The inflammatory bowel diseases (IBDs), which include Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC), are multifactorial chronic conditions of the gastrointestinal tract. While IBD has been associated with dramatic changes in the gut microbiota, changes in the gut metabolome—the molecular interface between host and microbiota—are less well understood. To address this gap, we performed untargeted metabolomic and shotgun metagenomic profiling of cross-sectional stool samples from discovery (n = 155) and validation (n = 65) cohorts of CD, UC and non-IBD control patients. Metabolomic and metagenomic profiles were broadly correlated with faecal calprotectin levels (a measure of gut inflammation). Across >8,000 measured metabolite features, we identified chemicals and chemical classes that were differentially abundant in IBD, including enrichments for sphingolipids and bile acids, and depletions for triacylglycerols and tetrapyrroles. While > 50% of differentially abundant metabolite features were uncharacterized, many could be assigned putative roles through metabolomic ‘guilt by association’ (covariation with known metabolites). Differentially abundant species and functions from the metagenomic profiles reflected adaptation to oxidative stress in the IBD gut, and were individually consistent with previous findings. Integrating these data, however, we identified 122 robust associations between differentially abundant species and well-characterized differentially abundant metabolites, indicating possible mechanistic relationships that are perturbed in IBD. Finally, we found that metabolome- and metagenome-based classifiers of IBD status were highly accurate and, like the vast majority of individual trends, generalized well to the independent validation cohort. Our findings thus provide an improved understanding of perturbations of the microbiome–metabolome interface in IBD, including identification of many potential diagnostic and therapeutic targets. Using metabolomics and shotgun metagenomics on stool samples from individuals with and without inflammatory bowel disease, metabolites, microbial species and genes associated with disease were identified and validated in an independent cohort.

According to the hygiene hypothesis, the increasing incidence of autoimmune diseases in western countries may be explained by changes in early microbial exposure, leading to altered immune maturation. We followed gut microbiome development from birth until age three in 222 infants in Northern Europe, where early-onset autoimmune diseases are common in Finland and Estonia but are less prevalent in Russia. We found that Bacteroides species are lowly abundant in Russians but dominate in Finnish and Estonian infants. Therefore, their lipopolysaccharide (LPS) exposures arose primarily from Bacteroides rather than from Escherichia coli, which is a potent innate immune activator. We show that Bacteroides LPS is structurally distinct from E. coli LPS and inhibits innate immune signaling and endotoxin tolerance; furthermore, unlike LPS from E. coli, B. dorei LPS does not decrease incidence of autoimmune diabetes in non-obese diabetic mice. Early colonization by immunologically silencing microbiota may thus preclude aspects of immune education.

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.

Summary

 Gut microbial dysbioses are linked to aberrant immune responses, which are often accompanied by abnormal production of inflammatory cytokines. As part of the Human Functional Genomics Project (HFGP), we investigate how differences in composition and function of gut microbial communities may contribute to inter-individual variation in cytokine responses to microbial stimulations in healthy humans. We observe microbiome-cytokine interaction patterns that are stimulus specific, cytokine specific, and cytokine and stimulus specific. Validation of two predicted host-microbial interactions reveal that TNFα and IFNγ production are associated with specific microbial metabolic pathways: palmitoleic acid metabolism and tryptophan degradation to tryptophol. Besides providing a resource of predicted microbially derived mediators that influence immune phenotypes in response to common microorganisms, these data can help to define principles for understanding disease susceptibility. The three HFGP studies presented in this issue lay the groundwork for further studies aimed at understanding the interplay between microbial, genetic, and environmental factors in the regulation of the immune response in humans. 

PaperClip

A longitudinal strain-level analysis of the infant gut microbiome after repeated antibiotic treatments reveals decreased diversity and stability, as well as transient increases in antibiotic resistance genes.

Type 1 diabetes (T1D) is an autoimmune disease that targets pancreatic islet beta cells and incorporates genetic and environmental factors1, including complex genetic elements2, patient exposures3 and the gut microbiome4. Viral infections5 and broader gut dysbioses6 have been identified as potential causes or contributing factors; however, human studies have not yet identified microbial compositional or functional triggers that are predictive of islet autoimmunity or T1D. Here we analyse 10,913 metagenomes in stool samples from 783 mostly white, non-Hispanic children. The samples were collected monthly from three months of age until the clinical end point (islet autoimmunity or T1D) in the The Environmental Determinants of Diabetes in the Young (TEDDY) study, to characterize the natural history of the early gut microbiome in connection to islet autoimmunity, T1D diagnosis, and other common early life events such as antibiotic treatments and probiotics. The microbiomes of control children contained more genes that were related to fermentation and the biosynthesis of short-chain fatty acids, but these were not consistently associated with particular taxa across geographically diverse clinical centres, suggesting that microbial factors associated with T1D are taxonomically diffuse but functionally more coherent. When we investigated the broader establishment and development of the infant microbiome, both taxonomic and functional profiles were dynamic and highly individualized, and dominated in the first year of life by one of three largely exclusive Bifidobacterium species (B. bifidum, B. breve or B. longum) or by the phylum Proteobacteria. In particular, the strain-specific carriage of genes for the utilization of human milk oligosaccharide within a subset of B. longum was present specifically in breast-fed infants. These analyses of TEDDY gut metagenomes provide, to our knowledge, the largest and most detailed longitudinal functional profile of the developing gut microbiome in relation to islet autoimmunity, T1D and other early childhood events. Together with existing evidence from human cohorts7,8 and a T1D mouse model9, these data support the protective effects of short-chain fatty acids in early-onset human T1D. An analysis of more than 10,000 metagenomes from the TEDDY study provides a detailed functional profile of the gut microbiome in relation to islet autoimmunity, and supports the protective effects of short-chain fatty acids in early-onset type 1 diabetes.

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.

Inflammatory bowel disease (IBD) is characterized by chronic inflammation of the gastrointestinal tract that is associated with changes in the gut microbiome. Here, we sought to identify strain-specific functional correlates with IBD outcomes.We performed metagenomic sequencing of monthly stool samples from 20 IBD patients and 12 controls (266 total samples). These were taxonomically profiled with MetaPhlAn2 and functionally profiled using HUMAnN2. Differentially abundant species were identified using MaAsLin and strain-specific pangenome haplotypes were analyzed using PanPhlAn.We found a significantly higher abundance in patients of facultative anaerobes that can tolerate the increased oxidative stress of the IBD gut. We also detected dramatic, yet transient, blooms of Ruminococcus gnavus in IBD patients, often co-occurring with increased disease activity. We identified two distinct clades of R. gnavus strains, one of which is enriched in IBD patients. To study functional differences between these two clades, we augmented the R. gnavus pangenome by sequencing nine isolates from IBD patients. We identified 199 IBD-specific, strain-specific genes involved in oxidative stress responses, adhesion, iron-acquisition, and mucus utilization, potentially conferring an adaptive advantage for this R. gnavus clade in the IBD gut.This study adds further evidence to the hypothesis that increased oxidative stress may be a major factor shaping the dysbiosis of the microbiome observed in IBD and suggests that R. gnavus may be an important member of the altered gut community in IBD.

Significance The bacteria that live within the human gut play crucial roles in regulating our primary metabolism, protecting us from pathogens, and developing our immune system. Imbalances in bacterial community structure have been implicated in many diseases, such as Crohn’s disease, an inflammatory bowel disease. We found and characterized an inflammatory polysaccharide produced by the gut bacterium Ruminococcus gnavus , populations of which bloom during flares of symptoms in patients with Crohn’s disease. This molecule induces the production of inflammatory cytokines like TNFα by dendritic cells and may contribute to the association between R. gnavus and Crohn’s disease. This work establishes a plausible molecular mechanism that may explain the association between a member of the gut microbiome and an inflammatory disease.