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.

Advances in modern sequencing technologies allow us to generate sufficient data to analyze hundreds of bacterial genomes from a single machine in a single day. This potential for sequencing massive numbers of genomes calls for fully automated methods to produce high-quality assemblies and variant calls. We introduce Pilon, a fully automated, all-in-one tool for correcting draft assemblies and calling sequence variants of multiple sizes, including very large insertions and deletions. Pilon works with many types of sequence data, but is particularly strong when supplied with paired end data from two Illumina libraries with small e.g., 180 bp and large e.g., 3-5 Kb inserts. Pilon significantly improves draft genome assemblies by correcting bases, fixing mis-assemblies and filling gaps. For both haploid and diploid genomes, Pilon produces more contiguous genomes with fewer errors, enabling identification of more biologically relevant genes. Furthermore, Pilon identifies small variants with high accuracy as compared to state-of-the-art tools and is unique in its ability to accurately identify large sequence variants including duplications and resolve large insertions. Pilon is being used to improve the assemblies of thousands of new genomes and to identify variants from thousands of clinically relevant bacterial strains. Pilon is freely available as open source software.

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.

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 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.

Gut microbes make T cells keep the peace Our guts harbor trillions of microbial inhabitants, some of which regulate the types of immune cells that are present in the gut. For instance, Clostridium species of bacteria induce a type of T cell that promotes tolerance between the host and its microbial contents. Ohnmacht et al. and Sefik et al. characterized a population of gut regulatory T cells in mice, which required gut microbiota to survive. Multiple bacterial species of the microbiota could induce transcription factor–expressing regulatory T cells that helped maintain immune homeostasis. Mice engineered to lack these transcription factors exhibited enhanced susceptibility to colonic inflammation and had elevated amounts of proinflammatory molecules associated with allergies (see the Perspective by Hegazy and Powrie). Science , this issue pp. 989 and 993

News from the Inner Tube of Life A major initiative by the U.S. National Institutes of Health to sequence 900 genomes of microorganisms that live on the surfaces and orifices of the human body has established standardized protocols and methods for such large-scale reference sequencing. By combining previously accumulated data with new data, Nelson et al. (p. 994 ) present an initial analysis of 178 bacterial genomes. The sampling so far barely scratches the surface of the microbial diversity found on humans, but the work provides an important baseline for future analyses.

Significance Recent years have seen incredible growth in both the scale and specificity of projects analyzing the microbial organisms living in and on the human body (the human microbiome). Such studies typically require subjects to report to clinics for sample collection, a complicated practice that is impractical for large studies. To address these issues, we developed a protocol that allows subjects to collect microbiome samples at home and ship them to laboratories for multiple different types of molecular analysis. Measurements of microbial species, gene, and gene transcript composition within self-collected samples were consistent across sampling methods. In addition, our subsequent analysis of these samples revealed interesting similarities and differences between the measured functional potential and functional activity of the human microbiome.

Fusobacterium nucleatum is associated with colorectal cancer and promotes colonic tumor formation in preclinical models. However, fusobacteria are core members of the human oral microbiome and less prevalent in the healthy gut, raising questions about how fusobacteria localize to CRC. We identify a host polysaccharide and fusobacterial lectin that explicates fusobacteria abundance in CRC. Gal-GalNAc, which is overexpressed in CRC, is recognized by fusobacterial Fap2, which functions as a Gal-GalNAc lectin. F. nucleatum binding to clinical adenocarcinomas correlates with Gal-GalNAc expression and is reduced upon O-glycanase treatment. Clinical fusobacteria strains naturally lacking Fap2 or inactivated Fap2 mutants show reduced binding to Gal-GalNAc-expressing CRC cells and established CRCs in mice. Additionally, intravenously injected F. nucleatum localizes to mouse tumor tissues in a Fap2-dependent manner, suggesting that fusobacteria use a hematogenous route to reach colon adenocarcinomas. Thus, targeting F. nucleatum Fap2 or host epithelial Gal-GalNAc may reduce fusobacteria potentiation of CRC.

Benign colonization of the gut Microbial communities in the gut can be highly individual. What engenders this specificity? The gut characteristically produces gram quantities of immunoglobulin A (IgA) antibody, which is presumed to protect the gut from pathogen attack. Donaldson et al. engineered strains of Bacteroides fragilis , a common human commensal, to modify its surface capsule, which affects its ability to colonize the germ-free mouse gut. Capsule changes altered the capacity of IgA to bind to the different mutants. It seems that this commensal species exploits IgA sticking power specifically to give it a competitive edge and to promote its establishment in the gut. Science , this issue p. 795