Reference genomes are essential for metagenomic analyses and functional characterization of the human gut microbiota. We present the Culturable Genome Reference (CGR), a collection of 1,520 nonredundant, high-quality draft genomes generated from >6,000 bacteria cultivated from fecal samples of healthy humans. Of the 1,520 genomes, which were chosen to cover all major bacterial phyla and genera in the human gut, 264 are not represented in existing reference genome catalogs. We show that this increase in the number of reference bacterial genomes improves the rate of mapping metagenomic sequencing reads from 50% to >70%, enabling higher-resolution descriptions of the human gut microbiome. We use the CGR genomes to annotate functions of 338 bacterial species, showing the utility of this resource for functional studies. We also carry out a pan-genome analysis of 38 important human gut species, which reveals the diversity and specificity of functional enrichment between their core and dispensable genomes. A resource of >1,500 bacterial reference genomes sheds light on the human gut microbiome.

The gut microbiota has been typically viewed as an environmental factor for human health. Twins are well suited for investigating the concordance of their gut microbiomes and decomposing genetic and environmental influences. However, existing twin studies utilizing metagenomic shotgun sequencing have included only a few samples. Here, we sequenced fecal samples from 250 adult twins in the TwinsUK registry and constructed a comprehensive gut microbial reference gene catalog. We demonstrate heritability of many microbial taxa and functional modules in the gut microbiome, including those associated with diseases. Moreover, we identified 8 million SNPs in the gut microbiome and observe a high similarity in microbiome SNPs between twins that slowly decreases after decades of living apart. The results shed new light on the genetic and environmental influences on the composition and function of the gut microbiome that could relate to risk of complex diseases.

Abstract Evidence is mounting that the gut-brain axis plays an important role in mental diseases fueling mechanistic investigations to provide a basis for future targeted interventions. However, shotgun metagenomic data from treatment-naïve patients are scarce hampering comprehensive analyses of the complex interaction between the gut microbiota and the brain. Here we explore the fecal microbiome based on 90 medication-free schizophrenia patients and 81 controls and identify a microbial species classifier distinguishing patients from controls with an area under the receiver operating characteristic curve (AUC) of 0.896, and replicate the microbiome-based disease classifier in 45 patients and 45 controls (AUC = 0.765). Functional potentials associated with schizophrenia include differences in short-chain fatty acids synthesis, tryptophan metabolism, and synthesis/degradation of neurotransmitters. Transplantation of a schizophrenia-enriched bacterium, Streptococcus vestibularis , appear to induces deficits in social behaviors, and alters neurotransmitter levels in peripheral tissues in recipient mice. Our findings provide new leads for further investigations in cohort studies and animal models.

Summary Respiratory diseases impose an immense health burden worldwide. Epidemiological studies have revealed extensive disparities in the incidence and severity of respiratory tract infections (RTIs) between males and females . It is recently hypothesized that there might also be a nasal microbiome axis contributing to the observed sex disparities, but without evidence. In this work, we study the nasal microbiome of healthy young adults in, as of today, the largest cohort based on deep shot-gun metagenomic sequencing. We mainly focus on the bacteriome, but also integrate the mycobiome to get a more holistic perspective. De novo assembly is performed to catalog the nasal bacterial colonizers/residents, which also identify and therefore account for uncharacterized components of the community. The bacteriome is then profiled based on the non-redundant metagenome-assembled genomes (MAGs) catalog constructed therefrom. Unsupervised clustering reveals clearly separable structural patterns in the nasal microbiome between the two sexes. Following this link, we systematically evaluate sex differences for the first time and reveal extensive sex-specific features in the nasal microbiome composition. More importantly, through network analyses, we capture markedly higher ecological stability and antagonistic potentials in the nasal microbiome of females than that of males. The analysis of the keystone bacteria of the communities reveal that the sex-dependent evolutionary characteristics might have contributed to this difference . Highlights The non-redundant nasal bacterial MAGs catalog constructed from ultra-deeply sequenced metagenomic data provides a valuable resource. Integrating nasal bacteriome and mycobiome data provides a more holistic perspective for the understudied human nasal microbiome. Unsupervised clustering helps uncover extensive sex differences in the nasal microbiome compositions. Network analyses capture markedly higher ecological stability and antagonistic potentials in the nasal microbiome of females than that of males. Sex-dependent genetic evolutionary forces play a role in the shaping of keystones in the nasal microbial community.

Objective: Gut microbiota dysbiosis and aberrant gut-brain functional modules including short-chain fatty acid (SCFA) production and long-lasting immune activation (IA) are presented in schizophrenia. Given the key roles of gut microbiota and SCFA in shaping immunity, we propose that dysbiosis-induced SCFA upregulation could contribute to IA and behavioral symptoms in schizophrenia. Design: Gut microbiota, SCFA, and IA biomarkers were compared between schizophrenic patients and healthy controls. The roles of SCFA in schizophrenia-related IA were analyzed in cultured peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and a mouse model of schizophrenia. The effects of SCFAs on schizophrenia-related phenotypes were analyzed in both human and mouse. Results: Both microbial-derived SCFA and SCFA-producing bacteria were elevated in the guts of schizophrenic patients, and this increased SCFA production in gut was associated with IA in schizophrenia. The microbiome signature underpinning schizophrenia-related IA includes increased diversity and increased SCFA-producing bacteria and inflammation-associated bacteria. The impact of SCFAs on immune responses of cultured PBMC depend on the diagnosis and IA status of donors. Small-molecule serum filtrates from immune-activated schizophrenic patients increased the inflammatory response of PBMCs from healthy volunteers, which can be enhanced and attenuated by SCFAs supplementation and inhibition of SCFA signaling, respectively. Chronically elevated SCFAs in adolescence induced neuroinflammation and schizophrenia-like behaviors in adult mice. Moreover, chronically elevated SCFAs in adult mice prenatally exposed to IA potentiated their expression of schizophrenia-like behaviors. Conclusion: microbiota-derived SCFAs are important mediators of dysregulated gut-brain axis and participant in pathogenesis via enhance IA in schizophrenia.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

ABSTRACT Nanopore sequencing, a third-generation sequencing technology, has revolutionized the gene sequencing industry with its advantages of long reads, fast speed, real-time sequencing and analysis, and potential in detecting base modifications. This technology allows researchers to sequence longer DNA fragments in a single read, providing more comprehensive genomic information compared to previous methods. Nanopore sequencing operates on electrical signals generated by a nanopore embedded in a membrane separating two electrolyte-filled chambers. When single-stranded DNA (ssDNA) passes through the nanopore, it creates variations in the current that correspond to different DNA bases. By analyzing these current fluctuations with machine learning algorithms, the DNA sequence can be determined. In this study, we introduced several improvements to nanopore sequencing, including nanopore local chemistry sequencing, novel motor and pore proteins, chip design, and basecalling algorithms. Our new nanopore sequencing platform, CycloneSEQ, demonstrated long-duration sequencing (107 hours) on a single chip with high yield (>50 Gb). In human genomic DNA sequencing, CycloneSEQ was able to produce long reads with N50 33.6 kb and modal identity 97.0%. Preliminary findings on human whole-genome de novo assembly, variant calling, metagenomics sequencing, and single-cell RNA sequencing have further highlighted CycloneSEQ’s potential across different areas of genomics.

Abstract The significance of the urinary microbiome in maintaining health and contributing to disease development is increasingly recognized. However, a comprehensive understanding of this microbiome and its influencing factors remains elusive. Utilizing whole metagenomic and whole-genome sequencing, along with detailed metadata, we characterized the urinary microbiome and its influencing factors in a cohort of 1579 Chinese individuals. Our findings unveil the distinctiveness of the urinary microbiome from other body sites, delineating five unique urotypes. We identified 137 host factors significantly influencing the urinary microbiome, collectively explaining 13.16% of the variance in microbial composition. Notably, gender-related factors, including sex hormones, emerged as key determinants in defining urotype groups and microbial composition, with the urinary microbiome exhibiting strong predictive ability for gender (AUC=0.815). Furthermore, we discovered 43 genome-wide significant associations between host genetic loci and specific urinary bacteria, particularly Acinetobacter , linked to 8 host loci ( p < 5x10 −8 ). These associations were also modulated by gender and sex hormone levels. In summary, our study provides novel insights into the impact of host genetics and other factors on the urinary microbiome, shedding light on its implications for host health and disease.

Emerging evidence has linked the gut microbiota to schizophrenia. However, the functional changes in the gut microbiota and the biological role of individual bacterial species in schizophrenia have not been explored systematically. Here, we characterized the gut microbiota in schizophrenia using shotgun metagenomic sequencing of feces from a discovery cohort of 90 drug free patients and 81 controls, as well as a validation cohort of 45 patients taking antipsychotics and 45 controls. We screened 83 schizophrenia associated bacterial species and constructed a classifier comprising 26 microbial biomarkers that distinguished patients from controls with a 0.896 area under the receiver operating characteristics (ROC) curve (AUC) in the discovery cohort and 0.765 ROC AUC in the validation cohort. Our analysis of fecal metagenomes revealed that schizophrenia-associated gut brain modules (GBMs) included short chain fatty acids synthesis, tryptophan metabolism, and synthesis/degradation of neurotransmitters including glutamate, GABA, and nitric oxide. The schizophrenia enriched gut bacterial species include several oral cavity resident microbes, such as Streptococcus vestibulari. We transplanted S. vestibularis into the gut of the mice with antibiotic induced microbiota depletion to explore its functional role. We observed that this microbe transiently inhabited the mouse gut and this was followed by hyperactivity and deficit in social behaviors, accompanied with altered neurotransmitter levels in peripheral tissues. In conclusion, our study identified 26 schizophrenia associated bacterial species representing potential microbial targets for future treatment, as well as GBMs, some of which may give rise to new microbial metabolites involved in the development of schizophrenia.

Bone mass loss contributes to the risk of bone fracture in elderly. Many factors including age, obesity, estrogen and diet, are associated with bone mass loss. Some mice transplantation experiments suggest that the intestinal microbiome might influence the bone mass by regulating the immune system. However, there has been little evidence from human studies, not to mention the metagenome-wide association studies (MWAS). We have recruited 361 Chinese elderly women to explore the influence of gut microbiome on bone health by metagenomic shotgun sequencing data. Our results indicate that some lifestyle habits, like tea-drinking, have beneficial effects on bone mass loss. In addition, the gut microbiome diversity mildly increases with bone mass loss which might be contributed by the raise of pathogenic genera, such as Escherichia. Moreover, we have detected some microbial species and modules as markers for bone mineral density (BMD). Functionally, we observed positive correlation between bone mass loss and some modules which might influence the BMD, saying pectin degradation, trehalose degration and arginine degration.