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.

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.

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.

Achieving long-term clinical remission in Crohn's disease (CD) with antitumor necrosis factor α (anti-TNF-α) agents remains challenging.

ABSTRACT The rumen of neonatal calves is not well-developed and exhibits limited functionality. Therefore, the establishment of intestinal microbiota may play an instrumental role in their health and performance, but it has been rarely explored. Thus, we aim to explore the temporal colonization of the gut microbiome and the potential benefits of early microbial intervention in newborn calves. We followed up on the temporal dynamics of the gut microbiome and plasma metabolome in 36 newborn calves during the first two months of life and established their relationships with their health status and performance. We also evaluated whether microbiota transplantation (MT) could influence their phenotypes by modulating metabolism and its impact on later milk production performance.We showed that the composition and ecological interactions of the gut microbiome are likely to reach maturity one month after birth. Temporal changes in the gut microbiome of newborn calves are widely associated with changes in their physiological statuses, such as growth and fiber digestion. Importantly, we observed that MT reshapes the gut microbiome of newborns by altering the abundance and interaction of Bacteroides species, as well as amino acid pathways, such as arginine biosynthesis. Two-year follow-up of those calves further showed that MT improves their later milk production. Notably, MT improves fiber digestion, antioxidant capacity of newborns while reducing diarrhea. MT also contributes to significant changes in the metabolomic landscape, and with putative causal mediation analysis, we suggest that altered gut microbial composition in newborns may influence physiological status through microbial-derived metabolites. The data from the study may help develop strategies to manipulate the gut microbiota during early life, which may be significantly relevant to the health and production of newborn calves. HIGHLIGHTS The gut microbial composition and ecological interaction in newborn calves reach maturity one month after birth Temporal shifts in the gut microbiome of newborn calves are associated with phenotypic changes, including growth, digestion, and antioxidative capacity Early microbial intervention in newborn calves reduces diarrhea while improving later milk production The gut microbial impact on newborn calves is mediated by plasma metabolites

Background: The rumen of neonatal calves is underdeveloped and exhibits limited functionality during early life. Thus, the acquisition and colonization of microbes in the gut are key to establishing a healthy host-microbiome symbiosis for neonatal calves. Microbiome-linked health outcomes appear to be the consequences of individual strains of specific microbes. However, the temporal colonization of pioneering microbial strains and their linkages to the health and growth of neonatal calves are poorly understood. Results: To address this, we longitudinally profiled the gut microbiome of 36 neonatal calves from birth up to 2 months postpartum and carried out microbial transplantation (MT) to reshape their gut microbiome. Genomic reconstruction of deeply sequenced fecal samples resulted in a total of 3,931 metagenomic assembled genomes (MAGs), of which 397 were identified as new species when compared with existing databases of Bos taurus. Single nucleotide level metagenomic profiling shows a rapid influx of microbes after birth, followed by strong selection during the first few weeks of life. MT was found to reshape the genetic makeup of 33 MAGs (FDR<0.05), mainly from Prevotella and Bacteroides species. We further linked over 20 million microbial single nucleotide variations (SNVs) to 736 plasma metabolites, which enabled us to characterize 24 study-wide significant associations (P < 4.4×10-9) that identify the potential microbial genetic regulation of host immune and neuro-related metabolites, including glutathione and L-dopa. Our integration analyses further revealed that microbial genetic variations may influence the health status and growth performance of neonatal calves by modulating metabolites via structural regulation of their encoded proteins. For instance, we found that the albumin levels and total antioxidant capacity in neonatal calves were correlated with L-dopa, which was determined by SNVs via structural regulations of metabolic enzymes. Conclusions: The current results indicate that the temporal colonization of microbial strains and MT-induced strain replacement are integral in the development of the gut microbiome of neonatal calves and may help to develop strategies that can improve the health status and growth performance of neonatal calves.