The human gut microbiota has now been associated with drug responses and efficacy, while chemical compounds present in these drugs can also impact the gut bacteria. However, drug-microbe interactions are still understudied in the clinical context, where polypharmacy and comorbidities co-occur. Here, we report relations between commonly used drugs and the gut microbiome. We performed metagenomics sequencing of faecal samples from a population cohort and two gastrointestinal disease cohorts. Differences between users and non-users were analysed per cohort, followed by a meta-analysis. While 19 of 41 drugs are found to be associated with microbial features, when controlling for the use of multiple medications, proton-pump inhibitors, metformin, antibiotics and laxatives show the strongest associations with the microbiome. We here provide evidence for extensive changes in taxonomy, metabolic potential and resistome in relation to commonly used drugs. This paves the way for future studies and has implications for current microbiome studies by demonstrating the need to correct for multiple drug use.

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 Phage-displayed immunoprecipitation sequencing (PhIP-Seq) has successfully enabled high-throughput profiling of human antibody profiles. However, a comprehensive overview of environmental and genetic determinants shaping human adaptive immunity is currently lacking. In this study, we aimed to investigate the effects of genetic, environmental and intrinsic factors on the variation in human antibody repertoires. We characterized serological antibody repertoires against 344,000 peptides using PhIP-Seq libraries from a wide range of microbial and environmental antigens in 1,443 participants from a population cohort. We demonstrate individual-specificity, temporal consistency and co-housing similarities in antibody repertoire. Genetic analyses showed involvement of the HLA, IGHV and FUT2 regions. Furthermore, we uncovered associations between 48 phenotypic factors and 544 antibody-bound peptides, including age, cell counts, sex, smoking behavior and allergies, among others. Overall, our results indicate that human antibody epitope repertoires are shaped by both host genetics and environmental exposures and highlight unique signatures of distinct phenotypes and genotypes.

Pregnant women undergoing a cesarean section (CS) typically receive antibiotics prior to skin incision to prevent infections. To investigate if the timing of antibiotics influences the infant gut microbiome, we conducted a randomized controlled trial (NCT06030713) in women delivering via a scheduled CS who received antibiotics either before skin incision or after umbilical cord clamping. We performed a longitudinal analysis on 172 samples from 28 infants at 8 post-birth time points and a cross-sectional analysis at 1 month in 79 infants from 3 cohorts. Although no significant associations with bacterial composition, metabolic pathways, short-chain fatty acids, and bile acids were found, we observed subtle differences between the groups at the bacterial strain level and in the load of antibiotic resistance genes. Rather, feeding mode was a predominant and defining factor impacting infant microbial composition. In conclusion, antibiotic administration during CS has only limited effects on the early-life gut microbiome.

Abstract The average length of telomere repeats (TL) declines with age and is considered to be a marker of biological ageing. Here, we measured TL in six blood cell types from 1,046 individuals using the clinically validated Flow-FISH method. We identified remarkable cell-type-specific variations in TL. Host genetics, environmental, parental and intrinsic factors such as sex, parental age, and smoking are associated to variations in TL. By analysing the genome-wide methylation patterns, we identified that the association of maternal, but not paternal, age to TL is mediated by epigenetics. Coupling these measurements to single-cell RNA-sequencing data for 62 participants revealed differential gene expression in T-cells. Genes negatively associated with TL were enriched for pathways related to translation and nonsense-mediated decay. Altogether, this study addresses cell-type-specific differences in telomere biology and its relation to cell-type-specific gene expression and highlights how perinatal factors play a role in determining TL, on top of genetics and lifestyle.

Abstract Early development of the gut ecosystem is crucial for lifelong health. While infant gut bacterial communities have been studied extensively, the infant gut virome remains under-explored. We longitudinally assessed the composition of gut viruses and their bacterial hosts in 322 total metagenomes and 205 metaviromes from 30 mothers during and after pregnancy and from their 32 infants during their first year of life. While the maternal gut virome composition remained stable during late pregnancy and after birth, the infant gut virome was dynamic in the first year of life and contained a higher abundance of active temperate phages compared to the maternal gut viromes. The infant gut virome composition was also influenced by infant feeding mode and place of delivery. Lastly, we provide evidence of viral-bacterial strains co-transmission from mothers to infants, demonstrating that infants acquire some of their virome from their mother’s gut. Highlights - Longitudinal characterisation of the gut microbiome and virome in 30 mothers during pregnancy, at birth and 3 months after birth and in 32 infants from birth across the first year of life. - The maternal gut bacteriome changes from the first to the second trimester and then remains stable through birth and the first 3 months after birth. - The maternal gut virome remains stable during late pregnancy, birth and the first 3 months after birth. - The infant gut virome is highly dynamic during the first year of life and is shaped by infant feeding mode and place of delivery. - The infant gut harbours more temperate bacteriophages than the maternal gut, but their relative abundance decreases with increasing infant age. - Gut viral strains and their bacterial host strains are co-transmitted from mothers to their infants. - Gut viral strains are transferred from mother to infant around birth directly or via transfer of their bacterial hosts followed by the induction of prophages.