This study describes and validates a new method for metagenomic biomarker discovery by way of class comparison, tests of biological consistency and effect size estimation. This addresses the challenge of finding organisms, genes, or pathways that consistently explain the differences between two or more microbial communities, which is a central problem to the study of metagenomics. We extensively validate our method on several microbiomes and a convenient online interface for the method is provided at http://huttenhower.sph.harvard.edu/lefse/ .

Studies of the human microbiome have revealed that even healthy individuals differ remarkably in the microbes that occupy habitats such as the gut, skin and vagina. Much of this diversity remains unexplained, although diet, environment, host genetics and early microbial exposure have all been implicated. Accordingly, to characterize the ecology of human-associated microbial communities, the Human Microbiome Project has analysed the largest cohort and set of distinct, clinically relevant body habitats so far. We found the diversity and abundance of each habitat’s signature microbes to vary widely even among healthy subjects, with strong niche specialization both within and among individuals. The project encountered an estimated 81–99% of the genera, enzyme families and community configurations occupied by the healthy Western microbiome. Metagenomic carriage of metabolic pathways was stable among individuals despite variation in community structure, and ethnic/racial background proved to be one of the strongest associations of both pathways and microbes with clinical metadata. These results thus delineate the range of structural and functional configurations normal in the microbial communities of a healthy population, enabling future characterization of the epidemiology, ecology and translational applications of the human microbiome. The Human Microbiome Project Consortium reports the first results of their analysis of microbial communities from distinct, clinically relevant body habitats in a human cohort; the insights into the microbial communities of a healthy population lay foundations for future exploration of the epidemiology, ecology and translational applications of the human microbiome. The Human Microbiome Project (HMP), supported by the National Institutes of Health Common Fund, has the goal of characterizing the microbial communities that inhabit and interact with the human body in sickness and in health. In two Articles in this issue of Nature, the HMP Consortium presents the first population-scale details of the organismal and functional composition of the microbiota across five areas of the body. An associated News & Views discusses the initial results — which, along with those of a series of co-publications, already constitute the most extensive catalogue of organisms and genes related to the human microbiome yet published — and highlights some of the major questions that the project will tackle in the next few years.

Bacterial diversity among environmental samples is commonly assessed with PCR-amplified 16S rRNA gene (16S) sequences. Perceived diversity, however, can be influenced by sample preparation, primer selection, and formation of chimeric 16S amplification products. Chimeras are hybrid products between multiple parent sequences that can be falsely interpreted as novel organisms, thus inflating apparent diversity. We developed a new chimera detection tool called Chimera Slayer (CS). CS detects chimeras with greater sensitivity than previous methods, performs well on short sequences such as those produced by the 454 Life Sciences (Roche) Genome Sequencer, and can scale to large data sets. By benchmarking CS performance against sequences derived from a controlled DNA mixture of known organisms and a simulated chimera set, we provide insights into the factors that affect chimera formation such as sequence abundance, the extent of similarity between 16S genes, and PCR conditions. Chimeras were found to reproducibly form among independent amplifications and contributed to false perceptions of sample diversity and the false identification of novel taxa, with less-abundant species exhibiting chimera rates exceeding 70%. Shotgun metagenomic sequences of our mock community appear to be devoid of 16S chimeras, supporting a role for shotgun metagenomics in validating novel organisms discovered in targeted sequence surveys.

Summary

 Inflammatory bowel diseases (IBDs), including Crohn's disease (CD), are genetically linked to host pathways that implicate an underlying role for aberrant immune responses to intestinal microbiota. However, patterns of gut microbiome dysbiosis in IBD patients are inconsistent among published studies. Using samples from multiple gastrointestinal locations collected prior to treatment in new-onset cases, we studied the microbiome in the largest pediatric CD cohort to date. An axis defined by an increased abundance in bacteria which include Enterobacteriaceae, Pasteurellacaea, Veillonellaceae, and Fusobacteriaceae, and decreased abundance in Erysipelotrichales, Bacteroidales, and Clostridiales, correlates strongly with disease status. Microbiome comparison between CD patients with and without antibiotic exposure indicates that antibiotic use amplifies the microbial dysbiosis associated with CD. Comparing the microbial signatures between the ileum, the rectum, and fecal samples indicates that at this early stage of disease, assessing the rectal mucosal-associated microbiome offers unique potential for convenient and early diagnosis of CD.

A variety of microbial communities and their genes (the microbiome) exist throughout the human body, with fundamental roles in human health and disease. The National Institutes of Health (NIH)-funded Human Microbiome Project Consortium has established a population-scale framework to develop metagenomic protocols, resulting in a broad range of quality-controlled resources and data including standardized methods for creating, processing and interpreting distinct types of high-throughput metagenomic data available to the scientific community. Here we present resources from a population of 242 healthy adults sampled at 15 or 18 body sites up to three times, which have generated 5,177 microbial taxonomic profiles from 16S ribosomal RNA genes and over 3.5 terabases of metagenomic sequence so far. In parallel, approximately 800 reference strains isolated from the human body have been sequenced. Collectively, these data represent the largest resource describing the abundance and variety of the human microbiome, while providing a framework for current and future studies. The Human Microbiome Project Consortium has established a population-scale framework to study a variety of microbial communities that exist throughout the human body, enabling the generation of a range of quality-controlled data as well as community resources. The Human Microbiome Project (HMP), supported by the National Institutes of Health Common Fund, has the goal of characterizing the microbial communities that inhabit and interact with the human body in sickness and in health. In two Articles in this issue of Nature, the HMP Consortium presents the first population-scale details of the organismal and functional composition of the microbiota across five areas of the body. An associated News & Views discusses the initial results — which, along with those of a series of co-publications, already constitute the most extensive catalogue of organisms and genes related to the human microbiome yet published — and highlights some of the major questions that the project will tackle in the next few years.

The inflammatory bowel diseases (IBD) Crohn's disease and ulcerative colitis result from alterations in intestinal microbes and the immune system. However, the precise dysfunctions of microbial metabolism in the gastrointestinal microbiome during IBD remain unclear. We analyzed the microbiota of intestinal biopsies and stool samples from 231 IBD and healthy subjects by 16S gene pyrosequencing and followed up a subset using shotgun metagenomics. Gene and pathway composition were assessed, based on 16S data from phylogenetically-related reference genomes, and associated using sparse multivariate linear modeling with medications, environmental factors, and IBD status.Firmicutes and Enterobacteriaceae abundances were associated with disease status as expected, but also with treatment and subject characteristics. Microbial function, though, was more consistently perturbed than composition, with 12% of analyzed pathways changed compared with 2% of genera. We identified major shifts in oxidative stress pathways, as well as decreased carbohydrate metabolism and amino acid biosynthesis in favor of nutrient transport and uptake. The microbiome of ileal Crohn's disease was notable for increases in virulence and secretion pathways.This inferred functional metagenomic information provides the first insights into community-wide microbial processes and pathways that underpin IBD pathogenesis.

The advent of next generation sequencing has coincided with a growth in interest in using these approaches to better understand the role of the structure and function of the microbial communities in human, animal, and environmental health. Yet, use of next generation sequencing to perform 16S rRNA gene sequence surveys has resulted in considerable controversy surrounding the effects of sequencing errors on downstream analyses. We analyzed 2.7×106 reads distributed among 90 identical mock community samples, which were collections of genomic DNA from 21 different species with known 16S rRNA gene sequences; we observed an average error rate of 0.0060. To improve this error rate, we evaluated numerous methods of identifying bad sequence reads, identifying regions within reads of poor quality, and correcting base calls and were able to reduce the overall error rate to 0.0002. Implementation of the PyroNoise algorithm provided the best combination of error rate, sequence length, and number of sequences. Perhaps more problematic than sequencing errors was the presence of chimeras generated during PCR. Because we knew the true sequences within the mock community and the chimeras they could form, we identified 8% of the raw sequence reads as chimeric. After quality filtering the raw sequences and using the Uchime chimera detection program, the overall chimera rate decreased to 1%. The chimeras that could not be detected were largely responsible for the identification of spurious operational taxonomic units (OTUs) and genus-level phylotypes. The number of spurious OTUs and phylotypes increased with sequencing effort indicating that comparison of communities should be made using an equal number of sequences. Finally, we applied our improved quality-filtering pipeline to several benchmarking studies and observed that even with our stringent data curation pipeline, biases in the data generation pipeline and batch effects were observed that could potentially confound the interpretation of microbial community data.

The tumor microenvironment of colorectal carcinoma is a complex community of genomically altered cancer cells, nonneoplastic cells, and a diverse collection of microorganisms. Each of these components may contribute to carcinogenesis; however, the role of the microbiota is the least well understood. We have characterized the composition of the microbiota in colorectal carcinoma using whole genome sequences from nine tumor/normal pairs. Fusobacterium sequences were enriched in carcinomas, confirmed by quantitative PCR and 16S rDNA sequence analysis of 95 carcinoma/normal DNA pairs, while the Bacteroidetes and Firmicutes phyla were depleted in tumors. Fusobacteria were also visualized within colorectal tumors using FISH. These findings reveal alterations in the colorectal cancer microbiota; however, the precise role of Fusobacteria in colorectal carcinoma pathogenesis requires further investigation.

“Normal” for the gut microbiota For the benefit of future clinical studies, it is critical to establish what constitutes a “normal” gut microbiome, if it exists at all. Through fecal samples and questionnaires, Falony et al. and Zhernakova et al. targeted general populations in Belgium and the Netherlands, respectively. Gut microbiota composition correlated with a range of factors including diet, use of medication, red blood cell counts, fecal chromogranin A, and stool consistency. The data give some hints for possible biomarkers of normal gut communities. Science , this issue pp. 560 and 565

The healthy microbiota show remarkable variability within and among individuals. In addition to external exposures, ecological relationships (both oppositional and symbiotic) between microbial inhabitants are important contributors to this variation. It is thus of interest to assess what relationships might exist among microbes and determine their underlying reasons. The initial Human Microbiome Project (HMP) cohort, comprising 239 individuals and 18 different microbial habitats, provides an unprecedented resource to detect, catalog, and analyze such relationships. Here, we applied an ensemble method based on multiple similarity measures in combination with generalized boosted linear models (GBLMs) to taxonomic marker (16S rRNA gene) profiles of this cohort, resulting in a global network of 3,005 significant co-occurrence and co-exclusion relationships between 197 clades occurring throughout the human microbiome. This network revealed strong niche specialization, with most microbial associations occurring within body sites and a number of accompanying inter-body site relationships. Microbial communities within the oropharynx grouped into three distinct habitats, which themselves showed no direct influence on the composition of the gut microbiota. Conversely, niches such as the vagina demonstrated little to no decomposition into region-specific interactions. Diverse mechanisms underlay individual interactions, with some such as the co-exclusion of Porphyromonaceae family members and Streptococcus in the subgingival plaque supported by known biochemical dependencies. These differences varied among broad phylogenetic groups as well, with the Bacilli and Fusobacteria, for example, both enriched for exclusion of taxa from other clades. Comparing phylogenetic versus functional similarities among bacteria, we show that dominant commensal taxa (such as Prevotellaceae and Bacteroides in the gut) often compete, while potential pathogens (e.g. Treponema and Prevotella in the dental plaque) are more likely to co-occur in complementary niches. This approach thus serves to open new opportunities for future targeted mechanistic studies of the microbial ecology of the human microbiome.