The gut microbiome has been the center of attention for human commensal microbiome studies. The vaginal microbiome is also densely populated with bacteria, viruses and fungi, and the presence of microorganisms beyond the cervix is increasingly reported in non-infectious conditions 1–3 . Due to the over 90% of human sequences in female reproductive tract samples 3,4 , metagenomic information has been very limited. 16S rRNA gene amplicon sequencing studies have identified community types in the vaginal microbiota, and observed its dynamic changes due to menstrual cycles and sexual behaviors in small cohorts 5,6 . Here we perform metagenomic shotgun sequencing on cervical samples from 516 women of reproductive age (more than 10-fold of the Human Microbiome Project (HMP) 4 ), and dissect major factors, especially pregnancy and delivery histories and contraception methods on the microbiome composition. Features of other body sites, such as mood fluctuations and facial speckles could potentially be deduced from the vagino-cervical microbiome. Our results offer an unprecedented glimpse into the microbiota in the female reproductive tract and imply disease susceptibilities that may be relieved by behavioural changes.

Abstract The oral microbiota contains billions of microbial cells, which could contribute to diseases in a number of body sites. Challenged by eating, drinking and dental hygiene on a daily basis, the oral microbiota is regarded as highly dynamic. Here, we report significant human genomic associations with the oral metagenome from more than 1,915 individuals, for both the tongue dorsum and saliva. We identified five genetic loci associated with oral microbiota at study-wide significance ( p < 3.16 × 10 −11 ). Four of the five associations were well replicated in an independent cohort of 1,439 individuals: rs1196764 at APPL2 with Prevotella jejuni, Oribacterium uSGB 3339 and Solobacterium uSGB 315 ; rs3775944 at the serum uric acid transporter SLC2A9 with Oribacterium uSGB 1215, Oribacterium uSGB 489 and Lachnoanaerobaculum umeaense ; rs4911713 near OR11H1 with species F0422 uSGB 392; and rs36186689 at LOC105371703 with Eggerthia . Further analyses confirmed 84% (386/455 for tongue dorsum) and 85% (391/466 for saliva) of genetic-microbiota associations including 6 genome-wide significant associations mutually validated between the two niches. Human genetics accounted for at least 10% of oral microbiome compositions between individuals. Machine learning models showed that polygenetic risk score dominated over oral microbiome in predicting predisposing risk of dental diseases such as dental calculus and gingival bleeding. These findings indicate that human genetic differences are one explanation for a stable or recurrent oral microbiome in each individual.

Abstract Transcriptional regulatory network (TRN) is the central pivot of a prokaryotic organism to receive, process and respond to internal and external environmental information. However, little is known about its spatial organization so far. In recent years, chromatin interaction data of bacteria such as Escherichia coli and Bacillus subtilis have been published, making it possible to study the spatial organization of bacterial transcriptional regulatory networks. By combining TRNs and chromatin interaction data of E. coli and B. subtilis , we explored the spatial organization characteristics of bacterial TRNs in many aspects such as regulation directions (positive and negative), central nodes (hubs, bottlenecks), hierarchical levels (top, middle, bottom) and network motifs (feed-forward loops and single input modules) of the TRNs and found that the bacterial TRNs have a variety of stable spatial organization features under different physiological conditions which may be closely related with basic life activities. Our findings provided new insights into the connection between transcriptional regulation and the spatial organization of chromosome in bacteria, and might serve as a foundation for spatial-distance-based gene circuit design in synthetic biology.

Abstract The vaginal microbiota is presumably much simpler than the gut microbiome, and oral probiotics appear as a promising means to modulate its homeostasis in the general population. Here, 60 women were followed for over a year before, during and after a probiotic containing Lactobacillus rhamnosus GR-1 and L. reuteri RC-14. Shotgun metagenomic data of 1334 samples from multiple body sites did not support colonization of the probiotics to the vagino-cervical microbiome, yet the microbiome was stable in those dominated by Lactobacilli and some individuals have likely benefited from this medication-free intervention.

Although the taxonomic composition of the human microbiome varies tremendously across individuals, its gene composition or functional capacity is highly conserved[1][1]-[5][2]\---|implying an ecological property known as functional redundancy . Such functional redundancy is thought to underlie the stability and resilience of the human microbiome[6][3],[7][4], but its origin is elusive. Here, we investigate the basis for functional redundancy in the human microbiome by analyzing its genomic content network \---| a bipartite graph that links microbes to the genes in their genomes. We show that this network exhibits several topological features, such as highly nested structure and fat-tailed gene degree distribution, which favor high functional redundancy. To explain the origins of these topological features, we develop a simple genome evolution model that explicitly considers selection pressure, and the processes of gene gain and loss, and horizontal gene transfer. We find that moderate selection pressure and high horizontal gene transfer rate are necessary to generate genomic content networks with both highly nested structure and fat-tailed gene degree distribution, and consequently favor high functional redundancy. These findings provide insights into the relationships between structure and function in complex microbial communities. This work elucidates the potential ecological and evolutionary processes that create and maintain functional redundancy in the human microbiome and contribute to its resilience. [1]: #ref-1 [2]: #ref-5 [3]: #ref-6 [4]: #ref-7

Transcriptional regulatory network (TRN) is a directed complex network composed of all regulatory interactions between transcription factors and corresponding target genes. Recently, the three-dimensional (3D) genomics studies have shown that the 3D structure of the genome makes a difference to the regulation of gene transcription, which provides us with a novel perspective. In this study, we constructed the TRN of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae and placed it in the context of 3D genome model. We analyzed the spatial organization of the yeast TRN on four levels: global feature, central nodes, hierarchical structure and network motifs. Our results suggested that the TRN of S. cerevisiae presents an optimized structure in space to adapt to functional requirement.

The gut microbiome has been implicated in a variety of physiological states. Controversy over causality, however, has always haunted microbiome studies. Here, we utilized the bidirectional Mendelian randomization (MR) approach to address questions that are not yet mature for more costly randomized interventions. From a total of 3,432 Chinese individuals with shotgun sequencing data for whole genome and whole metagenome, as well as anthropometric and blood metabolic traits, we identified 58 causal relationships between the gut microbiome and blood metabolites, and replicated 43 out of the 58. Gut microbiome could determine features in the blood. For example, increased fecal relative abundances of and were causally linked to decreased triglyceride concentration, and fecal microbial module pectin degradation might increase serum uric acid. On the other hand, blood features may determine gut microbial features, e.g. glutamic acid appeared to decrease , and a few members of were unidirectionally influenced by cardiometabolically important metabolites such as 5-methyltetrahydrofolic acid, alanine, as well as selenium. This study illustrates the value of human genetic information to help prioritize gut microbial features for mechanistic and clinical studies. The results are consistent with whole-body cross-talks of the microbiome and the circulating molecules.

The oral cavity of each person is home for hundreds of bacterial species. While taxa for oral diseases have been well studied using culture-based as well as amplicon sequencing methods, metagenomic and genomic information remain scarce compared to the fecal microbiome. Here we provide metagenomic shotgun data for 3346 oral metagenomics samples, and together with 808 published samples, assemble 56,213 metagenome-assembled genomes (MAGs). 64% of the 3,589 species-level genome bins contained no publicly available genomes, others with only a handful. The resulting genome collection is representative of samples around the world and across physiological conditions, contained many genomes from Candidate phyla radiation (CPR) which lack monoculture, and enabled discovery of new taxa such as a family within the Acholeplasmataceae order. New biomarkers were identified for rheumatoid arthritis or colorectal cancer, which would be more convenient than fecal samples. The large number of metagenomic samples also allowed assembly of many strains from important oral taxa such as Porphyromonas and Neisseria. Predicted functions enrich in drug metabolism and small molecule synthesis. Thus, these data lay down a genomic framework for future inquiries of the human oral microbiome.

Abstract The gut microbiota is essential for host health and survival. Here, using samples from animals living in the Qinghai-Tibetan Plateau, we recovered 119,568 metagenome-assembled genomes (MAGs) that were clustered into 19,251 species-level genome bins (SGBs) of which most represent novel species. We present a novel mechanism shaping mammalian gut microbiomes using ancestral founder bacteria (AFB) as a core skeleton and recurring lineage-specific gains of microbial species that are transferred frequently among multiple hosts, not strictly limited by host phylogeny. Such lineage specific gains are responsible for increasing gut microbial diversity, maintaining functional stability, and endowing specific functions for host adaptions. Our analyses did not support the existence of co-phylogeny or co-speciation events between mammal hosts and their individual gut symbionts. The results presented in this study not only reveal novel unique gut microbial species and offer insight of value for understanding the diversity, stability, functionality of the mammalian gut microbiomes, and the co-evolution with their hosts, but also emphasize that animals living in extreme environments are a promising resource for the discovery of novel biological functions.