Biological age (BA) has been proposed to evaluate the aging status instead of chronological age (CA). Our study shows evidence that there might be multiple "clocks" within the whole-body system: systemic aging drivers/clocks overlaid with organ/tissue-specific counterparts. We utilize multi-omics data, including clinical tests, immune repertoire, targeted metabolomic molecules, gut microbiomes, physical fitness examinations, and facial skin examinations, to estimate the BA of different organs (e.g., liver, kidney) and systems (immune and metabolic system). The aging rates of organs/systems are diverse. People's aging patterns are different. We also demonstrate several applications of organs/systems BA in two independent datasets. Mortality predictions are compared among organs' BA in the dataset of the United States National Health and Nutrition Examination Survey. Polygenic risk score of BAs constructed in the Chinese Longitudinal Healthy Longevity Survey cohort can predict the possibility of becoming centenarian.

Abstract More than a decade of gut microbiome studies have a common goal for human health. As most of the disease studies sample the elderly or the middle-aged, a reference cohort for young individuals has been lacking. It is also not clear what other omics data need to be measured to better understand the gut microbiome. Here we present high-depth metagenomic shotgun sequencing data for the fecal microbiome together with other omics data in a cohort of 2,183 adults, and observe a number of vitamins, hormones, amino acids and trace elements to correlate with the gut microbiome and cluster with T cell receptors. Associations with physical fitness, sleeping habits and dairy consumption are identified in this large multi-omic cohort. Many of the associations are validated in an additional cohort of 1,404 individuals. Our comprehensive data are poised to advise future study designs to better understand and manage our gut microbiome both in population and in mechanistic investigations.

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 Calorie restriction (CR), which has the potential effect to weight loss and blood amino acids, has been demonstrated to associate with gut microbiota in human, especially in obese individuals. However, studies for simultaneously evaluating enterotype-dependent impacts of CR on the gut microbiota and blood amino acids in nonobese individuals are still limited. Here, 41 nonobese individuals received a 3-week CR diet with approximately 50% fewer calories than normal diet. We measured their BMI and blood amino acid concentration, along with the gut microbiota before and after the intervention. In this trial, 28 Enterotype Bacteroides (ETB) subjects and 13 Enterotype Prevotella (ETP) subjects were identified before the intervention. Short-term CR dietary intervention decreased the body mass index (BMI) in most subjects but varied in subjects with different enterotypes. ETP subjects exhibited significantly higher BMI loss ratio than the ETB subjects. CR additionally induced substantial enterotype-independent changes in blood amino acids, but only minor changes in gut microbial composition. We further built a prediction model based on baseline relative abundances of 7 gut microbial species showing high performance in predicting CR-associated BMI loss ratio. Among them, the relative abundance of ETB-enriched Clostridium bolteae and C. ramosum were negatively correlated with BMI loss ratio while the relative abundance of Dorea longicatena which was slightly enriched in ETP subjects, was positively correlated with BMI loss ratio. Together, our work points out that the individual variation of BMI loss after CR could be partially correlated with different microbial composition and highlights the potential application for microbiome stratification in personalized nutrition intervention.

Summary Respiratory diseases impose an immense health burden worldwide. Epidemiological studies have revealed extensive disparities in the incidence and severity of respiratory tract infections (RTIs) between males and females . It is recently hypothesized that there might also be a nasal microbiome axis contributing to the observed sex disparities, but without evidence. In this work, we study the nasal microbiome of healthy young adults in, as of today, the largest cohort based on deep shot-gun metagenomic sequencing. We mainly focus on the bacteriome, but also integrate the mycobiome to get a more holistic perspective. De novo assembly is performed to catalog the nasal bacterial colonizers/residents, which also identify and therefore account for uncharacterized components of the community. The bacteriome is then profiled based on the non-redundant metagenome-assembled genomes (MAGs) catalog constructed therefrom. Unsupervised clustering reveals clearly separable structural patterns in the nasal microbiome between the two sexes. Following this link, we systematically evaluate sex differences for the first time and reveal extensive sex-specific features in the nasal microbiome composition. More importantly, through network analyses, we capture markedly higher ecological stability and antagonistic potentials in the nasal microbiome of females than that of males. The analysis of the keystone bacteria of the communities reveal that the sex-dependent evolutionary characteristics might have contributed to this difference . Highlights The non-redundant nasal bacterial MAGs catalog constructed from ultra-deeply sequenced metagenomic data provides a valuable resource. Integrating nasal bacteriome and mycobiome data provides a more holistic perspective for the understudied human nasal microbiome. Unsupervised clustering helps uncover extensive sex differences in the nasal microbiome compositions. Network analyses capture markedly higher ecological stability and antagonistic potentials in the nasal microbiome of females than that of males. Sex-dependent genetic evolutionary forces play a role in the shaping of keystones in the nasal microbial community.

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.

Calorie restriction (CR) has been widely recognized for its effect in reducing body weight and alleviating diabetes in humans, as well as prolonging life span in animal studies. Gut microbiome shifts contribute to part of the effects of CR, but little is known regarding their influences except on metabolism and immunity. Here we monitored gut microbiome using metagenomics and metatranscriptomics in obese individuals undergoing CR, and revealed microbial determinants that could contribute to successful weight loss. Microbiome changes are linked to changes in blood metabolome and hormones, which eventually correlate to brain functional changes as studied using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Brain functional shifts indicate response of central neural system (CNS) to CR, and microbiome constitutes the keystone of gut-brain axis. Animal experiment further reaffirms the gut microbiome changes, metabolic and hormonal shifts of CR, while proteomic analysis of brain tissues suggest that epigenetic modifications of key proteins could explain responses of CNS to CR. Our study establishes linkage between CR, gut microbiome, metabolome/ hormones and CNS function, and demonstrates that CR has multi-facet, coordinated effects on the host, of which many could contribute to weight loss and other beneficial effects.