The timing of type I interferon signalling determines the disease course of SIV infection. Type I interferon (IFN-I) is shown here to have dual effects in rhesus macaques exposed to simian immunodeficiency virus (SIV): it is beneficial at the onset of infection but as infection progresses it becomes detrimental. IFN signaling was manipulated in two ways. IFN-I receptor blockade results in increased plasma viraemia, accelerated CD4 T cell loss and progression to AIDS. In contrast, IFN-α2a administration prior to high-dose intrarectal SIV challenge increases resistance to systemic infection. However, continued IFN-α2a treatment induces IFN-I desensitization and facilitates SIV infection. Overall, the benefits of early antiviral activity appear to outweigh the detrimental effects of immune activation during acute SIV infection. Inflammation in HIV infection is predictive of non-AIDS morbidity and death1, higher set point plasma virus load2 and virus acquisition3; thus, therapeutic agents are in development to reduce its causes and consequences. However, inflammation may simultaneously confer both detrimental and beneficial effects. This dichotomy is particularly applicable to type I interferons (IFN-I) which, while contributing to innate control of infection4,5,6,7,8,9,10, also provide target cells for the virus during acute infection, impair CD4 T-cell recovery, and are associated with disease progression6,7,11,12,13,14,15,16,17,18,19. Here we manipulated IFN-I signalling in rhesus macaques (Macaca mulatta) during simian immunodeficiency virus (SIV) transmission and acute infection with two complementary in vivo interventions. We show that blockade of the IFN-I receptor caused reduced antiviral gene expression, increased SIV reservoir size and accelerated CD4 T-cell depletion with progression to AIDS despite decreased T-cell activation. In contrast, IFN-α2a administration initially upregulated expression of antiviral genes and prevented systemic infection. However, continued IFN-α2a treatment induced IFN-I desensitization and decreased antiviral gene expression, enabling infection with increased SIV reservoir size and accelerated CD4 T-cell loss. Thus, the timing of IFN-induced innate responses in acute SIV infection profoundly affects overall disease course and outweighs the detrimental consequences of increased immune activation. Yet, the clinical consequences of manipulation of IFN signalling are difficult to predict in vivo and therapeutic interventions in human studies should be approached with caution.

Microbiota are thought to influence the development and progression of inflammatory bowel disease (IBD), but determining generalizable effects of microbiota on IBD etiology requires larger-scale functional analyses. We colonized germ-free mice with intestinal microbiotas from 30 healthy and IBD donors and determined the homeostatic intestinal T cell response to each microbiota. Compared to microbiotas from healthy donors, transfer of IBD microbiotas into germ-free mice increased numbers of intestinal Th17 cells and Th2 cells and decreased numbers of RORγt+ Treg cells. Colonization with IBD microbiotas exacerbated disease in a model where colitis is induced upon transfer of naive T cells into Rag1−/− mice. The proportions of Th17 and RORγt+ Treg cells induced by each microbiota were predictive of human disease status and accounted for disease severity in the Rag1−/− colitis model. Thus, an impact on intestinal Th17 and RORγt+ Treg cell compartments emerges as a unifying feature of IBD microbiotas, suggesting a general mechanism for microbial contribution to IBD pathogenesis.

Abstract Fecal IgA production depends on colonization by a gut microbiota. However, the bacterial strains that drive gut IgA production remain largely unknown. By accessing the IgA-inducing capacity of a diverse set of human gut microbial strains, we identified Bacteroides ovatus as the species that best induced gut IgA production. However, this induction varied biomodally across different B. ovatus strains. The high IgA-inducing B. ovatus strains preferentially elicited more IgA production in the large intestine through both T-cell-dependent and T-cell-independent B cell-activation pathways. Remarkably, a low-IgA phenotype in mice could be robustly and consistently converted into a high-IgA phenotype by transplanting a multiplex cocktail of high IgA-inducing B. ovatus strains but not individual ones. Thus, microbial strain specificity is essential for the optimal induction of high-IgA responses in the gut. Our results highlight the critical importance of microbial strains in driving phenotype variation in the mucosal immune system and provide a strategy to robustly modify a gut immune phenotype, including IgA production.

Abstract Background & Aims Recurrent and refractory Clostridium difficile infections (CDI) are effectively treated with fecal microbiota transplant (FMT). Uncertainty exists regarding the effectiveness of FMT for CDI with underlying inflammatory bowel disease (IBD), its effects on disease activity and its effectiveness transferring the donor microbiome to patients with and without IBD. This study aims to determine FMTs effectiveness in subjects with and without IBD, its impact on IBD activity, the level of microbiome engraftment, and predictors of CDI recurrence. Methods Subjects with and without IBD who underwent FMT for recurrent or refractory CDI between 2013 and 2016 at The Mount Sinai Hospital were followed for up to 6 months. The primary outcome was CDI recurrence 6 months after FMT. Secondary outcomes were (1) CDI recurrence 2 months after FMT; (2) Frequency of IBD flare after FMT; (3) Microbiome engraftment after FMT; (4) Predictors of CDI recurrence. Results Overall, 134 patients, 46 with IBD, were treated with FMT. There was no difference in recurrence in patients with and without IBD at 2 months (22.5% vs 17.9%; p=0.63) and 6 months (38.7% vs 36.5%; p>0.99). Proton pump inhibitor use, severe CDI, and comorbid conditions were predictors of recurrence. The pre-FMT microbiome was not predictive of CDI recurrence. Subjects with active disease requiring medication escalation had reduced engraftment. There was no difference in engraftment based on IBD endoscopic severity at FMT. Conclusions IBD did not affect CDI recurrence rates 6 months after FMT. Pre-FMT microbiome was not predictive of recurrence, and microbial engraftment was dependent on IBD treatment escalation but not on underlying disease severity.

To identify factors that regulate gut microbiota density and the impact of varied microbiota density on health, we assayed this fundamental ecosystem property in fecal samples across mammals, human disease, and therapeutic interventions. Physiologic features of the host (carrying capacity) and the fitness of the gut microbiota shape microbiota density. Therapeutic manipulation of microbiota density in mice altered host metabolic and immune homeostasis. In humans, gut microbiota density was reduced in Crohn's disease, ulcerative colitis, and ileal pouch-anal anastomosis. The gut microbiota in recurrent Clostridium difficile infection had lower density and reduced fitness that were restored by fecal microbiota transplantation. Understanding the interplay between microbiota and disease in terms of microbiota density, host carrying capacity, and microbiota fitness provide new insights into microbiome structure and microbiome targeted therapeutics.

Background & Aims: The complex interactions between diet and the microbiota that influence mucosal inflammation and inflammatory bowel disease are poorly understood. Experimental colitis models provide the opportunity to control and systematically perturb diet and the microbiota in parallel to quantify the contributions between multiple dietary ingredients and the microbiota on host physiology and colitis. Methods: To examine the interplay of diet and the gut microbiota on host health and colitis, we fed over 40 different diets with varied macronutrient sources and concentrations to specific pathogen free or germ free mice either in the context of healthy, unchallenged animals or colitis models (dextran sodium sulfate (DSS) and T cell transfer). Results: Diet influenced physiology in both health and colitis across all models, with the concentration of protein and psyllium fiber having the most profound effects. Increasing dietary protein elevated gut microbial density and worsened DSS colitis severity. Depleting gut microbial density by using germ-free animals or antibiotics negated the effect of a high protein diet. Psyllium fiber influenced host physiology and attenuated colitis severity through microbiota-dependent and microbiota-independent mechanisms. Combinatorial perturbations to dietary protein and psyllium fiber in parallel explain most variation in gut microbial density, intestinal permeability, and DSS colitis severity, and changes in one ingredient can be offset by changes in the other. Conclusions: Our results demonstrate the importance of examining complex mixtures of nutrients to understand the role of diet in intestinal inflammation. Keywords IBD, Diet, Microbiota, Mouse Models, Systems biology

The building evidence for the contribution of microbiota to human disease has spurred an effort to develop therapies that target the gut microbiota. This is particularly evident in inflammatory bowel diseases, where clinical trials of fecal microbiota transplant have shown some efficacy. To aid the development of novel microbiota-targeted therapies and to better understand the biology underpinning such treatments, we have used gnotobiotic mice to model microbiota manipulations in the context of microbiotas from humans with inflammatory bowel disease. Mice colonized with IBD donor-derived microbiotas exhibit a stereotypical set of phenotypes, characterized by abundant mucosal Th17 cells and a deficit in the tolerogenic RORγt+ Treg cell subset. Transplanting healthy donor-derived microbiota into mice colonized with human IBD microbiotas lead to induction of RORγt+ Treg cells, which was associated with an increase in the density of the microbiotas following transplant. Microbiota transplant reduced gut Th17 cells in mice colonized with a microbiota from a donor with Crohn's disease. By culturing strains from this microbiota and screening them in vivo, we identified a specific strain that potently induces Th17 cells. Microbiota transplants reduced the relative abundance of this strain in the gut microbiota, correlated with a reduction in Th17 cells.

To examine the functional contribution of Inflammatory Bowel Disease (IBD) microbes to immune homeostasis and colitis, we colonized unchallenged and colitis-susceptible germ-free mice with over twenty human intestinal microbiotas from healthy and IBD donors. Compared to healthy microbiotas, IBD microbiotas led to expanded RORgammat+Th17 cells and reduced RORgammat+Treg in the gut of unchallenged gnotobiotic mice and increased disease severity in colitis-susceptible mice. The proportions of RORgammat+Th17 and RORgammat+Treg induced by each microbiota were highly predictive of the human disease status and strongly correlated with disease severity in colitis-susceptible mice colonized with the same human microbiotas. The transmittable functional potential of IBD microbes suggests a mechanism for a microbial contribution to IBD pathogenesis and a potential route for its treatment and prevention.