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 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.

Abstract Host genetics are known to influence the gut microbiome, yet their role remains poorly understood. To robustly characterize these effects, we performed a genome-wide association study of 207 taxa and 205 pathways representing microbial composition and function within the Dutch Microbiome Project, a population cohort of 7,738 individuals from the northern Netherlands. Two robust, study-wide significant ( p <1.89×10 -10 ) signals near the LCT and ABO genes were found to affect multiple microbial taxa and pathways, and were replicated in two independent cohorts. The LCT locus associations were modulated by lactose intake, while those at ABO reflected participant secretor status determined by FUT2 genotype. Eighteen other loci showed suggestive evidence ( p <5×10 -8 ) of association with microbial taxa and pathways. At a more lenient threshold, the number of loci identified strongly correlated with trait heritability, suggesting that much larger sample sizes are needed to elucidate the remaining effects of host genetics on the gut microbiome.

ABSTRACT Objective Inflammatory bowel disease (IBD) is a multifactorial immune-mediated inflammatory disease of the intestine, comprising Crohn’s disease and ulcerative colitis. By characterising metabolites in faeces, combined with faecal metagenomics, host genetics and clinical characteristics, we aimed to unravel metabolic alterations in IBD. Design We measured 1,684 different faecal metabolites and 8 short-chain and branched-chain fatty acids in stool samples of 424 IBD patients and 255 non-IBD controls. Regression analyses were used to compare concentrations of metabolites between cases and controls and determine the relationship between metabolites and each participant’s lifestyle, clinical characteristics and gut microbiota composition. Moreover, genome-wide association analysis was conducted on faecal metabolite levels. Results We identified over 300 molecules that were differentially abundant in the faeces of patients with IBD. The ratio between a sphingolipid and L-urobilin could discriminate between IBD and non-IBD samples (AUC = 0.85). We found changes in the bile acid pool in patients with dysbiotic microbial communities and a strong association between faecal metabolome and gut microbiota. For example, the abundance of Ruminococcus gnavus was positively associated with tryptamine levels. In addition, we found 158 associations between metabolites and dietary patterns, and polymorphisms near NAT2 strongly associated with coffee metabolism. Conclusion In this large-scale analysis, we identified alterations in the metabolome of patients with IBD that are independent of commonly overlooked confounders such as diet and surgical history. Considering the influence of the microbiome on faecal metabolites, our results pave the way for future interventions targeting intestinal inflammation.

Summary Inflammatory bowel diseases (IBD), e.g. Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC), are chronic immune-mediated inflammatory diseases. A comprehensive overview of an IBD-specific antibody epitope repertoire is, however, lacking. We leveraged a high-throughput phage-displayed immunoprecipitation sequencing (PhIP-seq) workflow to identify antibodies against 344,000 antimicrobial, immune and food antigens in 497 IBD patients as compared to 1,326 controls. IBD was characterized by 373 differentially abundant antibodies (202 overrepresented and 171 underrepresented), with 17% shared by both IBDs, 55% unique to CD and 28% unique to UC. Antibodies against bacterial flagellins dominated in CD and were associated with ileal involvement, fibrostenotic disease and anti- Saccharomyces cerevisiae antibody positivity, but not with fecal microbiome composition. Antibody epitope repertoires accurately discriminated CD from controls (AUC=0.89), and similar discrimination was achieved when using only ten antibodies (AUC=0.87). IBD patients thus show a distinct antibody repertoire against selected peptides, allowing patient stratification and discovery of immunological targets.

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 People living with HIV (PLHIV) are exposed to chronic immune dysregulation, even when virus replication is suppressed by antiretroviral therapy (ART). Given the emerging role of the gut microbiome in immunity, we hypothesized that the gut microbiome may be related to the cytokine production capacity of PLHIV. To test this hypothesis, we collected metagenomic data from 143 ART-treated PLHIV and assessed the ex vivo production capacity of eight different cytokines (IL-1β, IL-6, IL-1Ra, IL-10, IL17, IL22, TNF and IFN-γ) in response to different stimuli. We also characterized CD4 + T cell–counts, HIV reservoir and other clinical parameters. Compared to 190 age- and sex-matched controls and a second independent control cohort, PLHIV showed microbial dysbiosis that was correlated with viral reservoir levels, cytokine production capacity and sexual behavior. Notably, we identified two genetically different P. copri strains that were enriched in either PLHIV or healthy controls. The control-enriched strain was negatively associated with IL-10, IL-6 and TNF production, independent of age, sex and sexual behavior, and positively associated with CD4 + T cell–level, whereas the PLHIV-enriched strain showed no associations. Our findings suggest that modulating the gut microbiome may be a strategy to modulate immune response in PLHIV. Novel Points We identified compositional and functional changes in the gut microbiome of PLHIV that were strongly related to sexual behavior. HIV-associated bacterial changes are negatively associated with HIV reservoir. The relative abundance of Firmicutes bacterium CAG 95 and Prevotella sp CAG 5226 both show a negative association with CD4 + T cell–associated HIV-1 DNA. Prevotella copri and Bacteroides vulgatus show association with PBMC production capacity of IL-1β and IL-10 that is independent of age, sex, BMI and sexual behavior. We observed two genetically different P. copri strains that are enriched in PLHIV and healthy individuals, respectively. The control-related P. copri strain specifically shows a negative association with IL-10, IL-6 and TNF production and a positive association with CD4 + T cell–level. This suggests it plays a potential protective role in chronic inflammation, which may be related to enrichment of a specific epitope peptide.

Emerging evidence suggests the gut microbiome's potential in predicting response to biologic treatments in patients with inflammatory bowel disease (IBD). In this prospective study, we aimed to predict treatment response to vedolizumab and ustekinumab, integrating clinical data, gut microbiome profiles based on metagenomic sequencing, and untargeted fecal metabolomics. We aimed to identify predictive biomarkers and attempted to replicate microbiome-based signals from previous studies. We found that the predictive utility of the gut microbiome and fecal metabolites for treatment response was marginal compared to clinical features alone. Testing our identified microbial ratios in an external cohort reinforced the lack of predictive power of the microbiome. Additionally, we could not confirm previously published predictive signals observed in similar sized cohorts. Overall, these findings highlight the importance of external validation and larger sample sizes, to better understand the microbiome's impact on therapy outcomes in the setting of biologicals in IBD before potential clinical implementation.

Multiple sclerosis is a chronic demyelinating disease of the central nervous system. There is a need for new circulating biomarkers for multiple sclerosis, in particular, markers that differentiate multiple sclerosis subtypes (relapsing-remitting, secondary progressive and primary progressive multiple sclerosis), as this can help in making treatment decisions. In this study, we explore two classes of potential multiple sclerosis biomarkers-proteins and microRNAs-circulating in the cerebrospinal fluid and serum. Targeted medium-throughput proteomics (92 proteins) and microRNA sequencing were performed on serum samples collected in a cross-sectional case-control cohort (cohort I, controls

Abstract Genetic susceptibility to metabolic associated fatty liver disease (MAFLD) is complex and poorly characterized. Accurate characterization of the genetic background of hepatic fat content would provide insights into disease etiology and causality of risk factors. We performed genome-wide association study (GWAS) on two noninvasive definitions of hepatic fat content: magnetic resonance imaging proton density fat fraction (MRI-PDFF) in 16,050 participants and fatty liver index (FLI) in 388,701 participants from the United Kingdom (UK) Biobank (UKBB). Heritability, genetic overlap, and similarity between hepatic fat content phenotypes were analyzed, and replicated in 10,398 participants from the University Medical Center Groningen (UMCG) Genetics Lifelines Initiative (UGLI). Meta-analysis of GWASs of MRI-PDFF in UKBB revealed five statistically significant loci, including two novel genomic loci harboring CREB3L1 (rs72910057-T, P = 5.40E−09) and GCM1 (rs1491489378-T, P = 3.16E−09), respectively, as well as three previously reported loci: PNPLA3, TM6SF2, and APOE. GWAS of FLI in UKBB identified 196 genome-wide significant loci, of which 49 were replicated in UGLI, with top signals in ZPR1 (P = 3.35E−13) and FTO (P = 2.11E−09). Statistically significant genetic correlation (rg) between MRI-PDFF (UKBB) and FLI (UGLI) GWAS results was found (rg = 0.5276, P = 1.45E−03). Novel MRI-PDFF genetic signals (CREB3L1 and GCM1) were replicated in the FLI GWAS. We identified two novel genes for MRI-PDFF and 49 replicable loci for FLI. Despite a difference in hepatic fat content assessment between MRI-PDFF and FLI, a substantial similar genetic architecture was found. FLI is identified as an easy and reliable approach to study hepatic fat content at the population level.