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.

Abstract Human gut microbiome is a promising target for managing type 2 diabetes (T2D). Measures altering gut microbiota like oral intake of probiotics or berberine (BBR), a bacteriostatic agent, merit metabolic homoeostasis. We hence conducted a randomized, double-blind, placebo-controlled trial with newly diagnosed T2D patients from 20 centres in China. Four-hundred-nine eligible participants were enroled, randomly assigned (1:1:1:1) and completed a 12-week treatment of either BBR-alone, probiotics+BBR, probiotics-alone, or placebo, after a one-week run-in of gentamycin pretreatment. The changes in glycated haemoglobin, as the primary outcome, in the probiotics+BBR (least-squares mean [95% CI], −1.04[−1.19, −0.89]%) and BBR-alone group (−0.99[−1.16, −0.83]%) were significantly greater than that in the placebo and probiotics-alone groups (−0.59[−0.75, −0.44]%, −0.53[−0.68, −0.37]%, P < 0.001). BBR treatment induced more gastrointestinal side effects. Further metagenomics and metabolomic studies found that the hypoglycaemic effect of BBR is mediated by the inhibition of DCA biotransformation by Ruminococcus bromii . Therefore, our study reports a human microbial related mechanism underlying the antidiabetic effect of BBR on T2D. (Clinicaltrial.gov Identifier: NCT02861261).

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 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.

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 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.

Motivation: Receptors on host cells play a critical role in viral infection. How phages select receptors is still unknown. Results: Here, we manually curated a high-quality database named phageReceptor, including 355 pairs of phage-host receptor interactions, 280 unique viral species or sub-species and 64 bacterial species. Sugars and proteins were most widely used by phages as receptors. The receptor usage of phages in Gram-positive bacteria was different from that in Gram-negative bacteria. Most protein receptors were located on the outer membrane. The protein receptors were highly diverse in their structures, and had little homology with mammalian virus receptors. Further functional characterization of phage protein receptors in Escherichia coli showed that they had larger node degrees and betweennesses in the protein-protein interaction (PPI) network, and higher expression levels, than other outer membrane proteins, plasma membrane proteins, or other intracellular proteins. These findings were consistent with what observed for mammalian virus receptors, suggesting that viral protein receptors play a central role in the host's PPI network. The study deepens our understanding of virus-host interactions. Availability: The database of phageReceptor is publicly accessible at http://www.computationalbiology.cn/viralRecepetor/index.html.

Abstract Exploiting a pure culture strategy to investigate the composition of human gut microbiota, two novel anaerobes, designated strains AF52-21 T and CM04-06 T , were isolated from faeces of two healthy Chinese donors and characterized using a polyphasic approach. The two strains were Gram-stain-negative, non-motile, and rod-shaped. Both strains grew optimally at 37°C and pH 7.0. Phylogenetic analysis based on 16S rRNA gene sequences revealed that the two strain clustered with species of the genus Faecalibacterium and were most closely related to Faecalibacterium prausnitzii ATCC 27768 T with sequence similarity of 97.18% and 96.87%, respectively. The two isolates shared a 16S rRNA gene sequence identity of 98.69%. Draft genome sequencing was performed for strains AF52-21 T and CM04-06 T , generating genome sizes of 2.85 Mbp and 3.01 Mbp. The calculated average nucleotide identity values between the genomes of the strains AF52-21 T and CM04-06 T compared to Faecalibacterium prausnitzii ATCC 27768 T were 83.20% and 82.54%, respectively, and 90.09% when comparing AF52-21 T and CM04-06 T . Both values were below the previously proposed species threshold (95%), supporting their recognition as novel species in the genus Faecalibacterium . The genomic DNA G+C contents of strain AF52-21 T and CM04-06 T calculated from genome sequences were 57.77 mol% and 57.51 mol%, respectively. Based on the phenotypic, chemotaxonomic and phylogenetic characteristics, we conclude that both strains represent two new Faecalibacterium species, for which the names Faecalibacterium butyricigenerans sp. nov. (type strain AF52-21 T = CGMCC 1.5206 T = DSM 103434 T ) and Faecalibacterium longum sp. nov. (type strain CM04-06 T = CGMCC 1.5208 T = DSM 103432 T ) are proposed.

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.