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.

Gut reasons to brush your teeth Some gut conditions, such as inflammatory bowel disease (IBD), ulcerative colitis, and Crohn's disease (CD), are associated with imbalances in the gut microbe community. The causes of these intractable diseases have been difficult to discern. Atarashi et al. took samples from the mouths of IBD and CD patients and inoculated the extracted bacteria into germ-free mice (see the Perspective by Cao). Some of the inoculated mice showed strong proliferation of T helper 1 cells associated with the establishment of oral Klebsiella species in the colon. Klebsiella can be resistant to multiple antibiotics and are able to replace normal colon microbes after antibiotic therapy. Now we know that they probably originate from the mouth and could potentially contribute to bowel disease. Science , this issue p. 359 ; see also p. 308

Host factors in the intestine help select for bacteria that promote health. Certain commensals can utilize mucins as an energy source, thus promoting their colonization. However, health conditions such as inflammatory bowel disease (IBD) are associated with a reduced mucus layer, potentially leading to dysbiosis associated with this disease. We characterize the capability of commensal species to cleave and transport mucin-associated monosaccharides and identify several Clostridiales members that utilize intestinal mucins. One such mucin utilizer, Peptostreptococcus russellii, reduces susceptibility to epithelial injury in mice. Several Peptostreptococcus species contain a gene cluster enabling production of the tryptophan metabolite indoleacrylic acid (IA), which promotes intestinal epithelial barrier function and mitigates inflammatory responses. Furthermore, metagenomic analysis of human stool samples reveals that the genetic capability of microbes to utilize mucins and metabolize tryptophan is diminished in IBD patients. Our data suggest that stimulating IA production could promote anti-inflammatory responses and have therapeutic benefits.

This study explored the short-term planktonic microbial community structure and resilience in Lake Lanier (GA, USA) while simultaneously evaluating the technical aspects of identifying taxa via 16S rRNA gene amplicon and metagenomic sequence data. 16S rRNA gene amplicons generated from four temporally discrete samples were sequenced with 454 GS-FLX-Ti yielding ∼40,000 rRNA gene sequences from each sample and representing ∼300 observed OTUs. Replicates obtained from the same biological sample clustered together but several biases were observed, linked to either the PCR or sequencing-preparation steps. In comparisons with companion whole-community shotgun metagenome datasets, the estimated number of OTUs at each timepoint was concordant, but 1.5 times and ∼10 times as many phyla and genera, respectively, were identified in the metagenomes. Our analyses showed that the 16S rRNA gene captures broad shifts in community diversity over time, but with limited resolution and lower sensitivity compared to metagenomic data. We also identified OTUs that showed marked shifts in abundance over four close timepoints separated by perturbations and tracked these taxa in the metagenome vs. 16S rRNA amplicon data. A strong summer storm had less of an effect on community composition than did seasonal mixing, which revealed a distinct succession of organisms. This study provides insights into freshwater microbial communities and advances the approaches for assessing community diversity and dynamics in situ.

Determining the taxonomic affiliation of sequences assembled from metagenomes remains a major bottleneck that affects research across the fields of environmental, clinical and evolutionary microbiology. Here, we introduce MyTaxa, a homology-based bioinformatics framework to classify metagenomic and genomic sequences with unprecedented accuracy. The distinguishing aspect of MyTaxa is that it employs all genes present in an unknown sequence as classifiers, weighting each gene based on its (predetermined) classifying power at a given taxonomic level and frequency of horizontal gene transfer. MyTaxa also implements a novel classification scheme based on the genome-aggregate average amino acid identity concept to determine the degree of novelty of sequences representing uncharacterized taxa, i.e. whether they represent novel species, genera or phyla. Application of MyTaxa on in silico generated (mock) and real metagenomes of varied read length (100–2000 bp) revealed that it correctly classified at least 5% more sequences than any other tool. The analysis also showed that ∼10% of the assembled sequences from human gut metagenomes represent novel species with no sequenced representatives, several of which were highly abundant in situ such as members of the Prevotella genus. Thus, MyTaxa can find several important applications in microbial identification and diversity studies.

Next-generation sequencing (NGS) is commonly used in metagenomic studies of complex microbial communities but whether or not different NGS platforms recover the same diversity from a sample and their assembled sequences are of comparable quality remain unclear. We compared the two most frequently used platforms, the Roche 454 FLX Titanium and the Illumina Genome Analyzer (GA) II, on the same DNA sample obtained from a complex freshwater planktonic community. Despite the substantial differences in read length and sequencing protocols, the platforms provided a comparable view of the community sampled. For instance, derived assemblies overlapped in ∼90% of their total sequences and in situ abundances of genes and genotypes (estimated based on sequence coverage) correlated highly between the two platforms (R2>0.9). Evaluation of base-call error, frameshift frequency, and contig length suggested that Illumina offered equivalent, if not better, assemblies than Roche 454. The results from metagenomic samples were further validated against DNA samples of eighteen isolate genomes, which showed a range of genome sizes and G+C% content. We also provide quantitative estimates of the errors in gene and contig sequences assembled from datasets characterized by different levels of complexity and G+C% content. For instance, we noted that homopolymer-associated, single-base errors affected ∼1% of the protein sequences recovered in Illumina contigs of 10× coverage and 50% G+C; this frequency increased to ∼3% when non-homopolymer errors were also considered. Collectively, our results should serve as a useful practical guide for choosing proper sampling strategies and data possessing protocols for future metagenomic studies.

Abstract Lateral gene transfer (LGT) is an important mechanism for genome diversification in microbial populations, including the human microbiome. While prior work has surveyed LGT events in human-associated microbial isolate genomes, the scope and dynamics of novel LGT events arising in personal microbiomes are not well understood, as there are no widely adopted computational methods to detect, quantify, and characterize LGT from complex microbial communities. We addressed this by developing, benchmarking, and experimentally validating a computational method (WAAFLE) to profile novel LGT events from assembled metagenomes. Applying WAAFLE to >2K human metagenomes from diverse body sites, we identified >100K putative high-confidence but previously uncharacterized LGT events (∼2 per assembled microbial genome-equivalent). These events were enriched for mobile elements (as expected), as well as restriction-modification and transport functions typically associated with the destruction of foreign DNA. LGT frequency was quantifiably influenced by biogeography, the phylogenetic similarity of the involved taxa, and the ecological abundance of the donor taxon. These forces manifest as LGT networks in which hub species abundant in a community type donate unequally with their close phylogenetic neighbors. Our findings suggest that LGT may be a more ubiquitous process in the human microbiome than previously described. The open-source WAAFLE implementation, documentation, and data from this work are available at http://huttenhower.sph.harvard.edu/waafle .

Background Sovleplenib, a novel spleen tyrosine kinase (SYK) inhibitor, showed promising safety and activity in patients with primary immune thrombocytopenia in a phase 1b/2 trial. We aimed to evaluate the efficacy and safety of sovleplenib in patients with chronic primary immune thrombocytopenia. Methods This randomised, double-blind, placebo-controlled, phase 3 trial (ESLIM-01) was done in 34 clinical centres in China. Eligible patients, aged 18–75 years, had chronic primary immune thrombocytopenia, an Eastern Cooperative Oncology Group (ECOG) performance status of 0–1, and received one or more previous treatments. Patients were randomly assigned (2:1) to receive oral sovleplenib or placebo, 300 mg once daily, for 24 weeks. Randomisation was stratified by baseline platelet counts, previous splenectomy, and concomitant treatment for anti-immune thrombocytopenia at baseline. The primary endpoint was durable response rate (proportion of patients with a platelet count of ≥50 × 109/L on at least four of six scheduled visits between weeks 14 and 24, not affected by rescue treatment) assessed by intention-to-treat. The trial is registered with ClinicalTrials.gov, NCT05029635, and the extension, open-label phase is ongoing. Findings Between Sept 29, 2021, and Dec 31, 2022, 188 patients were randomly assigned to receive sovleplenib (n=126) or placebo (n=62). 124 (66%) were female, 64 (34%) were male, and all were of Asian ethnicity. Median previous lines of immune thrombocytopenia therapy were 4·0, and 134 (71%) of 188 patients had received previous thrombopoietin or thrombopoietin receptor agonist. The primary endpoint was met; durable response rate was 48% (61/126) with sovleplenib compared with zero with placebo (difference 48% [95% CI 40–57]; p<0·0001). The median time to response was 8 days with sovleplenib compared with 30 days with placebo. 125 (99%) of 126 patients in the sovleplenib group and 53 (85%) of 62 in the placebo group reported treatment-emergent adverse events (TEAEs), and most events were mild or moderate. Frequent TEAEs of grade 3 or higher for sovleplenib versus placebo were platelet count decreased (7% [9/126] vs 10% [6/62]), neutrophil count decreased (3% [4/126] vs 0% [0/62]), and hypertension (3% [4/126] vs 0% [0/62]). Incidences of serious TEAEs were 21% (26/126) in the sovleplenib group and 18% (11/62) in the placebo group. There were no deaths in the study. Interpretation Sovleplenib showed a clinically meaningful sustained platelet response in patients with chronic primary immune thrombocytopenia, with a tolerable safety profile and improvement in quality of life. Sovleplenib could be a potential treatment option for patients with immune thrombocytopenia who received one or more previous therapy. Funding HUTCHMED and Science and Technology Commission of Shanghai Municipality.

Recent advances in sequencing technology and accompanying bioinformatic pipelines have allowed unprecedented access to the genomes of yet-uncultivated microorganisms from a wide array of natural and engineered environments. However, the catalogue of available genomes from uncultivated freshwater microbial populations remains limited, and most genome recovery attempts in freshwater ecosystems have only targeted few specific taxa. Here, we present a novel genome recovery pipeline, which incorporates iterative subtractive binning and apply it to a time series of metagenomic datasets from seven connected locations along the Chattahoochee River (Southeastern USA). Our set of Metagenome-Assembled Genomes (MAGs) represents over four hundred genomospecies yet to be named, which substantially increase the number of high-quality MAGs from freshwater lakes and represent about half of the total microbial community sampled. We propose names for two novel species that were represented by high-quality MAGs: "Candidatus Elulimicrobium humile" ("Ca. Elulimicrobiota" in the "Patescibacteria" group) and "Candidatus Aquidulcis frankliniae" ("Chloroflexi"). To evaluate the prevalence of these species in the chronoseries, we introduce novel approaches to estimate relative abundance and a habitat-preference score that control for uneven quality of the genomes and sample representation. Using these metrics, we demonstrate a high degree of habitat-specialization and endemicity for most genomospecies observed in the Chattahoochee lacustrine ecosystem, as well as wider species ecological ranges associated with smaller genomes and higher coding densities, indicating an overall advantage of smaller, more compact genomes for cosmopolitan distributions.