Studies of the human microbiome have revealed that even healthy individuals differ remarkably in the microbes that occupy habitats such as the gut, skin and vagina. Much of this diversity remains unexplained, although diet, environment, host genetics and early microbial exposure have all been implicated. Accordingly, to characterize the ecology of human-associated microbial communities, the Human Microbiome Project has analysed the largest cohort and set of distinct, clinically relevant body habitats so far. We found the diversity and abundance of each habitat’s signature microbes to vary widely even among healthy subjects, with strong niche specialization both within and among individuals. The project encountered an estimated 81–99% of the genera, enzyme families and community configurations occupied by the healthy Western microbiome. Metagenomic carriage of metabolic pathways was stable among individuals despite variation in community structure, and ethnic/racial background proved to be one of the strongest associations of both pathways and microbes with clinical metadata. These results thus delineate the range of structural and functional configurations normal in the microbial communities of a healthy population, enabling future characterization of the epidemiology, ecology and translational applications of the human microbiome. The Human Microbiome Project Consortium reports the first results of their analysis of microbial communities from distinct, clinically relevant body habitats in a human cohort; the insights into the microbial communities of a healthy population lay foundations for future exploration of the epidemiology, ecology and translational applications of the human microbiome. The Human Microbiome Project (HMP), supported by the National Institutes of Health Common Fund, has the goal of characterizing the microbial communities that inhabit and interact with the human body in sickness and in health. In two Articles in this issue of Nature, the HMP Consortium presents the first population-scale details of the organismal and functional composition of the microbiota across five areas of the body. An associated News & Views discusses the initial results — which, along with those of a series of co-publications, already constitute the most extensive catalogue of organisms and genes related to the human microbiome yet published — and highlights some of the major questions that the project will tackle in the next few years.

A variety of microbial communities and their genes (the microbiome) exist throughout the human body, with fundamental roles in human health and disease. The National Institutes of Health (NIH)-funded Human Microbiome Project Consortium has established a population-scale framework to develop metagenomic protocols, resulting in a broad range of quality-controlled resources and data including standardized methods for creating, processing and interpreting distinct types of high-throughput metagenomic data available to the scientific community. Here we present resources from a population of 242 healthy adults sampled at 15 or 18 body sites up to three times, which have generated 5,177 microbial taxonomic profiles from 16S ribosomal RNA genes and over 3.5 terabases of metagenomic sequence so far. In parallel, approximately 800 reference strains isolated from the human body have been sequenced. Collectively, these data represent the largest resource describing the abundance and variety of the human microbiome, while providing a framework for current and future studies. The Human Microbiome Project Consortium has established a population-scale framework to study a variety of microbial communities that exist throughout the human body, enabling the generation of a range of quality-controlled data as well as community resources. The Human Microbiome Project (HMP), supported by the National Institutes of Health Common Fund, has the goal of characterizing the microbial communities that inhabit and interact with the human body in sickness and in health. In two Articles in this issue of Nature, the HMP Consortium presents the first population-scale details of the organismal and functional composition of the microbiota across five areas of the body. An associated News & Views discusses the initial results — which, along with those of a series of co-publications, already constitute the most extensive catalogue of organisms and genes related to the human microbiome yet published — and highlights some of the major questions that the project will tackle in the next few years.

An estimated 15% or more of the cancer burden worldwide is attributable to known infectious agents. We screened colorectal carcinoma and matched normal tissue specimens using RNA-seq followed by host sequence subtraction and found marked over-representation of Fusobacterium nucleatum sequences in tumors relative to control specimens. F. nucleatum is an invasive anaerobe that has been linked previously to periodontitis and appendicitis, but not to cancer. Fusobacteria are rare constituents of the fecal microbiota, but have been cultured previously from biopsies of inflamed gut mucosa. We obtained a Fusobacterium isolate from a frozen tumor specimen; this showed highest sequence similarity to a known gut mucosa isolate and was confirmed to be invasive. We verified overabundance of Fusobacterium sequences in tumor versus matched normal control tissue by quantitative PCR analysis from a total of 99 subjects ( p = 2.5 × 10 −6 ), and we observed a positive association with lymph node metastasis.

Fecal bacteriotherapy ('stool transplant') can be effective in treating recurrent Clostridium difficile infection, but concerns of donor infection transmission and patient acceptance limit its use. Here we describe the use of a stool substitute preparation, made from purified intestinal bacterial cultures derived from a single healthy donor, to treat recurrent C. difficile infection that had failed repeated standard antibiotics. Thirty-three isolates were recovered from a healthy donor stool sample. Two patients who had failed at least three courses of metronidazole or vancomycin underwent colonoscopy and the mixture was infused throughout the right and mid colon. Pre-treatment and post-treatment stool samples were analyzed by 16 S rRNA gene sequencing using the Ion Torrent platform.Both patients were infected with the hyper virulent C. difficile strain, ribotype 078. Following stool substitute treatment, each patient reverted to their normal bowel pattern within 2 to 3 days and remained symptom-free at 6 months. The analysis demonstrated that rRNA sequences found in the stool substitute were rare in the pre-treatment stool samples but constituted over 25% of the sequences up to 6 months after treatment.This proof-of-principle study demonstrates that a stool substitute mixture comprising a multi-species community of bacteria is capable of curing antibiotic-resistant C. difficile colitis. This benefit correlates with major changes in stool microbial profile and these changes reflect isolates from the synthetic mixture.CinicalTrials.gov NCT01372943.

News from the Inner Tube of Life A major initiative by the U.S. National Institutes of Health to sequence 900 genomes of microorganisms that live on the surfaces and orifices of the human body has established standardized protocols and methods for such large-scale reference sequencing. By combining previously accumulated data with new data, Nelson et al. (p. 994 ) present an initial analysis of 178 bacterial genomes. The sampling so far barely scratches the surface of the microbial diversity found on humans, but the work provides an important baseline for future analyses.

Testing 21 different fecal DNA extraction protocols in multiple laboratories results in a standardized protocol with the potential to improve comparability across human gut microbiome studies. Technical variation in metagenomic analysis must be minimized to confidently assess the contributions of microbiota to human health. Here we tested 21 representative DNA extraction protocols on the same fecal samples and quantified differences in observed microbial community composition. We compared them with differences due to library preparation and sample storage, which we contrasted with observed biological variation within the same specimen or within an individual over time. We found that DNA extraction had the largest effect on the outcome of metagenomic analysis. To rank DNA extraction protocols, we considered resulting DNA quantity and quality, and we ascertained biases in estimates of community diversity and the ratio between Gram-positive and Gram-negative bacteria. We recommend a standardized DNA extraction method for human fecal samples, for which transferability across labs was established and which was further benchmarked using a mock community of known composition. Its adoption will improve comparability of human gut microbiome studies and facilitate meta-analyses.

Fusobacterium nucleatum is a heterogeneous oral pathogen that is also a common resident of the human gut mucosa. Given that some strains of F. nucleatum are known to be invasive and proinflammatory in the oral mucosa, we compared strains isolated from patients with inflammatory bowel disease (IBD) with strains isolated from healthy controls to determine 1) whether this species was more commonly associated with IBD patients; and 2) whether gut-derived F. nucleatum strains from IBD patients showed an increased capacity for invasion.Biopsy material was obtained from 56 adult patients undergoing colonoscopy for colon cancer screening purposes or assessment of irritable bowel syndrome status (34 patients), or to assess for presence of gastrointestinal disease (i.e., IBD or indeterminate colitis, 22 patients). We enumerated Fusobacterium spp. strains isolated from human gut biopsy material in a blinded fashion, and then compared the virulence potential of a subset of F. nucleatum strains using an invasion assay in a Caco-2 model system.Fusobacterium spp. were isolated from 63.6% of patients with gastrointestinal disease compared to 26.5% of healthy controls (P = 0.01). In total, 69% of all Fusobacterium spp. recovered from patients were identified as F. nucleatum. F. nucleatum strains originating from inflamed biopsy tissue from IBD patients were significantly more invasive in a Caco-2 cell invasion assay than strains that were isolated from healthy tissue from either IBD patients or control patients (P < 0.05 to 0.001).This study indicates that colonization of the intestinal mucosa by highly invasive strains of F. nucleatum may be a useful biomarker for gastrointestinal disease.

The intestinal tract houses one of the richest and most complex microbial populations on the planet, and plays a critical role in health and a wide range of diseases. Limited studies using new sequencing technologies in horses are available. The objective of this study was to characterize the fecal microbiome of healthy horses and to compare the fecal microbiome of healthy horses to that of horses with undifferentiated colitis. A total of 195,748 sequences obtained from 6 healthy horses and 10 horses affected by undifferentiated colitis were analyzed. Firmicutes predominated (68%) among healthy horses followed by Bacteroidetes (14%) and Proteobacteria (10%). In contrast, Bacteroidetes (40%) was the most abundant phylum among horses with colitis, followed by Firmicutes (30%) and Proteobacteria (18%). Healthy horses had a significantly higher relative abundance of Actinobacteria and Spirochaetes while horses with colitis had significantly more Fusobacteria. Members of the Clostridia class were more abundant in healthy horses. Members of the Lachnospiraceae family were the most frequently shared among healthy individuals. The species richness reported here indicates the complexity of the equine intestinal microbiome. The predominance of Clostridia demonstrates the importance of this group of bacteria in healthy horses. The marked differences in the microbiome between healthy horses and horses with colitis indicate that colitis may be a disease of gut dysbiosis, rather than one that occurs simply through overgrowth of an individual pathogen.

Numerous cancers have been linked to microorganisms. Given that colorectal cancer is a leading cause of cancer deaths and the colon is continuously exposed to a high diversity of microbes, the relationship between gut mucosal microbiome and colorectal cancer needs to be explored. Metagenomic studies have shown an association between Fusobacterium species and colorectal carcinoma. Here, we have extended these studies with deeper sequencing of a much larger number (n = 130) of colorectal carcinoma and matched normal control tissues. We analyzed these data using co-occurrence networks in order to identify microbe-microbe and host-microbe associations specific to tumors.We confirmed tumor over-representation of Fusobacterium species and observed significant co-occurrence within individual tumors of Fusobacterium, Leptotrichia and Campylobacter species. This polymicrobial signature was associated with over-expression of numerous host genes, including the gene encoding the pro-inflammatory chemokine Interleukin-8. The tumor-associated bacteria we have identified are all Gram-negative anaerobes, recognized previously as constituents of the oral microbiome, which are capable of causing infection. We isolated a novel strain of Campylobacter showae from a colorectal tumor specimen. This strain is substantially diverged from a previously sequenced oral Campylobacter showae isolate, carries potential virulence genes, and aggregates with a previously isolated tumor strain of Fusobacterium nucleatum.A polymicrobial signature of Gram-negative anaerobic bacteria is associated with colorectal carcinoma tissue.