According to the hygiene hypothesis, the increasing incidence of autoimmune diseases in western countries may be explained by changes in early microbial exposure, leading to altered immune maturation. We followed gut microbiome development from birth until age three in 222 infants in Northern Europe, where early-onset autoimmune diseases are common in Finland and Estonia but are less prevalent in Russia. We found that Bacteroides species are lowly abundant in Russians but dominate in Finnish and Estonian infants. Therefore, their lipopolysaccharide (LPS) exposures arose primarily from Bacteroides rather than from Escherichia coli, which is a potent innate immune activator. We show that Bacteroides LPS is structurally distinct from E. coli LPS and inhibits innate immune signaling and endotoxin tolerance; furthermore, unlike LPS from E. coli, B. dorei LPS does not decrease incidence of autoimmune diabetes in non-obese diabetic mice. Early colonization by immunologically silencing microbiota may thus preclude aspects of immune education.

Type 1 diabetes (T1D) is an autoimmune disease that targets pancreatic islet beta cells and incorporates genetic and environmental factors1, including complex genetic elements2, patient exposures3 and the gut microbiome4. Viral infections5 and broader gut dysbioses6 have been identified as potential causes or contributing factors; however, human studies have not yet identified microbial compositional or functional triggers that are predictive of islet autoimmunity or T1D. Here we analyse 10,913 metagenomes in stool samples from 783 mostly white, non-Hispanic children. The samples were collected monthly from three months of age until the clinical end point (islet autoimmunity or T1D) in the The Environmental Determinants of Diabetes in the Young (TEDDY) study, to characterize the natural history of the early gut microbiome in connection to islet autoimmunity, T1D diagnosis, and other common early life events such as antibiotic treatments and probiotics. The microbiomes of control children contained more genes that were related to fermentation and the biosynthesis of short-chain fatty acids, but these were not consistently associated with particular taxa across geographically diverse clinical centres, suggesting that microbial factors associated with T1D are taxonomically diffuse but functionally more coherent. When we investigated the broader establishment and development of the infant microbiome, both taxonomic and functional profiles were dynamic and highly individualized, and dominated in the first year of life by one of three largely exclusive Bifidobacterium species (B. bifidum, B. breve or B. longum) or by the phylum Proteobacteria. In particular, the strain-specific carriage of genes for the utilization of human milk oligosaccharide within a subset of B. longum was present specifically in breast-fed infants. These analyses of TEDDY gut metagenomes provide, to our knowledge, the largest and most detailed longitudinal functional profile of the developing gut microbiome in relation to islet autoimmunity, T1D and other early childhood events. Together with existing evidence from human cohorts7,8 and a T1D mouse model9, these data support the protective effects of short-chain fatty acids in early-onset human T1D. An analysis of more than 10,000 metagenomes from the TEDDY study provides a detailed functional profile of the gut microbiome in relation to islet autoimmunity, and supports the protective effects of short-chain fatty acids in early-onset type 1 diabetes.

Host factors in the intestine help select for bacteria that promote health. Certain commensals can utilize mucins as an energy source, thus promoting their colonization. However, health conditions such as inflammatory bowel disease (IBD) are associated with a reduced mucus layer, potentially leading to dysbiosis associated with this disease. We characterize the capability of commensal species to cleave and transport mucin-associated monosaccharides and identify several Clostridiales members that utilize intestinal mucins. One such mucin utilizer, Peptostreptococcus russellii, reduces susceptibility to epithelial injury in mice. Several Peptostreptococcus species contain a gene cluster enabling production of the tryptophan metabolite indoleacrylic acid (IA), which promotes intestinal epithelial barrier function and mitigates inflammatory responses. Furthermore, metagenomic analysis of human stool samples reveals that the genetic capability of microbes to utilize mucins and metabolize tryptophan is diminished in IBD patients. Our data suggest that stimulating IA production could promote anti-inflammatory responses and have therapeutic benefits.

Inflammatory bowel disease (IBD) is characterized by chronic inflammation of the gastrointestinal tract that is associated with changes in the gut microbiome. Here, we sought to identify strain-specific functional correlates with IBD outcomes.We performed metagenomic sequencing of monthly stool samples from 20 IBD patients and 12 controls (266 total samples). These were taxonomically profiled with MetaPhlAn2 and functionally profiled using HUMAnN2. Differentially abundant species were identified using MaAsLin and strain-specific pangenome haplotypes were analyzed using PanPhlAn.We found a significantly higher abundance in patients of facultative anaerobes that can tolerate the increased oxidative stress of the IBD gut. We also detected dramatic, yet transient, blooms of Ruminococcus gnavus in IBD patients, often co-occurring with increased disease activity. We identified two distinct clades of R. gnavus strains, one of which is enriched in IBD patients. To study functional differences between these two clades, we augmented the R. gnavus pangenome by sequencing nine isolates from IBD patients. We identified 199 IBD-specific, strain-specific genes involved in oxidative stress responses, adhesion, iron-acquisition, and mucus utilization, potentially conferring an adaptive advantage for this R. gnavus clade in the IBD gut.This study adds further evidence to the hypothesis that increased oxidative stress may be a major factor shaping the dysbiosis of the microbiome observed in IBD and suggests that R. gnavus may be an important member of the altered gut community in IBD.

A mosaic of cross-phylum chemical interactions occurs between all metazoans and their microbiomes. A number of molecular families that are known to be produced by the microbiome have a marked effect on the balance between health and disease1–9. Considering the diversity of the human microbiome (which numbers over 40,000 operational taxonomic units10), the effect of the microbiome on the chemistry of an entire animal remains underexplored. Here we use mass spectrometry informatics and data visualization approaches11–13 to provide an assessment of the effects of the microbiome on the chemistry of an entire mammal by comparing metabolomics data from germ-free and specific-pathogen-free mice. We found that the microbiota affects the chemistry of all organs. This included the amino acid conjugations of host bile acids that were used to produce phenylalanocholic acid, tyrosocholic acid and leucocholic acid, which have not previously been characterized despite extensive research on bile-acid chemistry14. These bile-acid conjugates were also found in humans, and were enriched in patients with inflammatory bowel disease or cystic fibrosis. These compounds agonized the farnesoid X receptor in vitro, and mice gavaged with the compounds showed reduced expression of bile-acid synthesis genes in vivo. Further studies are required to confirm whether these compounds have a physiological role in the host, and whether they contribute to gut diseases that are associated with microbiome dysbiosis. Metabolomics data from germ-free and specific-pathogen-free mice reveal effects of the microbiome on host chemistry, identifying conjugations of bile acids that are also enriched in patients with inflammatory bowel disease or cystic fibrosis.

Bacterial community acquisition in the infant gut impacts immune education and disease susceptibility. We compared bacterial strains across and within families in a prospective birth cohort of 44 infants and their mothers, sampled longitudinally in the first months of each child’s life. We identified mother-to-child bacterial transmission events and describe the incidence of family-specific antibiotic resistance genes. We observed two inheritance patterns across multiple species, where often the mother’s dominant strain is transmitted to the child, but occasionally her secondary strains colonize the infant gut. In families where the secondary strain of B. uniformis was inherited, a starch utilization gene cluster that was absent in the mother’s dominant strain was identified in the child, suggesting the selective advantage of a mother’s secondary strain in the infant gut. Our findings reveal mother-to-child bacterial transmission events at high resolution and give insights into early colonization of the infant gut.

Sphingolipids are structural membrane components and important eukaryotic signaling molecules. Sphingolipids regulate inflammation and immunity and were recently identified as the most differentially abundant metabolite in stool from inflammatory bowel disease (IBD) patients. Commensal bacteria from the Bacteroidetes phylum also produce sphingolipids, but the impact of these metabolites on host pathways is largely uncharacterized. To determine whether bacterial sphingolipids modulate intestinal health, we colonized germ-free mice with a sphingolipid-deficient Bacteroides thetaiotaomicron strain. A lack of Bacteroides-derived sphingolipids resulted in intestinal inflammation and altered host ceramide pools in mice. Using lipidomic analysis, we described a sphingolipid biosynthesis pathway and revealed a variety of Bacteroides-derived sphingolipids including ceramide phosphoinositol and deoxy-sphingolipids. Annotating Bacteroides sphingolipids in an IBD metabolomic dataset revealed lower abundances in IBD and negative correlations with inflammation and host sphingolipid production. These data highlight the role of bacterial sphingolipids in maintaining homeostasis and symbiosis in the gut.

Abstract The impact of genetic regulatory variation active in early pancreatic development on adult pancreatic disease and traits is not well understood. Here, we generate a panel of 107 fetal-like iPSC-derived pancreatic progenitor cells (iPSC-PPCs) from whole genome-sequenced individuals and identify 4,065 genes and 4,016 isoforms whose expression and/or alternative splicing are affected by regulatory variation. We integrate eQTLs identified in adult islets and whole pancreas samples, which reveal 1,805 eQTL associations that are unique to the fetal-like iPSC-PPCs and 1,043 eQTLs that exhibit regulatory plasticity across the fetal-like and adult pancreas tissues. Colocalization with GWAS risk loci for pancreatic diseases and traits show that some putative causal regulatory variants are active only in the fetal-like iPSC-PPCs and likely influence disease by modulating expression of disease-associated genes in early development, while others with regulatory plasticity likely exert their effects in both the fetal and adult pancreas by modulating expression of different disease genes in the two developmental stages.

Most GWAS loci are presumed to affect gene regulation, however, only ∼43% colocalize with expression quantitative trait loci (eQTLs). To address this colocalization gap, we identify eQTLs, chromatin accessibility QTLs (caQTLs), and histone acetylation QTLs (haQTLs) using molecular samples from three early developmental (EDev) tissues. Through colocalization, we annotate 586 GWAS loci for 17 traits by QTL complexity, QTL phenotype, and QTL temporal specificity. We show that GWAS loci are highly enriched for colocalization with complex QTL modules that affect multiple elements (genes and/or peaks). We also demonstrate that caQTLs and haQTLs capture regulatory variations not associated with eQTLs and explain ∼49% of the functionally annotated GWAS loci. Additionally, we show that EDev-unique QTLs are strongly depleted for colocalizing with GWAS loci. By conducting one of the largest multi-omic QTL studies to date, we demonstrate that many GWAS loci exhibit phenotypic complexity and therefore, are missed by traditional eQTL analyses.