SUMMARY Human gut bacteria perform diverse metabolic functions with consequences for host health. The prevalent and disease-linked Actinobacterium Eggerthella lenta performs several unusual chemical transformations, but it does not metabolize sugars and its core growth strategy remains unclear. To obtain a comprehensive view of the metabolic network of E. lenta , we generated several complementary resources: defined culture media, metabolomics profiles of strain isolates, and a curated genome-scale metabolic reconstruction. Stable isotope-resolved metabolomics revealed that E. lenta uses acetate as a key carbon source while catabolizing arginine to generate ATP, traits which could be recapitulated in silico by our updated metabolic model. We compared these in vitro findings with metabolite shifts observed in E. lenta- colonized gnotobiotic mice, identifying shared signatures across environments and highlighting catabolism of the host signaling metabolite agmatine as an alternative energy pathway. Together, our results elucidate a distinctive metabolic niche filled by E. lenta in the gut ecosystem.

SUMMARY Drug efflux transporters are a major determinant of drug efficacy and toxicity. A canonical example is P-glycoprotein (P-gp), an efflux transporter that controls the intestinal absorption of diverse compounds. Despite reports that P-gp expression depends on the microbiome, the mechanisms responsible and their physiological relevance remain unclear. Surprisingly, we found that the cardiac drug-metabolizing gut Actinobacterium Eggerthella lenta increases drug absorption in mice through post-translational inhibition of P-gp ATPase efflux activity. P-gp inhibition is conserved in the Eggerthellaceae family but absent in other Actinobacteria. Comparative genomics identified genes associated with P-gp inhibition. Finally, activity-guided biochemical fractionation coupled to metabolomics identified a cluster of isoflavonoids produced by E. lenta related to plant-derived P-gp inhibitors. These results highlight the unexpected overlap between diet- and microbiome-derived compounds, and the importance of considering the broader relevance of the gut microbiome for drug disposition beyond first-pass metabolism. One Sentence Summary The gut bacterium Eggerthella lenta secretes inhibitors of P-glycoprotein ATPase activity, accelerating drug absorption.

Building models of organismal growth enables predictions of natural variability and responses to perturbations. Complex systems such as animal pattern development and bacterial colonies can be modeled numerically using a reaction-diffusion system with relatively few factors and yield qualitatively accurate results, allowing exploration of different equilibrium and non-equilibrium solutions. Here, a discrete numerical reaction diffusion system is used to qualitatively reproduce both common animal patterns and Ben-Jacob bacterial growth.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Diet can protect from autoimmune disease; however, whether diet acts via the host and/or microbiome remains unclear. Here, we use a ketogenic diet (KD) as a model to dissect these complex interactions. A KD rescued the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) mouse model of multiple sclerosis in a microbiota-dependent fashion. Dietary supplementation with a single KD-dependent host metabolite (β-hydroxybutyrate, βHB) rescued EAE whereas transgenic mice unable to produce βHB in the intestine developed more severe disease. Transplantation of the βHB-shaped gut microbiota was protective.

Abstract Dose-limiting toxicities remain a major barrier to drug development and therapy, revealing the limited predictive power of human genetics. Herein, we demonstrate the utility of a more comprehensive approach to studying drug toxicity through longitudinal study of the human gut microbiome during colorectal cancer (CRC) treatment ( NCT04054908 ) coupled to cell culture and mouse experiments. 16S rRNA gene and metagenomic sequencing revealed significant shifts in gut microbial community structure during treatment with oral fluoropyrimidines, which was validated in an independent cohort. Gene abundance was also markedly changed by oral fluoropyrimidines, including an enrichment for the preTA operon, which is sufficient for the inactivation of active metabolite 5-fluorouracil (5-FU). Higher levels of preTA led to increased 5-FU depletion by the gut microbiota grown ex vivo . Germ-free and antibiotic-treated mice had increased fluoropyrimidine toxicity, which was rescued by colonization with the mouse gut microbiota, preTA + E. coli , or CRC patient stool with high preTA levels. preTA abundance was negatively associated with patient toxicities. Together, these data support a causal, clinically relevant interaction between a human gut bacterial operon and the dose-limiting side effects of cancer treatment. Our approach is generalizable to other drugs, including cancer immunotherapies, and provides valuable insights into host-microbiome interactions in the context of disease. One Sentence Summary Gut microbial enzymes can be used to predict and prevent anticancer drug toxicity.

Abstract Purpose Radioligand therapy (RLT) is relatively unexplored in metastatic castration resistant prostate cancer (mCRPC), with much of the focus having been on bone seeking radionuclides and PSMA-directed RLT. Herein, we evaluated if CUB domain containing protein 1 (CDCP1) can be exploited to treat mCRPC with RLT, particularly for subsets like small cell neuroendocrine prostate cancer (SCNC) that would not be expected to respond to current options. Experimental Design CDCP1 mRNA levels were evaluated in the RNA-seq data from 119 recent mCRPC biopsies. Protein expression was assessed in twelve SCNC and adenocarcinoma patient derived xenografts. Saturation binding assays were performed with 4A06, a recombinant human antibody that targets the CDCP1 ectodomain. The feasibility of imaging and treating mCRPC in vivo was tested with 89 Zr-4A06 and 177 Lu-4A06. Results CDCP1 mRNA expression was observed in over 90% of mCRPC biopsies, including SCNC and in adenocarcinoma with low FOLH1 (PSMA) levels. A modest anticorrelation was observed between CDCP1 and PTEN . Overall survival was not significantly different based on CDCP1 mRNA levels, regardless of PTEN status. Full length and/or cleaved CDCP1 was expressed in ten of twelve PDX samples. Bmax values of ~22,000 and ~6,200 fmol/mg were calculated for two human prostate cancer cell lines. Five prostate cancer models were readily detected in vivo with 89 Zr-4A06. 177 Lu-4A06 significantly suppressed the growth of DU145 tumors compared to control. Conclusions The antitumor data and the overexpression of CDCP1 reported herein provide the first evidence promoting CDCP1 directed RLT as a treatment strategy for mCRPC. Statement of Translational Relevance New targets for RLT are needed to address the subset of mCRPC that cannot be treated with bone seeking radionuclides or PSMA directed RLT. We report herein the first data credentialing CDCP1 as a target for mCRPC, in both adenocarcinoma and neuroendocrine subtypes. Combined with low expression in normal human tissues, these data provide a compelling scientific rationale for testing CDCP1 directed RLT clinically in mCRPC patients alone or in combination with other systemic therapies.