To understand the impact of gut microbes on human health and well-being it is crucial to assess their genetic potential. Here we describe the Illumina-based metagenomic sequencing, assembly and characterization of 3.3 million non-redundant microbial genes, derived from 576.7 gigabases of sequence, from faecal samples of 124 European individuals. The gene set, ∼150 times larger than the human gene complement, contains an overwhelming majority of the prevalent (more frequent) microbial genes of the cohort and probably includes a large proportion of the prevalent human intestinal microbial genes. The genes are largely shared among individuals of the cohort. Over 99% of the genes are bacterial, indicating that the entire cohort harbours between 1,000 and 1,150 prevalent bacterial species and each individual at least 160 such species, which are also largely shared. We define and describe the minimal gut metagenome and the minimal gut bacterial genome in terms of functions present in all individuals and most bacteria, respectively. The human body plays host to an estimated 100 trillion microbial cells, most of them in the gut where they have a profound influence on human physiology and nutrition — and are now regarded as crucial for human life. Gut microbes contribute to the energy harvest from food, and changes of gut microbiome may be associated with bowel diseases or obesity. Now the international MetaHIT (Metagenomics of the Human Intestinal Tract) project has published a gene catalogue of the human gut microbiome derived from 124 healthy, overweight and obese human adults, as well as inflammatory disease patients, from Denmark and Spain. The resulting data provide the first insights into this gene set — which is over 150 times larger than the human gene complement — and show that the genes are largely shared among individuals. Based on the variety of functions encoded by the gene set, it is possible to define both a minimal gut metagenome and a minimal gut bacterial genome. Deep metagenomic sequencing and characterization of the human gut microbiome from healthy and obese individuals, as well as those suffering from inflammatory bowel disease, provide the first insights into this gene set and how much of it is shared among individuals. The minimal gut metagenome as well as the minimal gut bacterial genome is also described.

Abstract Summary: SOAP2 is a significantly improved version of the short oligonucleotide alignment program that both reduces computer memory usage and increases alignment speed at an unprecedented rate. We used a Burrows Wheeler Transformation (BWT) compression index to substitute the seed strategy for indexing the reference sequence in the main memory. We tested it on the whole human genome and found that this new algorithm reduced memory usage from 14.7 to 5.4 GB and improved alignment speed by 20–30 times. SOAP2 is compatible with both single- and paired-end reads. Additionally, this tool now supports multiple text and compressed file formats. A consensus builder has also been developed for consensus assembly and SNP detection from alignment of short reads on a reference genome. Availability: http://soap.genomics.org.cn Contact: soap@genomics.org.cn

Abstract Summary: We have developed a program SOAP for efficient gapped and ungapped alignment of short oligonucleotides onto reference sequences. The program is designed to handle the huge amounts of short reads generated by parallel sequencing using the new generation Illumina-Solexa sequencing technology. SOAP is compatible with numerous applications, including single-read or pair-end resequencing, small RNA discovery and mRNA tag sequence mapping. SOAP is a command-driven program, which supports multi-threaded parallel computing, and has a batch module for multiple query sets. Availability: http://soap.genomics.org.cn Contact: soap@genomics.org.cn

Next-generation massively parallel DNA sequencing technologies provide ultrahigh throughput at a substantially lower unit data cost; however, the data are very short read length sequences, making de novo assembly extremely challenging. Here, we describe a novel method for de novo assembly of large genomes from short read sequences. We successfully assembled both the Asian and African human genome sequences, achieving an N50 contig size of 7.4 and 5.9 kilobases (kb) and scaffold of 446.3 and 61.9 kb, respectively. The development of this de novo short read assembly method creates new opportunities for building reference sequences and carrying out accurate analyses of unexplored genomes in a cost-effective way.

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.

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.