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 gut microbiome has been implicated in a variety of physiological states, but controversy over causality remains unresolved. Here, we performed bidirectional Mendelian randomization (MR) analyses on 3,432 Chinese individuals with whole genome, whole metagenome, anthropometric, and blood metabolic trait data. We identified 58 causal relationships between the gut microbiome and blood metabolites, and replicated 43 of them. Increased relative abundances of fecal Oscillibacter and Alistipes were causally linked to decreased triglyceride concentration. Conversely, blood metabolites such as glutamic acid appeared to decrease fecal Oxalobacter , and members of Proteobacteria were influenced by metabolites such as 5-methyltetrahydrofolic acid, alanine, glutamate, and selenium. Two-sample MR with data from Biobank Japan partly corroborated results with triglyceride and with uric acid, and also provided causal support for published fecal bacterial markers for cancer and cardiovascular diseases. This study illustrates the value of human genetic information to help prioritize gut microbial features for mechanistic and clinical studies.

Abstract High-quality and comprehensive reference gene catalogs are essential for metagenomic research. The rather low diversity of samples used to construct existing catalogs of mouse gut metagenomes limits the size and numbers of identified genes in existing catalogs. We therefore established an expanded gene catalog of genes in the mouse gut metagenomes (EMGC) containing >5.8 million genes by integrating 88 newly sequenced samples, 86 mouse-gut-related bacterial genomes and 3 existing gene catalogs. EMGC increases the number on non-redundant genes by more than one million genes compared to the so far most extensive catalog. More than 50% of the genes in EMGC were taxonomically assigned and 30% were functionally annotated. 902 Metagenomic species (MGS) assigned to 122 taxa are identified based on the EMGC. The EMGC-based analysis of samples from groups of mice originating from different animal providers, housing laboratories and genetic strains substantiated that diet is a major contributor to differences in composition and functional potential of the gut microbiota irrespective of differences in environment and genetic background. We envisage that EMGC will serve as an efficient and resource-saving reference dataset for future metagenomic studies in mice.

Abstract Vaginitis is a syndrome characterized by not only the invasion of pathogens, but also the lack of Lactobacillus . Lactobacillus supplementation emerged as an innovative therapy for vaginitis which targeted the vaginal microbiota in recent years. However, limited live biotherapeutic products were explicitly marketed for this. The aim of our study is to characterize the potential Lactobacillus candidates for enhancing the treatment of vaginitis. Initially, 98 Lactobacillus isolates with whole genome were selected into the candidate pool. The genomic pathways involved in the biosynthesis of probiotic metabolites, adhering ability and acid/bile resistance, as well as sequences of antibiotic resistance genes, plasmids, transposons, viruses, and prophages were annotated. A scoring model was then established based on genomic analysis for ranking the performance of the strains, and the top-performing ones were applied to in vitro tests for sub-screening. As a result, two candidates were selected, and their probiotic abilities were verified with three reference strains. L. crispatus LG55-27 and L. gasseri TM13-16 presented outstanding ability to produce D-lactate and adhere to human vaginal epithelial cells. They also showed higher antimicrobial activity against Gardnerella vaginalis, Escherichia coli, Candida albicans, Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa than control ones. Their acid/bile-resistant ability suggested the potential of oral supplementation. Strain LG55-27 and TM13-16 also display improved effects on pH changes, and the production of inflammation cytokines in BV model rats. This study provided a probiotic dosage recommendation for vaginitis treatment by demonstrating an effective probiotic screening pipeline based on genome sequences, in vitro tests and in vivo BV model experiment.

Abstract The oral microbiota contains billions of microbial cells, which could contribute to diseases in a number of body sites. Challenged by eating, drinking and dental hygiene on a daily basis, the oral microbiota is regarded as highly dynamic. Here, we report significant human genomic associations with the oral metagenome from more than 1,915 individuals, for both the tongue dorsum and saliva. We identified five genetic loci associated with oral microbiota at study-wide significance ( p < 3.16 × 10 −11 ). Four of the five associations were well replicated in an independent cohort of 1,439 individuals: rs1196764 at APPL2 with Prevotella jejuni, Oribacterium uSGB 3339 and Solobacterium uSGB 315 ; rs3775944 at the serum uric acid transporter SLC2A9 with Oribacterium uSGB 1215, Oribacterium uSGB 489 and Lachnoanaerobaculum umeaense ; rs4911713 near OR11H1 with species F0422 uSGB 392; and rs36186689 at LOC105371703 with Eggerthia . Further analyses confirmed 84% (386/455 for tongue dorsum) and 85% (391/466 for saliva) of genetic-microbiota associations including 6 genome-wide significant associations mutually validated between the two niches. Human genetics accounted for at least 10% of oral microbiome compositions between individuals. Machine learning models showed that polygenetic risk score dominated over oral microbiome in predicting predisposing risk of dental diseases such as dental calculus and gingival bleeding. These findings indicate that human genetic differences are one explanation for a stable or recurrent oral microbiome in each individual.

ABSTRACT Fecal microbiota transplantation (FMT), which is thought to have the potential to correct dysbiosis of gut microbiota, has recently been used to treat inflammatory bowel disease (IBD). To elucidate the extent and principles of microbiota engraftment in IBD patients after FMT treatment, we conducted an interventional prospective cohort study. The cohort included two categories of patients: (1) patients with moderate to severe Crohn’s disease (CD) (Harvey-Bradshaw Index ≥ 7, n = 11, and (2) patients with ulcerative colitis (UC) (Montreal classification, S2 and S3, n = 4). All patients were treated with a single FMT (via mid-gut, from healthy donors) and follow-up visits were performed at baseline, 3 days, one week, and one month after FMT (missing time points included). At each follow-up time point, fecal samples of the participants were collected along with their clinical metadata. For comparative analysis, 10 fecal samples from 10 healthy people were included to represent the diversity level of normal gut microbiota. Additionally, the metagenomic data of 25 fecal samples from 5 individuals with metabolic syndrome who underwent autologous FMT treatment were downloaded from a previous published paper to represent natural microbiota shifts during FMT. All fecal samples underwent shotgun metagenomic sequencing. We found that 3 days after FMT, 11 out of 15 recipients were in remission (3 out of 4 UC recipients; 8 out of 11 CD recipients). Generally, bacterial colonization was observed to be lower in CD recipients than in UC recipients at both species and strain levels. Furthermore, across species, different strains displayed disease-specific displacement advantages under two-disease status. Finally, most post-FMT species (> 80%) could be properly predicted (AUC > 85%) using a random forest classification model, with the gut microbiota composition and clinical parameters of pre-FMT recipients acting as the most contributive factors for prediction accuracy.

Background

 Ulcerative colitis (UC) is a chronic immune-mediated disorder primarily characterized by gastrointestinal tract inflammation. Probiotics are an adjunct to traditional drug therapy for UC. In this study, Bifidobacterium adolescentis AF91-08b2A was isolated and screened, and the beneficial effect of B. adolescentis AF91-08b2A on mice colitis induced by sodium dextran sulfate (DSS) was evaluated. Our data show that B. adolescentis AF91-08b2A alleviates IBD symptoms by protecting against intestinal barrier damage and modulating the immune response. 

Methods

 Metagenome-wide association studies (MWAS) have implicated gut dysbiosis in the pathogenesis of IBD. The research analyzed the abundance of B. adolescentis in IBD patients and healthy cohorts, revealing a decreased presence in IBD groups. Genomic characterization of strain AF91-08b2A identified key genes associated with probiotic properties, including antibiotic resistance, virulence factors, and stress resistance, indicative of its potential as a safe and effective probiotic candidate. The study also highlighted the strain's metabolic capabilities, particularly in pathways related to energy production and carbohydrate metabolism, which may contribute to its therapeutic effects. The beneficial effects of B. adolescentis AF91-08b2A on inflammation were assessed through measurements of inflammation, cytokine levels, and tight junction protein expression in colitis mice. 

Results

 Results demonstrated that B. adolescentis AF91-08b2A treatment significantly improved disease activity index (DAI) scores, reduced weight loss, and mitigated colon tissue damage in DSS-induced colitis mice. Furthermore, B. adolescentis AF91-08b2A increased the number of goblet cells and modulated cytokine expression, decreasing pro-inflammatory factors such as IL-6, IL-1β, IL-17a, IFN-γand TNF-α while promoting anti-inflammatory IL-4, IL-10, and TGF-β1. The restoration of tight junction proteins ZO-1, occludin, and claudin-2 by AF91-08b2A suggested a protective role in maintaining intestinal epithelial barrier integrity. 

Conclusions

 This study demonstrates that B. adolescentis AF91-08b2A exhibits promise as a next-generation probiotic supplement for the management of IBD. Its ability to reduce inflammation and protect the intestinal epithelial barrier positions it as a potential therapeutic agent for alleviating IBD symptoms.

is one of the most abundant bacteria in the gut microbiota of healthy adults, highly regarded as a next-generation probiotic. However, the functions of

African swine fever virus (ASFV) is a large and complex double-stranded DNA virus that poses serious threats to the pig industry. It is well-accepted that the multigene family (MGF) proteins are extensively distributed in ASFVs and are generally classified into five families, including MGF-100, MGF-110, MGF-300, MGF-360 and MGF-505. Most MGF proteins, however, have not been well characterized and classified within each family. To bridge this gap, this study first classified the MGF proteins into 35 groups based on protein sequence homology. A web server for classifying the MGF proteins was then established and available for free at http://www.computationalbiology.cn/MGF/home.html. Results showed that the genetic diversity of the MGF groups varied widely, mainly due to the occurrence of indels. In addition, the MGF proteins were predicted to have large structural and functional diversity, and the MGF proteins of the same MGF family tended to have similar structure, location and function. Evolutionary analysis revealed the dynamic changes of the MGF proteins in the ASFV genomes, and more than half of MGF groups were presented in all ASFV genomes, which indicated the important role of MGF proteins in ASFVs. Overall, it is expected that the work would not only provide a detailed classification for MGF proteins, but also facilitate further research on MGF proteins.

ABSTRACT Lactobacillus acidophilus has been extensively applied in plentiful probiotic products and is mostly found in the gastrointestinal tract, vagina, and oral cavity of human and animal, and fermented foods. Although several studies have been performed to investigate the beneficial characteristics and genome function of L. acidophilus , comparative genomic analysis remains scarce. In this study, we collected 74 L. acidophilus genomes from our gut bacterial genome collection and the public database and conducted a comprehensive comparative genomic analysis. The analysis of average nucleotide identity (ANI), phylogenetic, gene distribution of COG and KEGG database, carbohydrates utilization, and secondary metabolites revealed the potential correlation of the genomic diversity and niches adaptation of L. acidophilus from different perspectives. In addition, the pan-genome of L. acidophilus was found to be open, with metabolism, information storage and processing genes mainly distributed in the core genome. Phage- and peptidase-associated genes were found in the genome of the specificity of animal-derived strains, which were related to adaptation of animal gut. SNP analysis showed the differences of the utilization of Vitamin B12 in cellular of L. acidophilus strains from animal gut and others. This work provides new insights for the genomic diversity analysis of Lactobacillus acidophilus and uncovers the ecological adaptation of the specific strains.