Summary

 The gut microbiota is central to human health, but its establishment in early life has not been quantitatively and functionally examined. Applying metagenomic analysis on fecal samples from a large cohort of Swedish infants and their mothers, we characterized the gut microbiome during the first year of life and assessed the impact of mode of delivery and feeding on its establishment. In contrast to vaginally delivered infants, the gut microbiota of infants delivered by C-section showed significantly less resemblance to their mothers. Nutrition had a major impact on early microbiota composition and function, with cessation of breast-feeding, rather than introduction of solid food, being required for maturation into an adult-like microbiota. Microbiota composition and ecological network had distinctive features at each sampled stage, in accordance with functional maturation of the microbiome. Our findings establish a framework for understanding the interplay between the gut microbiome and the human body in early life.

The gut microbiota has been linked to cardiovascular diseases. However, the composition and functional capacity of the gut microbiome in relation to cardiovascular diseases have not been systematically examined. Here, we perform a metagenome-wide association study on stools from 218 individuals with atherosclerotic cardiovascular disease (ACVD) and 187 healthy controls. The ACVD gut microbiome deviates from the healthy status by increased abundance of Enterobacteriaceae and Streptococcus spp. and, functionally, in the potential for metabolism or transport of several molecules important for cardiovascular health. Although drug treatment represents a confounding factor, ACVD status, and not current drug use, is the major distinguishing feature in this cohort. We identify common themes by comparison with gut microbiome data associated with other cardiometabolic diseases (obesity and type 2 diabetes), with liver cirrhosis, and rheumatoid arthritis. Our data represent a comprehensive resource for further investigations on the role of the gut microbiome in promoting or preventing ACVD as well as other related diseases.The gut microbiota may play a role in cardiovascular diseases. Here, the authors perform a metagenome-wide association study on stools from individuals with atherosclerotic cardiovascular disease and healthy controls, identifying microbial strains and functions associated with the disease.

Colorectal cancer, a commonly diagnosed cancer in the elderly, often develops slowly from benign polyps called adenoma. The gut microbiota is believed to be directly involved in colorectal carcinogenesis. The identity and functional capacity of the adenoma- or carcinoma-related gut microbe(s), however, have not been surveyed in a comprehensive manner. Here we perform a metagenome-wide association study (MGWAS) on stools from advanced adenoma and carcinoma patients and from healthy subjects, revealing microbial genes, strains and functions enriched in each group. An analysis of potential risk factors indicates that high intake of red meat relative to fruits and vegetables appears to associate with outgrowth of bacteria that might contribute to a more hostile gut environment. These findings suggest that faecal microbiome-based strategies may be useful for early diagnosis and treatment of colorectal adenoma or carcinoma. The gut microbiota is involved in the development of colorectal cancer. Here, the authors analyse the faecal microbiomes of healthy subjects and of patients with colorectal cancer or benign adenoma, revealing microbial genes, strains and functions enriched in each group.

To evaluate the potential for diagnosing colorectal cancer (CRC) from faecal metagenomes.We performed metagenome-wide association studies on faecal samples from 74 patients with CRC and 54 controls from China, and validated the results in 16 patients and 24 controls from Denmark. We further validated the biomarkers in two published cohorts from France and Austria. Finally, we employed targeted quantitative PCR (qPCR) assays to evaluate diagnostic potential of selected biomarkers in an independent Chinese cohort of 47 patients and 109 controls.Besides confirming known associations of Fusobacterium nucleatum and Peptostreptococcus stomatis with CRC, we found significant associations with several species, including Parvimonas micra and Solobacterium moorei. We identified 20 microbial gene markers that differentiated CRC and control microbiomes, and validated 4 markers in the Danish cohort. In the French and Austrian cohorts, these four genes distinguished CRC metagenomes from controls with areas under the receiver-operating curve (AUC) of 0.72 and 0.77, respectively. qPCR measurements of two of these genes accurately classified patients with CRC in the independent Chinese cohort with AUC=0.84 and OR of 23. These genes were enriched in early-stage (I-II) patient microbiomes, highlighting the potential for using faecal metagenomic biomarkers for early diagnosis of CRC.We present the first metagenomic profiling study of CRC faecal microbiomes to discover and validate microbial biomarkers in ethnically different cohorts, and to independently validate selected biomarkers using an affordable clinically relevant technology. Our study thus takes a step further towards affordable non-invasive early diagnostic biomarkers for CRC from faecal samples.

There is emerging evidence that the commensal microbiota has a role in the pathogenesis of multiple sclerosis (MS), a putative autoimmune disease of the CNS. Here, we compared the gut microbial composition of 34 monozygotic twin pairs discordant for MS. While there were no major differences in the overall microbial profiles, we found a significant increase in some taxa such as Akkermansia in untreated MS twins. Furthermore, most notably, when transplanted to a transgenic mouse model of spontaneous brain autoimmunity, MS twin-derived microbiota induced a significantly higher incidence of autoimmunity than the healthy twin-derived microbiota. The microbial profiles of the colonized mice showed a high intraindividual and remarkable temporal stability with several differences, including Sutterella, an organism shown to induce a protective immunoregulatory profile in vitro. Immune cells from mouse recipients of MS-twin samples produced less IL-10 than immune cells from mice colonized with healthy-twin samples. IL-10 may have a regulatory role in spontaneous CNS autoimmunity, as neutralization of the cytokine in mice colonized with healthy-twin fecal samples increased disease incidence. These findings provide evidence that MS-derived microbiota contain factors that precipitate an MS-like autoimmune disease in a transgenic mouse model. They hence encourage the detailed search for protective and pathogenic microbial components in human MS.

Reference genomes are essential for metagenomic analyses and functional characterization of the human gut microbiota. We present the Culturable Genome Reference (CGR), a collection of 1,520 nonredundant, high-quality draft genomes generated from >6,000 bacteria cultivated from fecal samples of healthy humans. Of the 1,520 genomes, which were chosen to cover all major bacterial phyla and genera in the human gut, 264 are not represented in existing reference genome catalogs. We show that this increase in the number of reference bacterial genomes improves the rate of mapping metagenomic sequencing reads from 50% to >70%, enabling higher-resolution descriptions of the human gut microbiome. We use the CGR genomes to annotate functions of 338 bacterial species, showing the utility of this resource for functional studies. We also carry out a pan-genome analysis of 38 important human gut species, which reveals the diversity and specificity of functional enrichment between their core and dispensable genomes. A resource of >1,500 bacterial reference genomes sheds light on the human gut microbiome.

The pig is a major species for livestock production and is also extensively used as the preferred model species for analyses of a wide range of human physiological functions and diseases1. The importance of the gut microbiota in complementing the physiology and genome of the host is now well recognized2. Knowledge of the functional interplay between the gut microbiota and host physiology in humans has been advanced by the human gut reference catalogue3,4. Thus, establishment of a comprehensive pig gut microbiome gene reference catalogue constitutes a logical continuation of the recently published pig genome5. By deep metagenome sequencing of faecal DNA from 287 pigs, we identified 7.7 million non-redundant genes representing 719 metagenomic species. Of the functional pathways found in the human catalogue, 96% are present in the pig catalogue, supporting the potential use of pigs for biomedical research. We show that sex, age and host genetics are likely to influence the pig gut microbiome. Analysis of the prevalence of antibiotic resistance genes demonstrated the effect of eliminating antibiotics from animal diets and thereby reducing the risk of spreading antibiotic resistance associated with farming systems. 7.7 million non-redundant genes have been documented in the pig gut microbiome gene catalogue, revealing a 96% similarity in functional pathways to the human catalogue and influences from sex, age, host genetics and antibiotic treatments.