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.

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.