Abstract Evaluating metagenomic software is key for optimizing metagenome interpretation and focus of the community-driven initiative for the Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI). In its second challenge, CAMI engaged the community to assess their methods on realistic and complex metagenomic datasets with long and short reads, created from ∼1,700 novel and known microbial genomes, as well as ∼600 novel plasmids and viruses. Altogether 5,002 results by 76 program versions were analyzed, representing a 22x increase in results. Substantial improvements were seen in metagenome assembly, some due to using long-read data. The presence of related strains still was challenging for assembly and genome binning, as was assembly quality for the latter. Taxon profilers demonstrated a marked maturation, with taxon profilers and binners excelling at higher bacterial taxonomic ranks, but underperforming for viruses and archaea. Assessment of clinical pathogen detection techniques revealed a need to improve reproducibility. Analysis of program runtimes and memory usage identified highly efficient programs, including some top performers with other metrics. The CAMI II results identify current challenges, but also guide researchers in selecting methods for specific analyses.

Abstract More than a decade of gut microbiome studies have a common goal for human health. As most of the disease studies sample the elderly or the middle-aged, a reference cohort for young individuals has been lacking. It is also not clear what other omics data need to be measured to better understand the gut microbiome. Here we present high-depth metagenomic shotgun sequencing data for the fecal microbiome together with other omics data in a cohort of 2,183 adults, and observe a number of vitamins, hormones, amino acids and trace elements to correlate with the gut microbiome and cluster with T cell receptors. Associations with physical fitness, sleeping habits and dairy consumption are identified in this large multi-omic cohort. Many of the associations are validated in an additional cohort of 1,404 individuals. Our comprehensive data are poised to advise future study designs to better understand and manage our gut microbiome both in population and in mechanistic investigations.

The gut microbiome has been the center of attention for human commensal microbiome studies. The vaginal microbiome is also densely populated with bacteria, viruses and fungi, and the presence of microorganisms beyond the cervix is increasingly reported in non-infectious conditions 1–3 . Due to the over 90% of human sequences in female reproductive tract samples 3,4 , metagenomic information has been very limited. 16S rRNA gene amplicon sequencing studies have identified community types in the vaginal microbiota, and observed its dynamic changes due to menstrual cycles and sexual behaviors in small cohorts 5,6 . Here we perform metagenomic shotgun sequencing on cervical samples from 516 women of reproductive age (more than 10-fold of the Human Microbiome Project (HMP) 4 ), and dissect major factors, especially pregnancy and delivery histories and contraception methods on the microbiome composition. Features of other body sites, such as mood fluctuations and facial speckles could potentially be deduced from the vagino-cervical microbiome. Our results offer an unprecedented glimpse into the microbiota in the female reproductive tract and imply disease susceptibilities that may be relieved by behavioural changes.

Abstract The oral microbiota contains billions of microbial cells, which could contribute to diseases in a number of body sites. Challenged by eating, drinking and dental hygiene on a daily basis, the oral microbiota is regarded as highly dynamic. Here, we report significant human genomic associations with the oral metagenome from more than 1,915 individuals, for both the tongue dorsum and saliva. We identified five genetic loci associated with oral microbiota at study-wide significance ( p < 3.16 × 10 −11 ). Four of the five associations were well replicated in an independent cohort of 1,439 individuals: rs1196764 at APPL2 with Prevotella jejuni, Oribacterium uSGB 3339 and Solobacterium uSGB 315 ; rs3775944 at the serum uric acid transporter SLC2A9 with Oribacterium uSGB 1215, Oribacterium uSGB 489 and Lachnoanaerobaculum umeaense ; rs4911713 near OR11H1 with species F0422 uSGB 392; and rs36186689 at LOC105371703 with Eggerthia . Further analyses confirmed 84% (386/455 for tongue dorsum) and 85% (391/466 for saliva) of genetic-microbiota associations including 6 genome-wide significant associations mutually validated between the two niches. Human genetics accounted for at least 10% of oral microbiome compositions between individuals. Machine learning models showed that polygenetic risk score dominated over oral microbiome in predicting predisposing risk of dental diseases such as dental calculus and gingival bleeding. These findings indicate that human genetic differences are one explanation for a stable or recurrent oral microbiome in each individual.

ABSTRACT Fecal microbiota transplantation (FMT), which is thought to have the potential to correct dysbiosis of gut microbiota, has recently been used to treat inflammatory bowel disease (IBD). To elucidate the extent and principles of microbiota engraftment in IBD patients after FMT treatment, we conducted an interventional prospective cohort study. The cohort included two categories of patients: (1) patients with moderate to severe Crohn’s disease (CD) (Harvey-Bradshaw Index ≥ 7, n = 11, and (2) patients with ulcerative colitis (UC) (Montreal classification, S2 and S3, n = 4). All patients were treated with a single FMT (via mid-gut, from healthy donors) and follow-up visits were performed at baseline, 3 days, one week, and one month after FMT (missing time points included). At each follow-up time point, fecal samples of the participants were collected along with their clinical metadata. For comparative analysis, 10 fecal samples from 10 healthy people were included to represent the diversity level of normal gut microbiota. Additionally, the metagenomic data of 25 fecal samples from 5 individuals with metabolic syndrome who underwent autologous FMT treatment were downloaded from a previous published paper to represent natural microbiota shifts during FMT. All fecal samples underwent shotgun metagenomic sequencing. We found that 3 days after FMT, 11 out of 15 recipients were in remission (3 out of 4 UC recipients; 8 out of 11 CD recipients). Generally, bacterial colonization was observed to be lower in CD recipients than in UC recipients at both species and strain levels. Furthermore, across species, different strains displayed disease-specific displacement advantages under two-disease status. Finally, most post-FMT species (> 80%) could be properly predicted (AUC > 85%) using a random forest classification model, with the gut microbiota composition and clinical parameters of pre-FMT recipients acting as the most contributive factors for prediction accuracy.

Summary Respiratory diseases impose an immense health burden worldwide. Epidemiological studies have revealed extensive disparities in the incidence and severity of respiratory tract infections (RTIs) between males and females . It is recently hypothesized that there might also be a nasal microbiome axis contributing to the observed sex disparities, but without evidence. In this work, we study the nasal microbiome of healthy young adults in, as of today, the largest cohort based on deep shot-gun metagenomic sequencing. We mainly focus on the bacteriome, but also integrate the mycobiome to get a more holistic perspective. De novo assembly is performed to catalog the nasal bacterial colonizers/residents, which also identify and therefore account for uncharacterized components of the community. The bacteriome is then profiled based on the non-redundant metagenome-assembled genomes (MAGs) catalog constructed therefrom. Unsupervised clustering reveals clearly separable structural patterns in the nasal microbiome between the two sexes. Following this link, we systematically evaluate sex differences for the first time and reveal extensive sex-specific features in the nasal microbiome composition. More importantly, through network analyses, we capture markedly higher ecological stability and antagonistic potentials in the nasal microbiome of females than that of males. The analysis of the keystone bacteria of the communities reveal that the sex-dependent evolutionary characteristics might have contributed to this difference . Highlights The non-redundant nasal bacterial MAGs catalog constructed from ultra-deeply sequenced metagenomic data provides a valuable resource. Integrating nasal bacteriome and mycobiome data provides a more holistic perspective for the understudied human nasal microbiome. Unsupervised clustering helps uncover extensive sex differences in the nasal microbiome compositions. Network analyses capture markedly higher ecological stability and antagonistic potentials in the nasal microbiome of females than that of males. Sex-dependent genetic evolutionary forces play a role in the shaping of keystones in the nasal microbial community.

Abstract The vaginal microbiota is presumably much simpler than the gut microbiome, and oral probiotics appear as a promising means to modulate its homeostasis in the general population. Here, 60 women were followed for over a year before, during and after a probiotic containing Lactobacillus rhamnosus GR-1 and L. reuteri RC-14. Shotgun metagenomic data of 1334 samples from multiple body sites did not support colonization of the probiotics to the vagino-cervical microbiome, yet the microbiome was stable in those dominated by Lactobacilli and some individuals have likely benefited from this medication-free intervention.

The gut microbiome has been established as a key environmental factor to health. Genetic influences on the gut microbiome have been reported, yet, doubts remain as to the significance of genetic associations. Here, we provide shotgun data for whole genome and whole metagenome from a Chinese cohort, identifying no less than 20% genetic contribution to the gut microbiota. Using common variants-, rare variants- and copy number variations (CNVs)-based association analyses, we identified abundant signals associated with the gut microbiome especially in metabolic, neurological and immunological functions. The controversial concept of enterotypes may have a genetic attribute, with the top 2 loci explaining 11% of the Prevotella-Bacteroides variances. Stratification according to gender led to the identification of differential associations in males and females. Genetically encoded responses to ectopic presence of oral bacteria in the gut appear to be a common theme in a number of diseases investigated by MWAS (Metagenome-wide association studies). Our two-stage M-GWAS (Microbiome genome-wide association studies) on a total of 1295 individuals unequivocally illustrates that neither microbiome nor GWAS studies could overlook one another in our quest for a better understanding of human health and diseases.

Emerging evidence has linked the gut microbiota to schizophrenia. However, the functional changes in the gut microbiota and the biological role of individual bacterial species in schizophrenia have not been explored systematically. Here, we characterized the gut microbiota in schizophrenia using shotgun metagenomic sequencing of feces from a discovery cohort of 90 drug free patients and 81 controls, as well as a validation cohort of 45 patients taking antipsychotics and 45 controls. We screened 83 schizophrenia associated bacterial species and constructed a classifier comprising 26 microbial biomarkers that distinguished patients from controls with a 0.896 area under the receiver operating characteristics (ROC) curve (AUC) in the discovery cohort and 0.765 ROC AUC in the validation cohort. Our analysis of fecal metagenomes revealed that schizophrenia-associated gut brain modules (GBMs) included short chain fatty acids synthesis, tryptophan metabolism, and synthesis/degradation of neurotransmitters including glutamate, GABA, and nitric oxide. The schizophrenia enriched gut bacterial species include several oral cavity resident microbes, such as Streptococcus vestibulari. We transplanted S. vestibularis into the gut of the mice with antibiotic induced microbiota depletion to explore its functional role. We observed that this microbe transiently inhabited the mouse gut and this was followed by hyperactivity and deficit in social behaviors, accompanied with altered neurotransmitter levels in peripheral tissues. In conclusion, our study identified 26 schizophrenia associated bacterial species representing potential microbial targets for future treatment, as well as GBMs, some of which may give rise to new microbial metabolites involved in the development of schizophrenia.