In most cases of sporadic colorectal cancers, tumorigenesis is a multistep process, involving genomic alterations in parallel with morphologic changes. In addition, accumulating evidence suggests that the human gut microbiome is linked to the development of colorectal cancer. Here we performed fecal metagenomic and metabolomic studies on samples from a large cohort of 616 participants who underwent colonoscopy to assess taxonomic and functional characteristics of gut microbiota and metabolites. Microbiome and metabolome shifts were apparent in cases of multiple polypoid adenomas and intramucosal carcinomas, in addition to more advanced lesions. We found two distinct patterns of microbiome elevations. First, the relative abundance of Fusobacterium nucleatum spp. was significantly (P < 0.005) elevated continuously from intramucosal carcinoma to more advanced stages. Second, Atopobium parvulum and Actinomyces odontolyticus, which co-occurred in intramucosal carcinomas, were significantly (P < 0.005) increased only in multiple polypoid adenomas and/or intramucosal carcinomas. Metabolome analyses showed that branched-chain amino acids and phenylalanine were significantly (P < 0.005) increased in intramucosal carcinomas and bile acids, including deoxycholate, were significantly (P < 0.005) elevated in multiple polypoid adenomas and/or intramucosal carcinomas. We identified metagenomic and metabolomic markers to discriminate cases of intramucosal carcinoma from the healthy controls. Our large-cohort multi-omics data indicate that shifts in the microbiome and metabolome occur from the very early stages of the development of colorectal cancer, which is of possible etiological and diagnostic importance. Colorectal cancer stages are associated with distinct microbial and metabolomic profiles that could shed light on cancer progression.

In humans, the composition of gut commensal bacteria is closely correlated with obesity. The bacteria modulate metabolites and influence host immunity. In this study, we attempted to determine whether there is a direct correlation between specific commensal bacteria and host metabolism. As mice aged, we found significantly reduced body weight and fat mass in Atg7ΔCD11c mice when compared with Atg7f/f mice. When mice shared commensal bacteria by co-housing or feces transfer experiments, body weight and fat mass were similar in both mouse groups. By pyrosequencing analysis, Bacteroides acidifaciens (BA) was significantly increased in feces of Atg7ΔCD11c mice compared with those of control Atg7f/f mice. Wild-type C57BL/6 (B6) mice fed with BA were significantly more likely to gain less weight and fat mass than mice fed with PBS. Of note, the expression level of peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARα) was consistently increased in the adipose tissues of Atg7ΔCD11c mice, B6 mice transferred with fecal microbiota of Atg7ΔCD11c mice, and BA-fed B6 mice. Furthermore, B6 mice fed with BA showed elevated insulin levels in serum, accompanied by increased serum glucagon-like peptide-1 and decreased intestinal dipeptidyl peptidase-4. These finding suggest that BA may have potential for treatment of metabolic diseases such as diabetes and obesity.

Significance Metabolic reprogramming is one of the hallmarks of cancer. However, the underlying mechanisms that regulate cancer metabolism are poorly understood. Here we performed multiomics-based analysis of paired normal–tumor tissues from patients with colorectal cancer, which revealed that the protooncogene protein MYC regulated global metabolic reprogramming of colorectal cancer by modulating 215 metabolic reactions. Importantly, this metabolic reprogramming occurred in a manner not associated with specific gene mutations in colorectal carcinogenesis. For many years, small-molecule or biologic inhibitors of MYC have been required. Here we demonstrate that knockdown of MYC downstream pyrimidine synthesis genes contributes to the suppression of colorectal cancer cell proliferation similar to MYC, and thus pyrimidine synthesis pathways could be potential targets for colorectal cancer therapy.

Diabetic kidney disease is a major cause of renal failure that urgently necessitates a breakthrough in disease management. Here we show using untargeted metabolomics that levels of phenyl sulfate, a gut microbiota-derived metabolite, increase with the progression of diabetes in rats overexpressing human uremic toxin transporter SLCO4C1 in the kidney, and are decreased in rats with limited proteinuria. In experimental models of diabetes, phenyl sulfate administration induces albuminuria and podocyte damage. In a diabetic patient cohort, phenyl sulfate levels significantly correlate with basal and predicted 2-year progression of albuminuria in patients with microalbuminuria. Inhibition of tyrosine phenol-lyase, a bacterial enzyme responsible for the synthesis of phenol from dietary tyrosine before it is metabolized into phenyl sulfate in the liver, reduces albuminuria in diabetic mice. Together, our results suggest that phenyl sulfate contributes to albuminuria and could be used as a disease marker and future therapeutic target in diabetic kidney disease.

Abstract Microbiota-derived short-chain fatty acids (SCFAs) and organic acids produced by the fermentation of non-digestible fibre can communicate from the microbiome to host tissues and modulate homeostasis in mammals. The microbiome has circadian rhythmicity and helps the host circadian clock function. We investigated the effect of SCFA or fibre-containing diets on circadian clock phase adjustment in mouse peripheral tissues (liver, kidney, and submandibular gland). Initially, caecal SCFA concentrations, particularly acetate and butyrate, induced significant day-night differences at high concentrations during the active period, which were correlated with lower caecal pH. By monitoring luciferase activity correlated with the clock gene Period2 in vivo , we found that oral administration of mixed SCFA (acetate, butyrate, and propionate) and an organic acid (lactate), or single administration of each SCFA or lactate for three days, caused phase changes in the peripheral clocks with stimulation timing dependency. However, this effect was not detected in cultured fibroblasts or cultured liver slices with SCFA applied to the culture medium, suggesting SCFA-induced indirect modulation of circadian clocks in vivo . Finally, cellobiose-containing diets facilitated SCFA production and refeeding-induced peripheral clock entrainment. SCFA oral gavage and prebiotic supplementation can facilitate peripheral clock adjustment, suggesting prebiotics as novel therapeutic candidates for misalignment.

The high susceptibility of neonates to infections has been assumed to be due to immaturity of the immune system, but the mechanism remains unclear. By colonizing adult germ-free mice with the cecal contents of neonatal and adult mice, we show that the neonatal microbiota is unable to prevent colonization by two bacterial pathogens that cause mortality in neonates. The lack of colonization resistance occurred when Clostridiales were absent in the neonatal microbiota. Administration of Clostridiales, but not Bacteroidales, protected neonatal mice from pathogen infection and abrogated intestinal pathology upon pathogen challenge. Depletion of Clostridiales also abolished colonization resistance in adult mice. The neonatal bacteria enhanced the ability of protective Clostridiales to colonize the gut.