“Normal” for the gut microbiota For the benefit of future clinical studies, it is critical to establish what constitutes a “normal” gut microbiome, if it exists at all. Through fecal samples and questionnaires, Falony et al. and Zhernakova et al. targeted general populations in Belgium and the Netherlands, respectively. Gut microbiota composition correlated with a range of factors including diet, use of medication, red blood cell counts, fecal chromogranin A, and stool consistency. The data give some hints for possible biomarkers of normal gut communities. Science , this issue pp. 560 and 565

In recent years, several associations between common chronic human disorders and altered gut microbiome composition and function have been reported. In most of these reports, treatment regimens were not controlled for and conclusions could thus be confounded by the effects of various drugs on the microbiota, which may obscure microbial causes, protective factors or diagnostically relevant signals. Our study addresses disease and drug signatures in the human gut microbiome of type 2 diabetes mellitus (T2D). Two previous quantitative gut metagenomics studies of T2D patients that were unstratified for treatment yielded divergent conclusions regarding its associated gut microbial dysbiosis. Here we show, using 784 available human gut metagenomes, how antidiabetic medication confounds these results, and analyse in detail the effects of the most widely used antidiabetic drug metformin. We provide support for microbial mediation of the therapeutic effects of metformin through short-chain fatty acid production, as well as for potential microbiota-mediated mechanisms behind known intestinal adverse effects in the form of a relative increase in abundance of Escherichia species. Controlling for metformin treatment, we report a unified signature of gut microbiome shifts in T2D with a depletion of butyrate-producing taxa. These in turn cause functional microbiome shifts, in part alleviated by metformin-induced changes. Overall, the present study emphasizes the need to disentangle gut microbiota signatures of specific human diseases from those of medication.

“Normal” for the gut microbiota For the benefit of future clinical studies, it is critical to establish what constitutes a “normal” gut microbiome, if it exists at all. Through fecal samples and questionnaires, Falony et al. and Zhernakova et al. targeted general populations in Belgium and the Netherlands, respectively. Gut microbiota composition correlated with a range of factors including diet, use of medication, red blood cell counts, fecal chromogranin A, and stool consistency. The data give some hints for possible biomarkers of normal gut communities. Science , this issue pp. 560 and 565

Metabolic syndrome is characterized by a constellation of comorbidities that predispose individuals to an increased risk of developing cardiovascular pathologies as well as type 2 diabetes mellitus1. The gut microbiota is a new key contributor involved in the onset of obesity-related disorders2. In humans, studies have provided evidence for a negative correlation between Akkermansia muciniphila abundance and overweight, obesity, untreated type 2 diabetes mellitus or hypertension3–8. Since the administration of A. muciniphila has never been investigated in humans, we conducted a randomized, double-blind, placebo-controlled pilot study in overweight/obese insulin-resistant volunteers; 40 were enrolled and 32 completed the trial. The primary end points were safety, tolerability and metabolic parameters (that is, insulin resistance, circulating lipids, visceral adiposity and body mass). Secondary outcomes were gut barrier function (that is, plasma lipopolysaccharides) and gut microbiota composition. In this single-center study, we demonstrated that daily oral supplementation of 1010 A. muciniphila bacteria either live or pasteurized for three months was safe and well tolerated. Compared to placebo, pasteurized A. muciniphila improved insulin sensitivity (+28.62 ± 7.02%, P = 0.002), and reduced insulinemia (−34.08 ± 7.12%, P = 0.006) and plasma total cholesterol (−8.68 ± 2.38%, P = 0.02). Pasteurized A. muciniphila supplementation slightly decreased body weight (−2.27 ± 0.92 kg, P = 0.091) compared to the placebo group, and fat mass (−1.37 ± 0.82 kg, P = 0.092) and hip circumference (−2.63 ± 1.14 cm, P = 0.091) compared to baseline. After three months of supplementation, A. muciniphila reduced the levels of the relevant blood markers for liver dysfunction and inflammation while the overall gut microbiome structure was unaffected. In conclusion, this proof-of-concept study (clinical trial no. NCT02637115 ) shows that the intervention was safe and well tolerated and that supplementation with A. muciniphila improves several metabolic parameters. Supplementation with Akkermansia muciniphila, a gut microbe previously associated with metabolic health in preclinical models, is safe and well tolerated in humans and may improve metabolic parameters in overweight and obese patients.

The relationship between gut microbial metabolism and mental health is one of the most intriguing and controversial topics in microbiome research. Bidirectional microbiota-gut-brain communication has mostly been explored in animal models, with human research lagging behind. Large-scale metagenomics studies could facilitate the translational process, but their interpretation is hampered by a lack of dedicated reference databases and tools to study the microbial neuroactive potential. Surveying a large microbiome population cohort (Flemish Gut Flora Project, n = 1,054) with validation in independent data sets (ntotal = 1,070), we studied how microbiome features correlate with host quality of life and depression. Butyrate-producing Faecalibacterium and Coprococcus bacteria were consistently associated with higher quality of life indicators. Together with Dialister, Coprococcus spp. were also depleted in depression, even after correcting for the confounding effects of antidepressants. Using a module-based analytical framework, we assembled a catalogue of neuroactive potential of sequenced gut prokaryotes. Gut-brain module analysis of faecal metagenomes identified the microbial synthesis potential of the dopamine metabolite 3,4-dihydroxyphenylacetic acid as correlating positively with mental quality of life and indicated a potential role of microbial γ-aminobutyric acid production in depression. Our results provide population-scale evidence for microbiome links to mental health, while emphasizing confounder importance.

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.