Summary

 Secondary bile acids (SBAs) are derived from primary bile acids (PBAs) in a process reliant on biosynthetic capabilities possessed by few microbes. To evaluate the role of BAs in intestinal inflammation, we performed metabolomic, microbiome, metagenomic, and transcriptomic profiling of stool from ileal pouches (surgically created resevoirs) in colectomy-treated patients with ulcerative colitis (UC) versus controls (familial adenomatous polyposis [FAP]). We show that relative to FAP, UC pouches have reduced levels of lithocholic acid and deoxycholic acid (normally the most abundant gut SBAs), genes required to convert PBAs to SBAs, and Ruminococcaceae (one of few taxa known to include SBA-producing bacteria). In three murine colitis models, SBA supplementation reduces intestinal inflammation. This anti-inflammatory effect is in part dependent on the TGR5 bile acid receptor. These data suggest that dysbiosis induces SBA deficiency in inflammatory-prone UC patients, which promotes a pro-inflammatory state within the intestine that may be treated by SBA restoration.

Osmotic diarrhea is a prevalent condition in humans caused by food intolerance, malabsorption, and widespread laxative use. Here, we assess the resilience of the gut ecosystem to osmotic perturbation at multiple length and timescales using mice as model hosts. Osmotic stress caused reproducible extinction of highly abundant taxa and expansion of less prevalent members in human and mouse microbiotas. Quantitative imaging revealed decimation of the mucus barrier during osmotic perturbation, followed by recovery. The immune system exhibited temporary changes in cytokine levels and a lasting IgG response against commensal bacteria. Increased osmolality prevented growth of commensal strains in vitro, revealing one mechanism contributing to extinction. Environmental availability of microbiota members mitigated extinction events, demonstrating how species reintroduction can affect community resilience. Our findings (1) demonstrate that even mild osmotic diarrhea can cause lasting changes to the microbiota and host and (2) lay the foundation for interventions that increase system-wide resilience.

The ability to slow or reverse biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality1. Although an increasing number of interventions show promise for rejuvenation2, their effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. Here we performed single-cell RNA sequencing on 20 organs to reveal cell-type-specific responses to young and aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, haematopoietic stem cells and hepatocytes are among those cell types that are especially responsive. On the pathway level, young blood invokes new gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. We observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it in select cell types. Together, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

The Tabula Muris Consortium We have created a compendium of single cell transcriptome data from the model organism Mus musculus comprising more than 100,000 cells from 20 organs and tissues. These data represent a new resource for cell biology, revealing gene expression in poorly characterized cell populations and allowing for direct and controlled comparison of gene expression in cell types shared between tissues, such as T-lymphocytes and endothelial cells from distinct anatomical locations. Two distinct technical approaches were used for most tissues: one approach, microfluidic droplet-based 3’-end counting, enabled the survey of thousands of cells at relatively low coverage, while the other, FACS-based full length transcript analysis, enabled characterization of cell types with high sensitivity and coverage. The cumulative data provide the foundation for an atlas of transcriptomic cell biology.

Abstract Changes to gut environmental factors such as pH and osmolality due to disease or drugs correlate with major shifts in microbiome composition; however, we currently cannot predict which species can tolerate such changes or how the community will be affected. Here, we assessed the growth of 92 representative human gut bacterial strains spanning 28 families across multiple pH values and osmolalities in vitro . The ability to grow in extreme pH or osmolality conditions correlated with the availability of known stress response genes in many cases, but not all, indicating that novel pathways may participate in protecting against acid or osmotic stresses. Machine learning analysis uncovered genes or subsystems that are predictive of differential tolerance in either acid or osmotic stress. For osmotic stress, we corroborated the increased abundance of these genes in vivo during osmotic perturbation. The growth of specific taxa in limiting conditions in isolation in vitro correlated with survival in complex communities in vitro and in an in vivo mouse model of diet-induced intestinal acidification. Our data show that in vitro stress tolerance results are generalizable and that physical parameters may supersede interspecies interactions in determining the relative abundance of community members. Importantly, we provide an extensive resource for predicting shifts in microbial composition and gene abundance in complex perturbations. Furthermore, this work highlights the physical environment as a major driver of bacterial composition and the importance of performing physical measurements in animal and clinical studies to elucidate the drivers of shifts in microbiota abundance. Significance Statement Changes in pH and particle concentration (osmolality) commonly result from gut disease or the ingestion of common drugs, causing changes in bacterial growth and microbiota composition within the intestine. Thus far, the effects of physical parameters on the growth of intestinal bacterial taxa have not been well documented in the context of predicting microbiota community composition. To address this gap, we examined the growth of 92 bacterial species under varying pH and osmolality conditions. We found that physical parameters are key predictors of bacterial abundance in individual-strain cultures and in complex bacterial communities. Moreover, our results identified specific genes and pathways that are predictive of growth in specific environments. Together, these findings can aid in determining the effectiveness of microbiota therapies in gut environments subjected to various perturbations.

Abstract Short-chain fatty acids (SCFAs) are key molecules produced by gut bacteria in the intestine, that are absorbed into the bloodstream and strongly influence human health. SCFA disruption and imbalances have been linked to many diseases; however, they are seldom used diagnostically as their detection requires extensive sample preparation and expensive equipment. In this work, an electrochemical sensor was developed to enable real-time, quantitative measurement of SCFAs from complex samples in liquid phase without the need for extraction, evaporation, or destruction. An impedance-based sensor for in vitro detection of acetic acid, propionic acid, and butyric acid (accounting for more than 95% of SCFAs in the intestine) was fabricated by the deposition of a ZnO and polyvinyl alcohol (PVA) on the surface of a microfabricated interdigitated gold electrode. The sensor was first exposed to a broad, physiologically relevant range of concentrations of SCFAs in isolation (0.5–20 mg/ml) and unlike previously published SCFA sensors that could detect only in gas form with the aid of evaporation, it was able to detect them directly in the liquid phase at room temperature. Electrochemical impedance spectroscopy analysis was then applied to the mixture of SCFAs prepared at different ratios and in complex media at concentrations ranging from 0.5 to 10 mg/ml, which showed the capability of the sensor to measure SCFAs in experimentally relevant mixture. The recorded faradaic responses were then used to train a fit-to-data model to utilize the sensor to screen human bacterial isolates and detect which species secrete SCFAs in vitro . This work will allow for the rapid and non-destructive determination of the levels of SCFAs in complex biological samples, providing a miniaturized, highly stable, and highly sensitive sensor for real-time monitoring applications.

Summary Gut bacteria rapidly evolve in vivo , but their long-term success requires dispersal across hosts. Here, we quantify this interplay by tracking >50,000 genomically barcoded lineages of the prevalent commensal Bacteroides thetaiotaomicron ( Bt ) among co-housed mice. We find that adaptive mutations rapidly spread between hosts, overcoming the natural colonization resistance of resident Bt strains. Daily transmission rates varied >10-fold across hosts, but shared selection pressures drove predictable engraftment of specific lineages over time. The addition of a 49-species community shifted the adaptive landscape relative to mono-colonized Bt without slowing the rate of evolution, and reduced transmission while still allowing specific mutants to engraft. Whole-genome sequencing uncovered diverse modes of adaptation involving complex carbohydrate metabolism. Complementary in vitro evolution across 29 carbon sources revealed variable overlap with in vivo selection pressures, potentially reflecting synergistic and antagonistic pleiotropies. These results show how high-resolution lineage tracking enables quantification of commensal evolution across ecological scales.

Abstract Background Bacteriophages in the family Inoviridae , or inoviruses, are under-characterized phages previously implicated in bacterial pathogenesis by contributing to biofilm formation, immune evasion, and toxin secretion. Unlike most bacteriophages, inoviruses do not lyse their host cells to release new progeny virions; rather, they encode a secretion system that actively pumps them out of the bacterial cell. To date, no inovirus associated with the human gut microbiome has been isolated or characterized. Results In this study, we utilized in silico, in vitro and in vivo methods to detect inoviruses in bacterial members of the gut microbiota. By screening a representative genome library of gut commensals, we detected inovirus prophages in Enterocloster spp . and we confirmed the secretion of inovirus particles in in vitro cultures of these organisms using imaging and qPCR. To assess how the gut abiotic environment, bacterial physiology, and inovirus secretion may be linked, we deployed a tripartite in vitro assay that progressively evaluated growth dynamics of the bacteria, biofilm formation, and inovirus secretion in the presence of changing osmotic environments. Counter to other inovirus-producing bacteria, inovirus production was not correlated with biofilm formation in Enterocloster spp . Instead, the Enterocloster strains’ inoviruses had heterogeneous responses to changing osmolality levels relevant to gut physiology. Notably, increasing osmolality induced inovirus secretion in a strain-dependent manner. We confirmed inovirus secretion in a gnotobiotic mouse model inoculated with individual Enterocloster strains in vivo in unperturbed conditions. Furthermore, consistent with our in vitro observations, inovirus secretion was regulated by a changed osmotic environment in the gut due to osmotic laxatives. Conclusion In this study, we report on the detection and characterization of novel inoviruses from gut commensals in the Enterocloster genus. Together, our results demonstrate that human gut-associated bacteria can secrete inoviruses and begin to elucidate the environmental niche filled by inoviruses in commensal bacteria.

Abstract Despite recent advances in understanding the connection between the gut microbiota and the brain, there remains a wide knowledge gap in how gut inflammation impacts brain development. Microbiota-derived metabolite signaling from the gut to the brain is required for normal development of microglia, the brain’s resident immune cells. Disruption of the microbiota-brain communication has been linked to impaired behaviours and Autism Spectrum Disorder. We hypothesized that intestinal inflammation in early life would negatively affect neurodevelopment through dysregulation of microbiota communication to brain microglia. To test this hypothesis, we developed a novel pediatric model of Inflammatory Bowel Disease (IBD). IBD is an incurable condition affecting millions of people worldwide, characterized by chronic intestinal inflammation, and has comorbid symptoms of anxiety, depression and cognitive impairment. Significantly, 25% of IBD patients are diagnosed during childhood, and the effect of chronic inflammation during this critical period of development is largely unknown. We developed a chemical model of pediatric chronic IBD by repeatedly treating juvenile mice with dextran sodium sulfate (DSS) in drinking water. DSS-treated mice displayed increased intestinal inflammation, altered microbiota and changes in circulating metabolites. We also found that alterations in gut microbiota had long-term impacts on female microglia and male sex-specific behaviours and testosterone regulation, consistent with delayed puberty observed in male IBD patients. Our research expands our understanding of microbiota-microglia communication underlying development. The gut-brain axis is an exciting target for personalized medicine as microbiome manipulations could be feasible for early intervention to reverse deficits due to juvenile inflammation. Highlights Early life gut inflammation produces sex-specific i) microbiome, ii) sex hormone and iii) behavioural impacts Both sexes show disrupted gut bacterial members that regulate sex hormone levels Male mice demonstrate deficits in mate seeking, which may be mediated by reduced seminal vesicle mass and reduced androgen levels Female mice lack behavioural deficits, but demonstrate increased amoeboid microglia in the hippocampus