Summary Gut microbial diurnal oscillations are important diet-dependent drivers of host circadian rhythms and metabolism that ensure optimal energy balance. Yet, the interplay between diet, microbes, and host factors that sustain intestinal oscillations is complex and poorly understood. Here, we report the host C-type lectin antimicrobial peptide Reg3γ works with key ileal microbes to orchestrate these interactions in a bi-directional manner, independent from the intestinal core circadian clock. High fat diet diminishes physiologically relevant microbial oscillators essential for host metabolic homeostasis, resulting in arrhythmic host Reg3γ expression and increased abundance and oscillation of Reg3γ -independent gut microbes. This illustrates a transkingdom co-evolved biological rhythm involving reciprocating, sensor-effector signals between key host and microbial components that ultimately drive metabolism, but are also heavily influenced by diet. Restoring the gut microbiota’s capacity to sense and transduce dietary signals mediated by specific host factors such as Reg3γ could be harnessed to improve metabolic dysfunction.

Summary Circadian rhythms govern glucose homeostasis, and their dysregulation leads to complex metabolic diseases. Gut microbes also exhibit diurnal rhythms that influence host circadian networks and metabolic processes, yet underlying mechanisms remain elusive. Here, we show hierarchical, bi-directional communication between the liver circadian clock, gut microbes, and glucose homeostasis in mice. The liver clock, but not the forebrain clock, requires gut microbes to drive glucose clearance and gluconeogenesis. Liver clock dysfunctionality expands proportions and abundances of oscillating microbial features by two-fold relative to controls. The liver clock is the primary driver of differential and rhythmic hepatic expression of glucose and fatty acid metabolic pathways. Absent the liver clock, gut microbes provide secondary cues that dampen these rhythms, resulting in reduced utilization of lipids as fuel relative to carbohydrates. Together, the liver clock transduces signals from gut microbes necessary to regulate glucose and lipid metabolism and meet energy demands over 24 hours. Highlights The liver circadian clock is autonomous from the central clock in metabolic regulation Liver clock and gut microbes interact to direct hepatic glucose and lipid metabolism Reciprocating host-microbe interactions drive rhythmic hepatic transcription Perturbed liver Bmal1 results in chaotic downstream oscillators and metabolism

Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) is multifactorial in nature, affecting over a billion people worldwide. The gut microbiome has emerged as an associative factor in NAFLD, yet mechanistic contributions are unclear. Here, we show fast food (FF) diets containing high fat, added cholesterol, and fructose/glucose drinking water differentially impact short- vs. long-term NAFLD severity and progression in conventionally-raised, but not germ-free mice. Correlation and machine learning analyses independently demonstrate FF diets induce early and specific gut microbiota changes that are predictive of NAFLD indicators, with corresponding microbial community instability relative to control-fed mice. Shotgun metagenomics showed FF diets containing high cholesterol elevate fecal pro-inflammatory effectors over time, relating to a reshaping of host hepatic metabolic and inflammatory transcriptomes. FF diet-induced gut dysbiosis precedes onset and is highly predictive of NAFLD outcomes, providing potential insights into microbially-based pathogenesis and therapeutics.

Perturbations in the early life gut microbiome are associated with increased risk to complex immune disorder like inflammatory bowel diseases. We previously showed maternal antibiotic-induced gut dysbiosis vertically passed to offspring increases experimental colitis risk in IL-10 gene deficient (IL-10−/−) mice. While this could arise from emergence of pathobionts or loss/lack of essential microbes needed for appropriate immunological education, our findings suggest the latter. A dominant Bacteroides strain absent following antibiotic-induced perturbation was cultivated from murine fecal samples. Addition of this strain into mice with antibiotic-induced dysbiosis significantly promoted immune tolerance and reduced incidence of colitis in IL-10−/− mice, but only if engrafted early in life, and not during adulthood. Thus, key members of the gut microbiome are essential for development of immune tolerance to commensal microbes in early life and their addition in presence of gut dysbiosis during this period can reduce colitis risk in genetically prone hosts.Highlights

Abstract Background & Aims Inflammatory bowel diseases (IBD) are chronic inflammatory disorders where predictive biomarkers for the disease development and clinical course are sorely needed for development of prevention and early intervention strategies that can be implemented to improve clinical outcomes. Since gut microbiome alterations can reflect and/or contribute to impending host health changes, we examined whether gut microbiota metagenomic profiles would provide more robust measures for predicting disease outcomes in colitis-prone hosts. Methods Using the IL-10 gene-deficient (IL-10 KO) murine model where early life dysbiosis from antibiotic (cefoperozone, CPZ) treated dams vertically-transferred to pups increases risk for colitis later in life, we investigated temporal metagenomic profiles in the gut microbiota of post-weaning offspring and determined their relationship to eventual clinical outcomes. Results Compared to controls, offspring acquiring maternal CPZ-induced dysbiosis exhibited a restructuring of intestinal microbial membership both in bacteriome and mycobiome that were associated with alterations in specific functional subsystems. Furthermore, among IL-10 KO offspring from CPZ-treated dams, several functional subsystems, particularly nitrogen metabolism, diverged between mice that developed spontaneous colitis (CPZ-colitis) versus those that did not (CPZ-no-colitis) at a time point prior to eventual clinical outcome. Conclusions Our findings provide support that functional metagenomic profiling of gut microbes has potential and promise meriting further study for development of tools to assess risk and manage human IBD. Synopsis Currently, predictive markers for the development and course of inflammatory bowel diseases (IBD) are not available. This study supports the notion that gut microbiome metagenomic profiles could be developed into a useful tool to assess risk and manage human IBD.