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.

Objective

 Individuals with obesity and type 2 diabetes differ from lean and healthy individuals in their abundance of certain gut microbial species and microbial gene richness. Abundance of Akkermansia muciniphila, a mucin-degrading bacterium, has been inversely associated with body fat mass and glucose intolerance in mice, but more evidence is needed in humans. The impact of diet and weight loss on this bacterial species is unknown. Our objective was to evaluate the association between faecal A. muciniphila abundance, faecal microbiome gene richness, diet, host characteristics, and their changes after calorie restriction (CR). 

Design

 The intervention consisted of a 6-week CR period followed by a 6-week weight stabilisation diet in overweight and obese adults (N=49, including 41 women). Faecal A. muciniphila abundance, faecal microbial gene richness, diet and bioclinical parameters were measured at baseline and after CR and weight stabilisation. 

Results

 At baseline A. muciniphila was inversely related to fasting glucose, waist-to-hip ratio and subcutaneous adipocyte diameter. Subjects with higher gene richness and A. muciniphila abundance exhibited the healthiest metabolic status, particularly in fasting plasma glucose, plasma triglycerides and body fat distribution. Individuals with higher baseline A. muciniphila displayed greater improvement in insulin sensitivity markers and other clinical parameters after CR. These participants also experienced a reduction in A. muciniphila abundance, but it remained significantly higher than in individuals with lower baseline abundance. A. muciniphila was associated with microbial species known to be related to health. 

Conclusions

 A. muciniphila is associated with a healthier metabolic status and better clinical outcomes after CR in overweight/obese adults. The interaction between gut microbiota ecology and A. muciniphila warrants further investigation. 

Trial registration number

 NCT01314690.

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.

Microbiome community typing analyses have recently identified the Bacteroides2 (Bact2) enterotype, an intestinal microbiota configuration that is associated with systemic inflammation and has a high prevalence in loose stools in humans1,2. Bact2 is characterized by a high proportion of Bacteroides, a low proportion of Faecalibacterium and low microbial cell densities1,2, and its prevalence varies from 13% in a general population cohort to as high as 78% in patients with inflammatory bowel disease2. Reported changes in stool consistency3 and inflammation status4 during the progression towards obesity and metabolic comorbidities led us to propose that these developments might similarly correlate with an increased prevalence of the potentially dysbiotic Bact2 enterotype. Here, by exploring obesity-associated microbiota alterations in the quantitative faecal metagenomes of the cross-sectional MetaCardis Body Mass Index Spectrum cohort (n = 888), we identify statin therapy as a key covariate of microbiome diversification. By focusing on a subcohort of participants that are not medicated with statins, we find that the prevalence of Bact2 correlates with body mass index, increasing from 3.90% in lean or overweight participants to 17.73% in obese participants. Systemic inflammation levels in Bact2-enterotyped individuals are higher than predicted on the basis of their obesity status, indicative of Bact2 as a dysbiotic microbiome constellation. We also observe that obesity-associated microbiota dysbiosis is negatively associated with statin treatment, resulting in a lower Bact2 prevalence of 5.88% in statin-medicated obese participants. This finding is validated in both the accompanying MetaCardis cardiovascular disease dataset (n = 282) and the independent Flemish Gut Flora Project population cohort (n = 2,345). The potential benefits of statins in this context will require further evaluation in a prospective clinical trial to ascertain whether the effect is reproducible in a randomized population and before considering their application as microbiota-modulating therapeutics. A cross-sectional analysis of participants in the MetaCardis Body Mass Index Spectrum cohort finds that the higher prevalence of gut microbiota dysbiosis in individuals with obesity is not observed in those who take statin drugs.