIIME closed-reference picking resulting in 39 543 operational taxonomic units (OTU) at 97% sequence identity, (ii) a de novo clustering using Mothur resulting in 518 246 OTUs, and (iii) a new high-resolution Deblur protocol resulting in 83 908 unique bacterial sequences. Abundance tables, representative sequences, taxonomic classifications, and metadata are provided. This dataset represents a comprehensive resource of sponge-associated microbial communities based on 16S rRNA gene sequences that can be used to address overarching hypotheses regarding host-associated prokaryotes, including host specificity, convergent evolution, environmental drivers of microbiome structure, and the sponge-associated rare biosphere.

Abstract The long-term stability of microbiomes is crucial as the persistent occurrence of beneficial microbes and their associated functions ensure host health and well-being. Microbiomes are highly diverse and dynamic, making them challenging to understand. Because many natural systems work as temporal networks, we present an approach that allows identifying meaningful ecological patterns within complex microbiomes: the dynamic core microbiome. On the basis of six marine sponge species sampled monthly over three years, we study the structure, dynamics and stability of their microbiomes. What emerge for each microbiome is a negative relationship between temporal variability and mean abundance. The notion of the dynamic core microbiome allowed us to determine a relevant functional attribute of the microbiome: temporal stability is not determined by the diversity of a host’s microbial assemblages, but rather by the density of those microbes that conform its core microbiome. The core microbial interaction network consisted of complementary members interacting weakly with dominance of comensal and amensal interactions that suggests self-regulation as a key determinant of the temporal stability of the microbiome. These interactions have likely coevolved to maintain host functionality and fitness over ecological, and even evolutionary time scales.

Abstract The gut microbiome is associated with diverse diseases, but the universal signature of an (un)healthy microbiome remains elusive and there is a need to understand how genetics, exposome, lifestyle and diet shape the microbiome in health and disease. To fill this gap, we profiled bacterial composition, function, antibiotic resistance and virulence factors in the gut microbiomes of 8,208 Dutch individuals from a three-generational cohort comprising 2,756 families. We then correlated this to 241 host and environmental factors, including physical and mental health, medication use, diet, socioeconomic factors and childhood and current exposome. We identify that the microbiome is primarily shaped by environment and cohousing. Only ∼13% of taxa are heritable, which are enriched with highly prevalent and health-associated bacteria. By identifying 2,856 associations between microbiome and health, we find that seemingly unrelated diseases share a common signature that is independent of comorbidities. Furthermore, we identify 7,519 associations between microbiome features and diet, socioeconomics and early life and current exposome, of which numerous early-life and current factors are particularly linked to the microbiome. Overall, this study provides a comprehensive overview of gut microbiome and the underlying impact of heritability and exposures that will facilitate future development of microbiome-targeted therapies.

The gut microbiota influences the clinical responses of cancer patients to immunecheckpoint inhibitors (ICIs). However, there is no consensus definition of detrimental dysbiosis. Based on metagenomics (MG) sequencing of 245 non-small cell lung cancer (NSCLC) patient feces, we constructed species-level co-abundance networks that were clustered into species-interacting groups (SIGs) correlating with overall survival. Thirty-seven and forty-five MG species (MGSs) were associated with resistance (SIG1) and response (SIG2) to ICIs, respectively. When combined with the quantification of Akkermansia species, this procedure allowed a person-based calculation of a topological score (TOPOSCORE) that was validated in an additional 254 NSCLC patients and in 216 genitourinary cancer patients. Finally, this TOPOSCORE was translated into a 21-bacterial probe set-based qPCR scoring that was validated in a prospective cohort of NSCLC patients as well as in colorectal and melanoma patients. This approach could represent a dynamic diagnosis tool for intestinal dysbiosis to guide personalized microbiota-centered interventions.

Abstract Dysregulation of gut mucosal host–microbe interactions is a central feature of inflammatory bowel disease (IBD). To study tissue-specific interactions, we performed transcriptomic (RNA-seq) and microbial (16S-rRNA-seq) profiling of 696 intestinal biopsies derived from 353 patients with IBD and controls. Analysis of transcript-bacteria interactions identified six distinct groups of inflammation-related pathways that were associated with intestinal microbiota, findings we could partially validate in an independent cohort. An increased abundance of Bifidobacterium was associated with higher expression of genes involved in fatty acid metabolism, while Bacteroides was associated with increased metallothionein signaling. In fibrostenotic Crohn’s disease, a transcriptional network dominated by immunoregulatory genes associated with Lachnoclostridium bacteria in non-stenotic tissue. In patients using TNF-α-antagonists, a transcriptional network dominated by fatty acid metabolism genes associated with Ruminococcaceae . Mucosal microbiota composition was associated with enrichment of specific intestinal cell types. Overall, we identify multiple host–microbe interactions that may guide microbiota-directed precision medicine.

Abstract Classic coevolutionary theory predicts that if beneficial microbial symbionts improve host fitness, they should be faithfully transmitted to offspring. More recently, the hologenome theory of evolution predicts resemblance between parent and offspring microbiomes and high partner fidelity between host species and their vertically transmitted microbes. Here, we test these ideas for the first time in multiple coexisting host species with highly diverse microbiota, leveraging known parent-offspring pairs sampled from eight species of wild marine sponges ( Porifera ). We found that the processes governing vertical transmission were both neutral and selective. A neutral model explained 66% of the variance in larval microbiota, which was higher than the variance this model explained for adult sponge microbiota ( R 2 = 27%). However, microbes that are enriched above neutral expectations in adults were disproportionately transferred to offspring. Patterns of vertical transmission were, however, incomplete: larval sponges shared, on average, 44.8% of microbes with their parents, which was not higher than the fraction they shared with nearby non-parental adults. Vertical transmission was also inconsistent across siblings, as larval sponges from the same parent only shared 17% of microbes. Finally, we found no evidence that vertically transmitted microbes are faithful to a single sponge host species. Surprisingly, larvae were just as likely to share vertically transmitted microbes with larvae from other sponge species as they were with their own species. Our study demonstrates that common predictions of vertical transmission that stem from species-poor systems are not necessarily true when scaling up to diverse and complex microbiomes.

Abstract Ecological relationships between bacteria mediate the services that gut microbiomes provide to their hosts. Knowing the overall direction and strength of these relationships within hosts, and their generalizability across hosts, is essential to learn how microbial ecology scales up to affect microbiome assembly, dynamics, and host health. Here we gain insight into these patterns by inferring thousands of correlations in bacterial abundance between pairs of gut microbiome taxa from extensive time series data (5,534 microbiome profiles from 56 wild baboon hosts over a 13-year period). We model these time series using a statistically robust, multinomial logistic-normal modeling framework and test the degree to which bacterial abundance correlations are consistent across hosts (i.e., “universal”) or individualized to each host. We also compare these patterns to two publicly available human data sets. We find that baboon gut microbial relationships are largely universal: correlation patterns within each baboon host reflect a mixture of idiosyncratic and shared patterns, but the shared pattern dominates by almost 2-fold. Surprisingly, the strongest and most consistently correlated bacterial pairs across hosts were overwhelmingly positively correlated and typically belonged to the same family—a 3-fold enrichment compared to pairs drawn from the data set as a whole. The bias towards universal, positive bacterial correlations was also apparent in monthly samples from human infants, and bacterial families that had universal relationships in baboons also tended to be universal in human infants. Together, our results advance our understanding of the relationships that shape gut microbial ecosystems, with implications for microbiome personalization, community assembly and stability, and the feasibility of microbiome interventions to improve host health.