Abstract The populations of dominant species within the human colonic microbiota can potentially be modified by dietary intake with consequences for health. Here we examined the influence of precisely controlled diets in 14 overweight men. Volunteers were provided successively with a control diet, diets high in resistant starch (RS) or non-starch polysaccharides (NSPs) and a reduced carbohydrate weight loss (WL) diet, over 10 weeks. Analysis of 16S rRNA sequences in stool samples of six volunteers detected 320 phylotypes (defined at >98% identity) of which 26, including 19 cultured species, each accounted for >1% of sequences. Although samples clustered more strongly by individual than by diet, time courses obtained by targeted qPCR revealed that ‘blooms’ in specific bacterial groups occurred rapidly after a dietary change. These were rapidly reversed by the subsequent diet. Relatives of Ruminococcus bromii (R-ruminococci) increased in most volunteers on the RS diet, accounting for a mean of 17% of total bacteria compared with 3.8% on the NSP diet, whereas the uncultured Oscillibacter group increased on the RS and WL diets. Relatives of Eubacterium rectale increased on RS (to mean 10.1%) but decreased, along with Collinsella aerofaciens, on WL. Inter-individual variation was marked, however, with >60% of RS remaining unfermented in two volunteers on the RS diet, compared to <4% in the other 12 volunteers; these two individuals also showed low numbers of R-ruminococci (<1%). Dietary non-digestible carbohydrate can produce marked changes in the gut microbiota, but these depend on the initial composition of an individual's gut microbiota.

Abstract Our intestinal microbiota harbours a diverse bacterial community required for our health, sustenance and wellbeing 1,2 . Intestinal colonization begins at birth and climaxes with the acquisition of two dominant groups of strict anaerobic bacteria belonging to the Firmicutes and Bacteroidetes phyla 2 . Culture-independent, genomic approaches have transformed our understanding of the role of the human microbiome in health and many diseases 1 . However, owing to the prevailing perception that our indigenous bacteria are largely recalcitrant to culture, many of their functions and phenotypes remain unknown 3 . Here we describe a novel workflow based on targeted phenotypic culturing linked to large-scale whole-genome sequencing, phylogenetic analysis and computational modelling that demonstrates that a substantial proportion of the intestinal bacteria are culturable. Applying this approach to healthy individuals, we isolated 137 bacterial species from characterized and candidate novel families, genera and species that were archived as pure cultures. Whole-genome and metagenomic sequencing, combined with computational and phenotypic analysis, suggests that at least 50–60% of the bacterial genera from the intestinal microbiota of a healthy individual produce resilient spores, specialized for host-to-host transmission. Our approach unlocks the human intestinal microbiota for phenotypic analysis and reveals how a marked proportion of oxygen-sensitive intestinal bacteria can be transmitted between individuals, affecting microbiota heritability.

Immediately after birth, newborn babies experience rapid colonization by microorganisms from their mothers and the surrounding environment1. Diseases in childhood and later in life are potentially mediated by the perturbation of the colonization of the infant gut microbiota2. However, the effects of delivery via caesarean section on the earliest stages of the acquisition and development of the gut microbiota, during the neonatal period (≤1 month), remain controversial3,4. Here we report the disrupted transmission of maternal Bacteroides strains, and high-level colonization by opportunistic pathogens associated with the hospital environment (including Enterococcus, Enterobacter and Klebsiella species), in babies delivered by caesarean section. These effects were also seen, to a lesser extent, in vaginally delivered babies whose mothers underwent antibiotic prophylaxis and in babies who were not breastfed during the neonatal period. We applied longitudinal sampling and whole-genome shotgun metagenomic analysis to 1,679 gut microbiota samples (taken at several time points during the neonatal period, and in infancy) from 596 full-term babies born in UK hospitals; for a subset of these babies, we collected additional matched samples from mothers (175 mothers paired with 178 babies). This analysis demonstrates that the mode of delivery is a significant factor that affects the composition of the gut microbiota throughout the neonatal period, and into infancy. Matched large-scale culturing and whole-genome sequencing of over 800 bacterial strains from these babies identified virulence factors and clinically relevant antimicrobial resistance in opportunistic pathogens that may predispose individuals to opportunistic infections. Our findings highlight the critical role of the local environment in establishing the gut microbiota in very early life, and identify colonization with antimicrobial-resistance-containing opportunistic pathogens as a previously underappreciated risk factor in hospital births. Delivery via caesarean section, maternal antibiotic prophylaxis and colonization by opportunistic pathogens associated with the hospital environment affect the composition of the gut microbiota of children from birth until infancy.

Clear-cell renal cell carcinoma (ccRCC) exhibits a broad range of metastatic phenotypes that have not been systematically studied to date. Here, we analyzed 575 primary and 335 metastatic biopsies across 100 patients with metastatic ccRCC, including two cases sampledat post-mortem. Metastatic competence was afforded by chromosome complexity, and we identify 9p loss as a highly selected event driving metastasis and ccRCC-related mortality (p = 0.0014). Distinct patterns of metastatic dissemination were observed, including rapid progression to multiple tissue sites seeded by primary tumors of monoclonal structure. By contrast, we observed attenuated progression in cases characterized by high primary tumor heterogeneity, with metastatic competence acquired gradually and initial progression to solitary metastasis. Finally, we observed early divergence of primitive ancestral clones and protracted latency of up to two decades as a feature of pancreatic metastases.

Relapsing C. difficile disease in humans is linked to a pathological imbalance within the intestinal microbiota, termed dysbiosis, which remains poorly understood. We show that mice infected with epidemic C. difficile (genotype 027/BI) develop highly contagious, chronic intestinal disease and persistent dysbiosis characterized by a distinct, simplified microbiota containing opportunistic pathogens and altered metabolite production. Chronic C. difficile 027/BI infection was refractory to vancomycin treatment leading to relapsing disease. In contrast, treatment of C. difficile 027/BI infected mice with feces from healthy mice rapidly restored a diverse, healthy microbiota and resolved C. difficile disease and contagiousness. We used this model to identify a simple mixture of six phylogenetically diverse intestinal bacteria, including novel species, which can re-establish a health-associated microbiota and clear C. difficile 027/BI infection from mice. Thus, targeting a dysbiotic microbiota with a defined mixture of phylogenetically diverse bacteria can trigger major shifts in the microbial community structure that displaces C. difficile and, as a result, resolves disease and contagiousness. Further, we demonstrate a rational approach to harness the therapeutic potential of health-associated microbial communities to treat C. difficile disease and potentially other forms of intestinal dysbiosis.

The evolutionary features of clear-cell renal cell carcinoma (ccRCC) have not been systematically studied to date. We analyzed 1,206 primary tumor regions from 101 patients recruited into the multi-center prospective study, TRACERx Renal. We observe up to 30 driver events per tumor and show that subclonal diversification is associated with known prognostic parameters. By resolving the patterns of driver event ordering, co-occurrence, and mutual exclusivity at clone level, we show the deterministic nature of clonal evolution. ccRCC can be grouped into seven evolutionary subtypes, ranging from tumors characterized by early fixation of multiple mutational and copy number drivers and rapid metastases to highly branched tumors with >10 subclonal drivers and extensive parallel evolution associated with attenuated progression. We identify genetic diversity and chromosomal complexity as determinants of patient outcome. Our insights reconcile the variable clinical behavior of ccRCC and suggest evolutionary potential as a biomarker for both intervention and surveillance.

Understanding gut microbiome functions requires cultivated bacteria for experimental validation and reference bacterial genome sequences to interpret metagenome datasets and guide functional analyses. We present the Human Gastrointestinal Bacteria Culture Collection (HBC), a comprehensive set of 737 whole-genome-sequenced bacterial isolates, representing 273 species (105 novel species) from 31 families found in the human gastrointestinal microbiota. The HBC increases the number of bacterial genomes derived from human gastrointestinal microbiota by 37%. The resulting global Human Gastrointestinal Bacteria Genome Collection (HGG) classifies 83% of genera by abundance across 13,490 shotgun-sequenced metagenomic samples, improves taxonomic classification by 61% compared to the Human Microbiome Project (HMP) genome collection and achieves subspecies-level classification for almost 50% of sequences. The improved resource of gastrointestinal bacterial reference sequences circumvents dependence on de novo assembly of metagenomes and enables accurate and cost-effective shotgun metagenomic analyses of human gastrointestinal microbiota. A large bacterial strain collection and genome sequences will boost gut microbiome research.

Clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) is characterized by near-universal loss of the short arm of chromosome 3, deleting several tumor suppressor genes. We analyzed whole genomes from 95 biopsies across 33 patients with clear cell renal cell carcinoma. We find hotspots of point mutations in the 5′ UTR of TERT, targeting a MYC-MAX-MAD1 repressor associated with telomere lengthening. The most common structural abnormality generates simultaneous 3p loss and 5q gain (36% patients), typically through chromothripsis. This event occurs in childhood or adolescence, generally as the initiating event that precedes emergence of the tumor’s most recent common ancestor by years to decades. Similar genomic changes drive inherited ccRCC. Modeling differences in age incidence between inherited and sporadic cancers suggests that the number of cells with 3p loss capable of initiating sporadic tumors is no more than a few hundred. Early development of ccRCC follows well-defined evolutionary trajectories, offering opportunity for early intervention.

CD25 is expressed at high levels on regulatory T (Treg) cells and was initially proposed as a target for cancer immunotherapy. However, anti-CD25 antibodies have displayed limited activity against established tumors. We demonstrated that CD25 expression is largely restricted to tumor-infiltrating Treg cells in mice and humans. While existing anti-CD25 antibodies were observed to deplete Treg cells in the periphery, upregulation of the inhibitory Fc gamma receptor (FcγR) IIb at the tumor site prevented intra-tumoral Treg cell depletion, which may underlie the lack of anti-tumor activity previously observed in pre-clinical models. Use of an anti-CD25 antibody with enhanced binding to activating FcγRs led to effective depletion of tumor-infiltrating Treg cells, increased effector to Treg cell ratios, and improved control of established tumors. Combination with anti-programmed cell death protein-1 antibodies promoted complete tumor rejection, demonstrating the relevance of CD25 as a therapeutic target and promising substrate for future combination approaches in immune-oncology.

Diarrheal diseases continue to contribute significantly to morbidity and mortality in infants and young children in developing countries. There is an urgent need to better understand the contributions of novel, potentially uncultured, diarrheal pathogens to severe diarrheal disease, as well as distortions in normal gut microbiota composition that might facilitate severe disease. We use high throughput 16S rRNA gene sequencing to compare fecal microbiota composition in children under five years of age who have been diagnosed with moderate to severe diarrhea (MSD) with the microbiota from diarrhea-free controls. Our study includes 992 children from four low-income countries in West and East Africa, and Southeast Asia. Known pathogens, as well as bacteria currently not considered as important diarrhea-causing pathogens, are positively associated with MSD, and these include Escherichia/Shigella, and Granulicatella species, and Streptococcus mitis/pneumoniae groups. In both cases and controls, there tend to be distinct negative correlations between facultative anaerobic lineages and obligate anaerobic lineages. Overall genus-level microbiota composition exhibit a shift in controls from low to high levels of Prevotella and in MSD cases from high to low levels of Escherichia/Shigella in younger versus older children; however, there was significant variation among many genera by both site and age. Our findings expand the current understanding of microbiota-associated diarrhea pathogenicity in young children from developing countries. Our findings are necessarily based on correlative analyses and must be further validated through epidemiological and molecular techniques.