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.

The human gut microbiome is linked to many states of human health and disease1. The metabolic repertoire of the gut microbiome is vast, but the health implications of these bacterial pathways are poorly understood. In this study, we identify a link between members of the genus Veillonella and exercise performance. We observed an increase in Veillonella relative abundance in marathon runners postmarathon and isolated a strain of Veillonella atypica from stool samples. Inoculation of this strain into mice significantly increased exhaustive treadmill run time. Veillonella utilize lactate as their sole carbon source, which prompted us to perform a shotgun metagenomic analysis in a cohort of elite athletes, finding that every gene in a major pathway metabolizing lactate to propionate is at higher relative abundance postexercise. Using 13C3-labeled lactate in mice, we demonstrate that serum lactate crosses the epithelial barrier into the lumen of the gut. We also show that intrarectal instillation of propionate is sufficient to reproduce the increased treadmill run time performance observed with V. atypica gavage. Taken together, these studies reveal that V. atypica improves run time via its metabolic conversion of exercise-induced lactate into propionate, thereby identifying a natural, microbiome-encoded enzymatic process that enhances athletic performance. A closer look at the gut microbiome of elite marathon runners unveils a microbe-encoded enzymatic process that contributes to enhanced athletic performance.

Targeted degradation of bacterial sensing proteins keeps plant defenses from running amok.

A mosaic of cross-phylum chemical interactions occurs between all metazoans and their microbiomes. A number of molecular families that are known to be produced by the microbiome have a marked effect on the balance between health and disease1–9. Considering the diversity of the human microbiome (which numbers over 40,000 operational taxonomic units10), the effect of the microbiome on the chemistry of an entire animal remains underexplored. Here we use mass spectrometry informatics and data visualization approaches11–13 to provide an assessment of the effects of the microbiome on the chemistry of an entire mammal by comparing metabolomics data from germ-free and specific-pathogen-free mice. We found that the microbiota affects the chemistry of all organs. This included the amino acid conjugations of host bile acids that were used to produce phenylalanocholic acid, tyrosocholic acid and leucocholic acid, which have not previously been characterized despite extensive research on bile-acid chemistry14. These bile-acid conjugates were also found in humans, and were enriched in patients with inflammatory bowel disease or cystic fibrosis. These compounds agonized the farnesoid X receptor in vitro, and mice gavaged with the compounds showed reduced expression of bile-acid synthesis genes in vivo. Further studies are required to confirm whether these compounds have a physiological role in the host, and whether they contribute to gut diseases that are associated with microbiome dysbiosis. Metabolomics data from germ-free and specific-pathogen-free mice reveal effects of the microbiome on host chemistry, identifying conjugations of bile acids that are also enriched in patients with inflammatory bowel disease or cystic fibrosis.

Sphingolipids are structural membrane components and important eukaryotic signaling molecules. Sphingolipids regulate inflammation and immunity and were recently identified as the most differentially abundant metabolite in stool from inflammatory bowel disease (IBD) patients. Commensal bacteria from the Bacteroidetes phylum also produce sphingolipids, but the impact of these metabolites on host pathways is largely uncharacterized. To determine whether bacterial sphingolipids modulate intestinal health, we colonized germ-free mice with a sphingolipid-deficient Bacteroides thetaiotaomicron strain. A lack of Bacteroides-derived sphingolipids resulted in intestinal inflammation and altered host ceramide pools in mice. Using lipidomic analysis, we described a sphingolipid biosynthesis pathway and revealed a variety of Bacteroides-derived sphingolipids including ceramide phosphoinositol and deoxy-sphingolipids. Annotating Bacteroides sphingolipids in an IBD metabolomic dataset revealed lower abundances in IBD and negative correlations with inflammation and host sphingolipid production. These data highlight the role of bacterial sphingolipids in maintaining homeostasis and symbiosis in the gut.

The microbiota modulates gut immune homeostasis. Bacteria influence the development and function of host immune cells, including T helper cells expressing interleukin-17A (TH17 cells). We previously reported that the bile acid metabolite 3-oxolithocholic acid (3-oxoLCA) inhibits TH17 cell differentiation1. Although it was suggested that gut-residing bacteria produce 3-oxoLCA, the identity of such bacteria was unknown, and it was unclear whether 3-oxoLCA and other immunomodulatory bile acids are associated with inflammatory pathologies in humans. Here we identify human gut bacteria and corresponding enzymes that convert the secondary bile acid lithocholic acid into 3-oxoLCA as well as the abundant gut metabolite isolithocholic acid (isoLCA). Similar to 3-oxoLCA, isoLCA suppressed TH17 cell differentiation by inhibiting retinoic acid receptor-related orphan nuclear receptor-γt, a key TH17-cell-promoting transcription factor. The levels of both 3-oxoLCA and isoLCA and the 3α-hydroxysteroid dehydrogenase genes that are required for their biosynthesis were significantly reduced in patients with inflammatory bowel disease. Moreover, the levels of these bile acids were inversely correlated with the expression of TH17-cell-associated genes. Overall, our data suggest that bacterially produced bile acids inhibit TH17 cell function, an activity that may be relevant to the pathophysiology of inflammatory disorders such as inflammatory bowel disease. Bacterially produced bile acids inhibit TH17 cell function, which may be relevant to the pathophysiology of inflammatory disorders such as inflammatory bowel disease.

Metabolism is a major regulator of immune cell function, but it remains difficult to study the metabolic status of individual cells. Here, we present Compass, an algorithm to characterize cellular metabolic states based on single-cell RNA sequencing and flux balance analysis. We applied Compass to associate metabolic states with T helper 17 (Th17) functional variability (pathogenic potential) and recovered a metabolic switch between glycolysis and fatty acid oxidation, akin to known Th17/regulatory T cell (Treg) differences, which we validated by metabolic assays. Compass also predicted that Th17 pathogenicity was associated with arginine and downstream polyamine metabolism. Indeed, polyamine-related enzyme expression was enhanced in pathogenic Th17 and suppressed in Treg cells. Chemical and genetic perturbation of polyamine metabolism inhibited Th17 cytokines, promoted Foxp3 expression, and remodeled the transcriptome and epigenome of Th17 cells toward a Treg-like state. In vivo perturbations of the polyamine pathway altered the phenotype of encephalitogenic T cells and attenuated tissue inflammation in CNS autoimmunity.

During development, cells interpret complex and often conflicting signals to make optimal decisions. Plant stomata, the cellular interface between a plant and the atmosphere, develop according to positional cues, which include a family of secreted peptides called epidermal patterning factors (EPFs). How these signalling peptides orchestrate pattern formation at a molecular level remains unclear. Here we report in Arabidopsis that Stomagen (also called EPF-LIKE9) peptide, which promotes stomatal development, requires ERECTA (ER)-family receptor kinases and interferes with the inhibition of stomatal development by the EPIDERMAL PATTERNING FACTOR 2 (EPF2)–ER module. Both EPF2 and Stomagen directly bind to ER and its co-receptor TOO MANY MOUTHS. Stomagen peptide competitively replaced EPF2 binding to ER. Furthermore, application of EPF2, but not Stomagen, elicited rapid phosphorylation of downstream signalling components in vivo. Our findings demonstrate how a plant receptor agonist and antagonist define inhibitory and inductive cues to fine-tune tissue patterning on the plant epidermis. An investigation of the molecular mechanism of stomatal development and patterning finds an unexpected signalling mechanism: two signalling peptides (STOMAGEN, a positive regulator of stomatal development; and EPF2, a negative regulator of this process) use the same receptor kinase, ERECTA, to fine-tune stomatal development. Stomata are pores on the plant surface that mediate water and gas exchange between plants and the atmosphere. The pattern of stomata in the epidermis layer of plants depends on cell–cell communication through positional cues, among them a family of secreted peptides called epidermal patterning factors (EPFs). Investigating the molecular mechanism of stomatal development and patterning, Keiko Torii and colleagues discovered an unexpected signalling mechanism. They find that two signalling peptides — Stomagen (a positive regulator of stomatal development) and EPF2 (a negative regulator of this process) — use the same receptor kinase, ERECTA, to fine-tune stomatal development. Intriguingly, both peptides bind to ERECTA and its co-receptor TMM with similar affinities, so they compete with each other for receptor binding. What seems to determine whether the activated ERECTA conveys a stimulatory or inhibitory signal is the downstream signalling: in vivo data show that EPF2, but not Stomagen, triggers phosphorylation of downstream signalling components.

Abstract Regular exercise promotes whole-body health and prevents disease, yet the underlying molecular mechanisms throughout a whole organism are incompletely understood. Here, the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) profiled the temporal transcriptome, proteome, metabolome, lipidome, phosphoproteome, acetylproteome, ubiquitylproteome, epigenome, and immunome in whole blood, plasma, and 18 solid tissues in Rattus norvegicus over 8 weeks of endurance exercise training. The resulting data compendium encompasses 9466 assays across 19 tissues, 25 molecular platforms, and 4 training time points in young adult male and female rats. We identified thousands of shared and tissue- and sex-specific molecular alterations. Temporal multi-omic and multi-tissue analyses demonstrated distinct patterns of tissue remodeling, with widespread regulation of immune, metabolism, heat shock stress response, and mitochondrial pathways. These patterns provide biological insights into the adaptive responses to endurance training over time. For example, exercise training induced heart remodeling via altered activity of the Mef2 family of transcription factors and tyrosine kinases. Translational analyses revealed changes that are consistent with human endurance training data and negatively correlated with disease, including increased phospholipids and decreased triacylglycerols in the liver. Sex differences in training adaptation were widespread, including those in the brain, adrenal gland, lung, and adipose tissue. Integrative analyses generated novel hypotheses of disease relevance, including candidate mechanisms that link training adaptation to non-alcoholic fatty liver disease, inflammatory bowel disease, cardiovascular health, and tissue injury and recovery. The data and analysis results presented in this study will serve as valuable resources for the broader community and are provided in an easily accessible public repository ( https://motrpac-data.org/ ). Highlights Multi-tissue resource identifies 35,439 analytes regulated by endurance exercise training at 5% FDR across 211 combinations of tissues and molecular platforms. Interpretation of systemic and tissue-specific molecular adaptations produced hypotheses to help describe the health benefits induced by exercise. Robust sex-specific responses to endurance exercise training are observed across multiple organs at the molecular level. Deep multi-omic profiling of six tissues defines regulatory signals for tissue adaptation to endurance exercise training. All data are available in a public repository, and processed data, analysis results, and code to reproduce major analyses are additionally available in convenient R packages.