Abstract Experimental mouse models are central to basic biomedical research; however, variability exists across genetically identical mice and mouse facilities making comparisons difficult. Whether specific indigenous gut bacteria drive immunophenotypic variability in mouse models of human disease remains poorly understood. We performed a large-scale experiment using 579 genetically identical laboratory mice from a single animal facility, designed to identify the causes of disease variability in the widely used dextran sulphate sodium mouse model of inflammatory bowel disease. Commonly used treatment endpoint measures—weight loss and intestinal pathology—showed limited correlation and varied across mouse lineages. Analysis of the gut microbiome, coupled with machine learning and targeted anaerobic culturing, identified and isolated two previously undescribed species, Duncaniella muricolitica and Alistipes okayasuensis , and demonstrated that they exert dominant effects in the dextran sulphate sodium model leading to variable treatment endpoint measures. We show that the identified gut microbial species are common, but not ubiquitous, in mouse facilities around the world, and suggest that researchers monitor for these species to provide experimental design opportunities for improved mouse models of human intestinal diseases.

Abstract Clostridioides difficile is the primary infectious cause of antibiotic-associated diarrhea. Local transmissions and international outbreaks of this pathogen have been previously elucidated by bacterial whole-genome sequencing, but comparative genomic analyses at the global scale were hampered by the lack of specific bioinformatic tools. Here we introduce EnteroBase, a publicly accessible database ( http://enterobase.warwick.ac.uk ) that automatically retrieves and assembles C. difficile short-reads from the public domain, and calls alleles for core-genome multilocus sequence typing (cgMLST). We demonstrate that the identification of highly related genomes is 89% consistent between cgMLST and single-nucleotide polymorphisms. EnteroBase currently contains 13,515 quality-controlled genomes which have been assigned to hierarchical sets of single-linkage clusters by cgMLST distances. Hierarchical clustering can be used to identify populations of C. difficile at all epidemiological levels, from recent transmission chains through to pandemic and endemic strains, and is largely compatible with prior ribotyping. Hierarchical clustering thus enables comparisons to earlier surveillance data and will facilitate communication among researchers, clinicians and public-health officials who are combatting disease caused by C. difficile .

Abstract Autism is a highly heritable neurodevelopmental disorder characterized by heterogeneous cognitive, behavioral and communication impairments. Disruption of the gut-brain axis (GBA) has been implicated in autism, with dozens of cross-sectional microbiome and other omic studies revealing autism-specific profiles along the GBA albeit with little agreement in composition or magnitude. To explore the functional architecture of autism, we developed an age and sex-matched Bayesian differential ranking algorithm that identified autism-specific profiles across 10 cross-sectional microbiome datasets and 15 other omic datasets, including dietary patterns, metabolomics, cytokine profiles, and human brain expression profiles. The analysis uncovered a highly significant, functional architecture along the GBA that encapsulated the overall heterogeneity of autism phenotypes. This architecture was determined by autism-specific amino acid, carbohydrate and lipid metabolism profiles predominantly encoded by microbial species in the genera Prevotella, Enterococcus, Bifidobacterium , and Desulfovibrio , and was mirrored in brain-associated gene expression profiles and restrictive dietary patterns in individuals with autism. Pro-inflammatory cytokine profiling and virome association analysis further supported the existence of an autism-specific architecture associated with particular microbial genera. Re-analysis of a longitudinal intervention study in autism recapitulated the cross-sectional profiles, and showed a strong association between temporal changes in microbiome composition and autism symptoms. Further elucidation of the functional architecture of autism, including of the role the microbiome plays in it, will require deep, multi-omic longitudinal intervention studies on well-defined stratified cohorts to support causal and mechanistic inference.

Abstract Human-to-human transmission of symbiotic, anaerobic bacteria is a fundamental evolutionary adaptation essential for membership of the human gut microbiota. However, despite its importance, the genomic and biological adaptations underpinning symbiont transmission remain poorly understood. Here, we show that sporulation ability, which promotes transmission of anaerobic bacteria, has been independently lost in many distinct evolutionary lineages of gut bacteria belonging to the Firmicutes phyla. Analysis of 1358 genome-sequenced Firmicutes reveals loss of sporulation is associated with features of host-adaptation such as genome reduction and specialized metabolic capabilities. Consistent with these data, analysis of 28,000 gut metagenomes from people around the world demonstrates that bacteria now incapable of sporulation are more abundant but less prevalent in the human population compared to spore-forming bacteria. Our results suggest host adaptation in gut Firmicutes is an evolutionary trade-off between transmission range and colonisation abundance, leading to distinct transmission cycles. We reveal host transmission as an underappreciated process that shapes the evolution, assembly and functions of gut Firmicutes.

SUMMARY Bacteriophages drive evolutionary change in bacterial communities by creating gene flow networks that fuel ecological adaptions. However, the extent of viral diversity and prevalence in the human gut remains largely unknown. Here, we introduce the Gut Phage Database (GPD), a collection of ∼142,000 non-redundant viral genomes (>10 kb) obtained by mining a dataset of 28,060 globally distributed human gut metagenomes and 2,898 reference genomes of cultured gut bacteria. Host assignment revealed that viral diversity is highest in the Firmicutes phyla and that ∼36% of viral clusters (VCs) are not restricted to a single species, creating gene flow networks across phylogenetically distinct bacterial species. Epidemiological analysis uncovered 280 globally distributed VCs found in at least 5 continents and a highly prevalent novel phage clade with features reminiscent of p-crAssphage. This high-quality, large-scale catalogue of phage genomes will improve future virome studies and enable ecological and evolutionary analysis of human gut bacteriophages.

Immune checkpoint blockade (ICB) targeting programmed cell death protein 1 (PD-1) and cytotoxic T lymphocyte protein 4 (CTLA-4) can induce remarkable, yet unpredictable, responses across a variety of cancers. Studies suggest that there is a relationship between a cancer patient's gut microbiota composition and clinical response to ICB; however, defining microbiome-based biomarkers that generalize across cohorts has been challenging. This may relate to previous efforts quantifying microbiota to species (or higher taxonomic rank) abundances, whereas microbial functions are often strain specific. Here, we performed deep shotgun metagenomic sequencing of baseline fecal samples from a unique, richly annotated phase 2 trial cohort of patients with diverse rare cancers treated with combination ICB (n = 106 discovery cohort). We demonstrate that strain-resolved microbial abundances improve machine learning predictions of ICB response and 12-month progression-free survival relative to models built using species-rank quantifications or comprehensive pretreatment clinical factors. Through a meta-analysis of gut metagenomes from a further six comparable studies (n = 364 validation cohort), we found cross-cancer (and cross-country) validity of strain-response signatures, but only when the training and test cohorts used concordant ICB regimens (anti-PD-1 monotherapy or combination anti-PD-1 plus anti-CTLA-4). This suggests that future development of gut microbiome diagnostics or therapeutics should be tailored according to ICB treatment regimen rather than according to cancer type.

ABSTRACT Objective Reducing FODMAPs can be clinically beneficial in IBS but the mechanism is poorly understood. We aimed to detect microbial signatures that might predict response to the low FODMAP diet and assess whether microbiota compositional and functional shifts could provide insights into its mode of action. Design We used metagenomics to determine high-resolution taxonomic and functional profiles of the stool microbiota from IBS cases and household controls (n=56 pairs) on their usual diet. Clinical response and microbiota changes were studied in 41 pairs after 4 weeks on a low FODMAP diet. Results Unsupervised analysis of baseline IBS cases pre-diet identified two distinct microbiota profiles, which we refer to as IBS P (pathogenic-like) and IBS H (health-like) subtypes. IBS P microbiomes were enriched in Firmicutes and genes for amino acid and carbohydrate metabolism, but depleted in Bacteroidetes species. IBS H microbiomes were similar to controls. On the low FODMAP diet IBS H and control microbiota were unaffected, but the IBS P signature shifted towards a health-associated microbiome with an increase in Bacteroidetes (p=0.009), a decrease in Firmicutes species (p=0.004) and normalization of primary metabolic genes. The clinical response to the low FODMAP diet was greater in IBS P subjects compared to IBS H (p = 0.02). Conclusion 50% of IBS cases manifested a ‘pathogenic’ gut microbial signature. This shifted towards the healthy profile on the low FODMAP diet; and IBS P cases showed an enhanced clinical responsiveness to the dietary therapy. The effectiveness of FODMAP exclusion in IBS P may result from the alterations in gut microbiota and metabolites produced. Microbiota signatures could be useful as biomarkers to guide IBS treatment; and investigating IBS P species and metabolic pathways might yield insights regarding IBS pathogenic mechanisms. Significance of this study What is already known on this subject? IBS subjects often respond to a low FODMAP diet. The gut microbiota has been implicated in IBS. The microbiota in IBS subjects may change with diet. What are the new findings? We were able to stratify patients with IBS according to their gut microbiota species and metabolic gene signatures. We identified a distinct gut microbiota subtype with an enhanced clinical response to a low FODMAP diet compared to other IBS subjects. How might it impact on clinical practice in the foreseeable future? The potential development of a microbiota signature as a biomarker to manage IBS cases with a low FODMAP diet recommendation. If the bacteria represented in the IBS P subtype are shown to play a pathogenic role in IBS, perhaps through the metabolic activity this provides a target for new therapies and an intermediate phenotype by which to assess them.

Abstract Campylobacter hyointestinalis is an emerging pathogen currently divided in two subspecies: C. hyointestinalis subsp. lawsonii which is restricted to pigs, and C. hyointestinalis subsp. hyointestinalis which can be found in a much wider range of mammalian hosts. Despite C. hyointestinalis has been reported as an emerging pathogen, its evolutionary and host-associated diversification patterns are still vastly unexplored. For this reason, we whole-genome sequenced 13 C. hyointestinalis subsp. hyointestinalis strains and performed a comprehensive comparative analysis including publicly available genomes of C. hyointestinalis subsp. hyointestinalis and C. hyointestinalis subsp. lawsonii to gain insight into the genomic variation of these differentially-adapted subspecies. Both subspecies are distinct phylogenetic lineages which present a barrier to homologous recombination, suggesting genetic isolation. This is further supported by accessory gene patterns that recapitulate the core genome phylogeny. Additionally, C. hyointestinalis subsp. hyointestinalis presents a bigger and more diverse accessory genome, which probably reflects its capacity to colonize different mammalian hosts unlike C. hyointestinalis subsp. lawsonii that is host-restricted. This greater plasticity in the accessory genome of C. hyointestinalis subsp. hyointestinalis correlates to a higher incidence of genome-wide recombination events, that may be the underlying mechanism driving its diversification. Concordantly, both subspecies present distinct patterns of gene families involved in genome plasticity and DNA repair like CRISPR-associated proteins and restriction-modification systems. Together, our results provide an overview of the genetic mechanisms shaping the genomes of C. hyointestinalis subspecies, contributing to understand the biology of Campylobacter species that are increasingly found as emerging pathogens.

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a smoking-related illness affecting 64 million people worldwide. Airway infection drives recurrent exacerbations and lung function decline. Prophylactic antibiotics may prevent exacerbations but their use is a significant cause of population antimicrobial resistance. We characterised the sputum microbiome by 16S rRNA gene analysis using 138 samples collected during a randomised controlled trial of prophylactic antibiotics in 71 patients with stable COPD. On comparing the profile of the microbiome obtained by sequencing to the isolates grown from samples using standard culture, there were similarities overall, although with a much narrower spectrum of genera on culture with under-representation of certain genera including Veillonella and Prevotella. There was concordance in the most abundant genera within samples and the number of isolates cultured reflected the measured bacterial diversity. We found that at baseline the microbiota of 17 (24%) patients were dominated by Haemophilus influenzae, accompanied by narrowed microbial diversity and higher levels of sputum inflammatory cytokines. Different H. influenzae strains co-existed within individuals. Opportunistic whole genome sequencing of six H. influenzae isolates obtained during the study revealed that all were non-typeable H. influenzae (NTHI), with a range of different antibiotic resistance gene profiles, but an identical complement of virulence genes. Administration of 13 weeks prophylaxis with moxifloxacin, azithromycin or doxycycline revealed distinctive changes in microbial communities for each group. Haemophilus numbers reduced by 90% compared to placebo only after moxifloxacin, and significant reduction in sputum cytokines occurred in patients dominated by Haemophilus at baseline. Haemophilus influenzae dominance defines COPD patients with active disease who may particularly benefit from antibiotics or vaccination.

The development of antibiotic resistance during treatment is a threat to patients and their environment. Insight in the mechanisms of resistance development is important for appropriate therapy and infection control. Here, we describe how through the application of mass spectrometry-based proteomics, a novel beta-lactamase Axc was identified as an indicator of acquired carbapenem resistance in a clinical isolate of Achromobacter xylosoxidans. Comparative proteomic analysis of consecutively collected susceptible and a resistant isolates from the same patient revealed that high Axc protein levels were only observed in the resistant isolate. Heterologous expression of Axc in Escherichia coli significantly increased the resistance towards carbapenems. Importantly, direct Axc mediated hydrolysis of imipenem was demonstrated using pH shift assays and 1H-NMR, confirming Axc as a legitimate carbapenemase. Whole genome sequencing revealed that the susceptible and resistant isolates were remarkably similar. Together these findings provide a molecular context for the fast development of meropenem resistance in A. xylosoxidans during treatment and demonstrate the use of mass spectrometric techniques in identifying novel resistance determinants.