The long-noted association of red meat with an increased risk of cardiovascular disease may be due to ingestion of a specific compound found in red meat, l-carnitine. The ability of this compound to promote atherosclerosis in mice requires that it be further metabolized by the gut microbiota. In humans, omnivores but not vegans or vegetarians metabolize l-carnitine in this manner, a difference which may be explained by effects of diet on the presence of specific types of bacteria in the gut. Intestinal microbiota metabolism of choline and phosphatidylcholine produces trimethylamine (TMA), which is further metabolized to a proatherogenic species, trimethylamine-N-oxide (TMAO). We demonstrate here that metabolism by intestinal microbiota of dietary l-carnitine, a trimethylamine abundant in red meat, also produces TMAO and accelerates atherosclerosis in mice. Omnivorous human subjects produced more TMAO than did vegans or vegetarians following ingestion of l-carnitine through a microbiota-dependent mechanism. The presence of specific bacterial taxa in human feces was associated with both plasma TMAO concentration and dietary status. Plasma l-carnitine levels in subjects undergoing cardiac evaluation (n = 2,595) predicted increased risks for both prevalent cardiovascular disease (CVD) and incident major adverse cardiac events (myocardial infarction, stroke or death), but only among subjects with concurrently high TMAO levels. Chronic dietary l-carnitine supplementation in mice altered cecal microbial composition, markedly enhanced synthesis of TMA and TMAO, and increased atherosclerosis, but this did not occur if intestinal microbiota was concurrently suppressed. In mice with an intact intestinal microbiota, dietary supplementation with TMAO or either carnitine or choline reduced in vivo reverse cholesterol transport. Intestinal microbiota may thus contribute to the well-established link between high levels of red meat consumption and CVD risk.

Compared to other common complex diseases, it has proved remarkably difficult to establish the genetic basis of blood-pressure elevation. A multi-stage genome-wide association study involving 200,000 individuals of European descent provides some of the missing detail in the genetic picture. The study identified 16 relevant loci, of which only 6 contain genes previously known or suspected to regulate blood pressure. An association was found between hypertension, the thickness of the left ventricular wall, stroke and coronary artery disease, but not kidney disease or kidney function. Comparison with data from more than 75,000 people of East Asian, South Asian and African ancestries confirmed that many of the variants identified in European-ancestry subjects also influence blood pressure in other populations. Blood pressure is a heritable trait1 influenced by several biological pathways and responsive to environmental stimuli. Over one billion people worldwide have hypertension (≥140 mm Hg systolic blood pressure or ≥90 mm Hg diastolic blood pressure)2. Even small increments in blood pressure are associated with an increased risk of cardiovascular events3. This genome-wide association study of systolic and diastolic blood pressure, which used a multi-stage design in 200,000 individuals of European descent, identified sixteen novel loci: six of these loci contain genes previously known or suspected to regulate blood pressure (GUCY1A3–GUCY1B3, NPR3–C5orf23, ADM, FURIN–FES, GOSR2, GNAS–EDN3); the other ten provide new clues to blood pressure physiology. A genetic risk score based on 29 genome-wide significant variants was associated with hypertension, left ventricular wall thickness, stroke and coronary artery disease, but not kidney disease or kidney function. We also observed associations with blood pressure in East Asian, South Asian and African ancestry individuals. Our findings provide new insights into the genetics and biology of blood pressure, and suggest potential novel therapeutic pathways for cardiovascular disease prevention.

Normal platelet function is critical to blood hemostasis and maintenance of a closed circulatory system. Heightened platelet reactivity, however, is associated with cardiometabolic diseases and enhanced potential for thrombotic events. We now show gut microbes, through generation of trimethylamine N-oxide (TMAO), directly contribute to platelet hyperreactivity and enhanced thrombosis potential. Plasma TMAO levels in subjects (n > 4,000) independently predicted incident (3 years) thrombosis (heart attack, stroke) risk. Direct exposure of platelets to TMAO enhanced sub-maximal stimulus-dependent platelet activation from multiple agonists through augmented Ca(2+) release from intracellular stores. Animal model studies employing dietary choline or TMAO, germ-free mice, and microbial transplantation collectively confirm a role for gut microbiota and TMAO in modulating platelet hyperresponsiveness and thrombosis potential and identify microbial taxa associated with plasma TMAO and thrombosis potential. Collectively, the present results reveal a previously unrecognized mechanistic link between specific dietary nutrients, gut microbes, platelet function, and thrombosis risk.

Christopher Newton-Cheh and colleagues report a genome-wide association study for blood pressure traits as part of the Global BPgen consortium. They report eight loci with replicated association to systolic and/or diastolic blood pressure, with each also showing association to hypertension. Elevated blood pressure is a common, heritable cause of cardiovascular disease worldwide. To date, identification of common genetic variants influencing blood pressure has proven challenging. We tested 2.5 million genotyped and imputed SNPs for association with systolic and diastolic blood pressure in 34,433 subjects of European ancestry from the Global BPgen consortium and followed up findings with direct genotyping (N ≤ 71,225 European ancestry, N ≤ 12,889 Indian Asian ancestry) and in silico comparison (CHARGE consortium, N = 29,136). We identified association between systolic or diastolic blood pressure and common variants in eight regions near the CYP17A1 (P = 7 × 10−24), CYP1A2 (P = 1 × 10−23), FGF5 (P = 1 × 10−21), SH2B3 (P = 3 × 10−18), MTHFR (P = 2 × 10−13), c10orf107 (P = 1 × 10−9), ZNF652 (P = 5 × 10−9) and PLCD3 (P = 1 × 10−8) genes. All variants associated with continuous blood pressure were associated with dichotomous hypertension. These associations between common variants and blood pressure and hypertension offer mechanistic insights into the regulation of blood pressure and may point to novel targets for interventions to prevent cardiovascular disease.

Summary

 Trimethylamine (TMA) N-oxide (TMAO), a gut-microbiota-dependent metabolite, both enhances atherosclerosis in animal models and is associated with cardiovascular risks in clinical studies. Here, we investigate the impact of targeted inhibition of the first step in TMAO generation, commensal microbial TMA production, on diet-induced atherosclerosis. A structural analog of choline, 3,3-dimethyl-1-butanol (DMB), is shown to non-lethally inhibit TMA formation from cultured microbes, to inhibit distinct microbial TMA lyases, and to both inhibit TMA production from physiologic polymicrobial cultures (e.g., intestinal contents, human feces) and reduce TMAO levels in mice fed a high-choline or L-carnitine diet. DMB inhibited choline diet-enhanced endogenous macrophage foam cell formation and atherosclerotic lesion development in apolipoprotein e^−/− mice without alterations in circulating cholesterol levels. The present studies suggest that targeting gut microbial production of TMA specifically and non-lethal microbial inhibitors in general may serve as a potential therapeutic approach for the treatment of cardiometabolic diseases.

To study the effect of host genetics on gut microbiome composition, the MiBioGen consortium curated and analyzed genome-wide genotypes and 16S fecal microbiome data from 18,340 individuals (24 cohorts). Microbial composition showed high variability across cohorts: only 9 of 410 genera were detected in more than 95% of samples. A genome-wide association study of host genetic variation regarding microbial taxa identified 31 loci affecting the microbiome at a genome-wide significant (P < 5 × 10−8) threshold. One locus, the lactase (LCT) gene locus, reached study-wide significance (genome-wide association study signal: P = 1.28 × 10−20), and it showed an age-dependent association with Bifidobacterium abundance. Other associations were suggestive (1.95 × 10−10 < P < 5 × 10−8) but enriched for taxa showing high heritability and for genes expressed in the intestine and brain. A phenome-wide association study and Mendelian randomization identified enrichment of microbiome trait loci in the metabolic, nutrition and environment domains and suggested the microbiome might have causal effects in ulcerative colitis and rheumatoid arthritis. Analysis of human genotypes and 16S microbiome data of 18,473 individuals from 25 cohorts through a genome-wide association study, a phenome-wide association study and Mendelian randomization identifies host genetic and microbial trait associations.

We previously reported quantitation of gut microbiota in a panel of 89 different inbred strains of mice, and we now examine the question of sex differences in microbiota composition. When the total population of 689 mice was examined together, several taxa exhibited significant differences in abundance between sexes but a larger number of differences were observed at the single strain level, suggesting that sex differences can be obscured by host genetics and environmental factors. We also examined a subset of mice on chow and high fat diets and observed sex-by-diet interactions. We further investigated the sex differences using gonadectomized and hormone treated mice from 3 different inbred strains. Principal coordinate analysis with unweighted UniFrac distances revealed very clear effects of gonadectomy and hormone replacement on microbiota composition in all 3 strains. Moreover, bile acid analyses showed gender-specific differences as well as effects of gonodectomy, providing one possible mechanism mediating sex differences in microbiota composition.

Vertebrates harbour diverse communities of symbiotic gut microbes. Host diet is known to alter microbiota composition, implying that dietary treatments might alleviate diseases arising from altered microbial composition (‘dysbiosis’). However, it remains unclear whether diet effects are general or depend on host genotype. Here we show that gut microbiota composition depends on interactions between host diet and sex within populations of wild and laboratory fish, laboratory mice and humans. Within each of two natural fish populations (threespine stickleback and Eurasian perch), among-individual diet variation is correlated with individual differences in gut microbiota. However, these diet–microbiota associations are sex dependent. We document similar sex-specific diet–microbiota correlations in humans. Experimental diet manipulations in laboratory stickleback and mice confirmed that diet affects microbiota differently in males versus females. The prevalence of such genotype by environment (sex by diet) interactions implies that therapies to treat dysbiosis might have sex-specific effects. Diet variations can alter gut microbial composition, but the potential influence of host genetic factors on these effects is unclear. Here, the authors show, in humans and in natural and laboratory fish populations, that such effects are dependent on the host’s sex, a genetically determined factor.

Obesity is a highly heritable disease driven by complex interactions between genetic and environmental factors. Human genome-wide association studies (GWAS) have identified a number of loci contributing to obesity; however, a major limitation of these studies is the inability to assess environmental interactions common to obesity. Using a systems genetics approach, we measured obesity traits, global gene expression, and gut microbiota composition in response to a high-fat/high-sucrose (HF/HS) diet of more than 100 inbred strains of mice. Here we show that HF/HS feeding promotes robust, strain-specific changes in obesity that are not accounted for by food intake and provide evidence for a genetically determined set point for obesity. GWAS analysis identified 11 genome-wide significant loci associated with obesity traits, several of which overlap with loci identified in human studies. We also show strong relationships between genotype and gut microbiota plasticity during HF/HS feeding and identify gut microbial phylotypes associated with obesity.