We show that a citizen science, self-selected cohort shipping samples through the mail at room temperature recaptures many known microbiome results from clinically collected cohorts and reveals new ones. Of particular interest is integrating n = 1 study data with the population data, showing that the extent of microbiome change after events such as surgery can exceed differences between distinct environmental biomes, and the effect of diverse plants in the diet, which we confirm with untargeted metabolomics on hundreds of samples.

Abstract Dietary intervention with extensively hydrolyzed casein formula supplemented with Lactobacillus rhamnosus GG (EHCF+LGG) accelerates tolerance acquisition in infants with cow’s milk allergy (CMA). We examined whether this effect is attributable, at least in part, to an influence on the gut microbiota. Fecal samples from healthy controls (n=20) and from CMA infants (n=19) before and after treatment with EHCF with (n=12) and without (n=7) supplementation with LGG were compared by 16S rRNA-based operational taxonomic unit clustering and oligotyping. Differential feature selection and generalized linear model fitting revealed that the CMA infants have a diverse gut microbial community structure dominated by Lachnospiraceae (20.5±9.7%) and Ruminococcaceae (16.2±9.1%). Blautia, Roseburia and Coprococcus were significantly enriched following treatment with EHCF and LGG, but only one genus, Oscillospira, was significantly different between infants that became tolerant and those that remained allergic. However, most tolerant infants showed a significant increase in fecal butyrate levels, and those taxa that were significantly enriched in these samples, Blautia and Roseburia, exhibited specific strain-level demarcations between tolerant and allergic infants. Our data suggest that EHCF+LGG promotes tolerance in infants with CMA, in part, by influencing the strain-level bacterial community structure of the infant gut.

Decomposition spawns a microbial zoo The death of a large animal represents a food bonanza for microorganisms. Metcalf et al. monitored microbial activity during the decomposition of mouse and human cadavers. Regardless of soil type, season, or species, the microbial succession during decomposition was a predictable measure of time since death. An overlying corpse leaches nutrients that allow soil- and insect-associated fungi and bacteria to grow. These microorganisms are metabolic specialists that convert proteins and lipids into foul-smelling compounds such as cadaverine, putrescine, and ammonia, whose signature may persist in the soil long after a corpse has been removed. Science , this issue p. 158

Abstract Although much work has linked the human microbiome to specific phenotypes and lifestyle variables, data from different projects have been challenging to integrate and the extent of microbial and molecular diversity in human stool remains unknown. Using standardized protocols from the Earth Microbiome Project and sample contributions from over 10,000 citizen-scientists, together with an open research network, we compare human microbiome specimens primarily from the USA, UK, and Australia to one another and to environmental samples. Our results show an unexpected range of beta-diversity in human stool microbiomes as compared to environmental samples, demonstrate the utility of procedures for removing the effects of overgrowth during room-temperature shipping for revealing phenotype correlations, uncover new molecules and kinds of molecular communities in the human stool metabolome, and examine emergent associations among the microbiome, metabolome, and the diversity of plants that are consumed (rather than relying on reductive categorical variables such as veganism, which have little or no explanatory power). We also demonstrate the utility of the living data resource and cross-cohort comparison to confirm existing associations between the microbiome and psychiatric illness, and to reveal the extent of microbiome change within one individual during surgery, providing a paradigm for open microbiome research and education. Importance We show that a citizen-science, self-selected cohort shipping samples through the mail at room temperature recaptures many known microbiome results from clinically collected cohorts and reveals new ones. Of particular interest is integrating n=1 study data with the population data, showing that the extent of microbiome change after events such as surgery can exceed differences between distinct environmental biomes, and the effect of diverse plants in the diet which we confirm with untargeted metabolomics on hundreds of samples.

Mucosal barriers provide the first line of defense between internal body surfaces and microbial threats from the outside world. 1 In the colon, the barrier consists of two layers of mucus and a single layer of tightly interconnected epithelial cells supported by connective tissue and immune cells. 2 Microbes colonize the loose, outer layer of colonic mucus, but are essentially excluded from the tight, epithelial-associated layer by host defenses. 3 The amount and composition of the mucus is calibrated based on microbial signals and loss of even a single component of this mixture can destabilize microbial biogeography and increase the risk of disease. 4-7 However, the specific components of mucus, their molecular microbial targets, and how they work to contain the gut microbiota are still largely unknown. Here we show that high mobility group box 1 (HMGB1), the prototypical damage-associated molecular pattern molecule (DAMP), acts as an agent of host mucosal defense in the colon. HMGB1 in colonic mucus targets an evolutionarily conserved amino acid sequence found in bacterial adhesins, including the well-characterized Enterobacteriaceae adhesin FimH. HMGB1 aggregates bacteria and blocks adhesin-carbohydrate interactions, inhibiting invasion through colonic mucus and adhesion to host cells. Exposure to HMGB1 also suppresses bacterial expression of FimH. In ulcerative colitis, HMGB1 mucosal defense is compromised, leading to tissue-adherent bacteria expressing FimH. Our results demonstrate a new, physiologic role for extracellular HMGB1 that refines its functions as a DAMP to include direct, virulence limiting effects on bacteria. The amino acid sequence targeted by HMGB1 appears to be broadly utilized by bacterial adhesins, critical for virulence, and differentially expressed by bacteria in commensal versus pathogenic states. These characteristics suggest that this amino acid sequence is a novel microbial virulence determinant and could be used to develop new approaches to diagnosis and treatment of bacterial disease that precisely identify and target virulent microbes.

Abstract Background Platinum resistance is the primary cause of poor survival in ovarian cancer (OC) patients. Targeted therapies and biomarkers of chemoresistance are critical for the treatment of OC patients. Our previous studies identified cell surface CD55, a member of the complement regulatory proteins, drives chemoresistance and maintenance of cancer stem cells (CSCs). CSCs are implicated in tumor recurrence and metastasis in multiple cancers. Methods Protein localization assays including immunofluorescence and subcellular fractionation were used to identify CD55 at the cell surface and nucleus of cancer cells. Protein half-life determinations were used to compare cell surface and nuclear CD55 stability. CD55 deletion mutants were generated and introduced into cancer cells to identify the nuclear trafficking code, cisplatin sensitivity, and stem cell frequency that were assayed using in vitro and in vivo models. Detection of CD55 binding proteins was analyzed by immunoprecipitation followed by mass spectrometry. Target pathways activated by CD55 were identified by RNA sequencing. Results CD55 localizes to the nucleus of a subset of OC specimens, ascites from chemoresistant patients, and enriched in chemoresistant OC cells. We determined that nuclear CD55 is glycosylated and derived from the cell surface pool of CD55. Nuclear localization is driven by a trafficking code containing the serine/threonine (S/T) domain of CD55. Nuclear CD55 is necessary for cisplatin resistance, stemness, and cell proliferation in OC cells. CD55 S/T domain is necessary for nuclear entry and inducing chemoresistance to cisplatin in both in vitro and in vivo models. Deletion of the CD55 S/T domain is sufficient to sensitize chemoresistant OC cells to cisplatin. In the nucleus, CD55 binds and attenuates the epigenetic regulator and tumor suppressor ZMYND8 with a parallel increase in H3K27 trimethylation and members of the Polycomb Repressive Complex 2. Conclusions For the first time, we show CD55 localizes to the nucleus in OC and promotes CSC and chemoresistance. Our studies identify a therapeutic mechanism for treating platinum resistant ovarian cancer by blocking CD55 nuclear entry.

ABSTRACT BACKGROUND There is mounting evidence that microbes resident in the human intestine contribute to diverse alcohol-associated liver diseases (ALD) including the most deadly form known as alcohol-associated hepatitis (AH). However, mechanisms by which gut microbes synergize with excessive alcohol intake to promote liver injury are poorly understood. Furthermore, whether drugs that selectively target gut microbial metabolism can improve ALD has never been tested. METHODS We used liquid chromatography tandem mass spectrometry to quantify the levels of microbe and host choline co-metabolites in healthy controls and AH patients, finding elevated levels of the microbial metabolite trimethylamine (TMA) in AH. In subsequent studies, we treated mice with non-lethal bacterial choline TMA lyase (CutC/D) inhibitors to blunt gut microbe-dependent production of TMA in the context of chronic ethanol administration. Indices of liver injury were quantified by complementary RNA sequencing, biochemical, and histological approaches. In addition, we examined the impact of ethanol consumption and TMA lyase inhibition on gut microbiome structure via 16S rRNA sequencing. RESULTS We show the gut microbial choline metabolite trimethylamine (TMA) is elevated in AH patients and correlates with reduced hepatic expression of the TMA oxygenase flavin-containing monooxygenase 3 (FMO3). Provocatively, we find that small molecule inhibition of gut microbial CutC/D activity protects mice from ethanol-induced liver injury. CutC/D inhibitor-driven improvement in ethanol-induced liver injury is associated with distinct reorganization of the gut microbiome and host liver transcriptome. CONCLUSIONS The microbial metabolite TMA is elevated in patients with AH, and inhibition of TMA production from gut microbes can protect mice from ethanol-induced liver injury.

4016 Background: The rise in early-onset gastrointestinal cancers includes an increased risk of pancreatic adenocarcinoma (PDAC), but the underlying pathogenesis is incompletely understood. The tumor microbiome is an increasing focus of research given its impact on tumor pathogenesis and outcomes. We evaluated microbiome profiles in resected specimens from early-onset PDAC (eoPDAC) and average-onset PDAC (aoPDAC). Methods: PDAC specimens were selected consecutively from Cleveland Clinic and Roswell Park Cancer Institute biorepositories and categorized on age at diagnosis ( < 50 years defined as eoPDAC, and > 50 years as aoPDAC). The tissue microbiome was characterized using shotgun metagenomic sequencing. Alpha diversity, denoting the richness and evenness of microbial species within a specific sample, was compared using the Wilcoxon rank-sum test. The differential test of Beta-diversity distances (Bray Curtis distance), representing microbial taxonomic differences between the specimens was performed using Permutational MANOVA. All p-values were adjusted for multiple testing. Results: The study comprised 44 individuals with resected PDAC (24 eoPDAC and 20 aoPDAC). After quality checks, 63 tissue specimens were selected for analysis (13 tumor and 10 adjacent normal specimens for eoPDAC, 20 each of tumor and adjacent normal specimens for aoPDAC). eoPDAC tumor demonstrated significantly higher alpha diversity compared to adjacent normal tissue (P = 0.02) and aoPDAC (P = 0.0062) while aoPDAC did not (tumor vs normal alpha diversity P = 0.31). Beta diversity analysis demonstrated significantly different diversity of genera between all the groups (P < 0.05). Consistent with this finding, the majority of the species - 259/302 (85.8%) in eo vs aoPDAC comparison and 262/366 (71.6%) for eoPDAC vs normal comparison did not overlap. Differential abundance analysis revealed a significant variation of tumor microbiome in eoPDAC vs aoPDAC (P < 0.05). Prevalent bacterial genera (tumor specimens) are listed in the Table. eoPDAC tumor tissues were enriched in Enterobacter, Neisseria,and Escherichia genera, while aoPDAC tumor tissues were enriched in Klebsiella and Bacillus genera. Conclusions: eoPDAC has a distinct microbiome profile compared to aoPDAC. The correlation with several microbial genera associated with pancreatic diseases is a significant finding and warrants further exploration. This is relevant considering the rising incidence of eoPDAC of unknown etiology, and ongoing efforts to develop microbiome-based biomarkers for screening and treatment. [Table: see text]

Abstract Excess cholesterol induces foam cell formation, NLRP3 inflammasome activation, and IL-1β release in atherosclerotic plaques. We have shown previously that Miltefosine increased cholesterol release and dampened NLRP3 inflammasome assembly in macrophages. Here, we show that Miltefosine reduced LPS-induced choline uptake by macrophages and attenuated NLRP3 inflammasome assembly in mice. Miltefosine-fed mice showed reduced plasma IL-1β in a polymicrobial cecal slurry injection model of systemic inflammation. Miltefosine-fed mice showed increased reverse cholesterol transport from macrophages to plasma, liver, and feces. Hyperlipidemic apoE −/− mice fed with Miltefosine showed significantly reduced weight gain and markedly reduced atherosclerotic lesions vs. control mice. 16S rDNA sequencing and analysis showed alterations in the gut microbiota profile of Miltefosine-fed hyperlipidemic apoE −/− vs. control mice, with the most notable changes in Romboutsia and Bacteroidetes species . Taken together, these data indicate that Miltefosine causes pleiotropic effects on lipid metabolism, inflammasome activity, atherosclerosis, and the gut microbiota.

Abstract Epithelial Ovarian Cancer (EOC) is the leading cause of gynecologic cancer death. Despite many patients achieving remission with first-line therapy, up to 80% of patients will recur and require additional treatment. Retrospective clinical analysis of OC patients indicates antibiotic use during chemotherapy treatment is associated with poor overall survival. We assessed whether antibiotic (ABX) therapy would impact growth of EOC and sensitivity to cisplatin in murine models. Immune competent or compromised mice were given control or ABX containing water (metronidazole, ampicillin, vancomycin, and neomycin) before being intraperitoneally injected with murine EOC cells. Stool was collected to confirm microbiome disruption and tumors were monitored, and cisplatin therapy was administered weekly until endpoint. EOC tumor-bearing mice demonstrate accelerated tumor growth and resistance to cisplatin therapy in ABX treated compared with nonABX treatment. Stool analysis indicated most gut microbial species were disrupted by ABX treatment except for ABX resistant bacteria. To test for role of the gut microbiome, cecal microbiome transplants (CMTs) of microbiota derived from ABX or nonABX treated mice were used to r ecolonize the microbiome of ABX treated mice. nonABX cecal microbiome was sufficient to ameliorate the chemoresistance and survival of ABX treated mice indicative of a gut derived tumor suppressor. Mechanistically, tumors from ABX treated compared to nonABX treated mice contained a high frequency of cancer stem cells that were augmented by cisplatin. These studies indicate an intact microbiome provides a gut derived tumor suppressor and maintains chemosensitivity that is disrupted by ABX treatment. Significance Platinum resistance is associated with poor prognosis and reduced therapeutic options for ovarian cancer patients. We identifed a tumor suppressive role of the gut microbiome that is disrupted upon antibiotic therapy.