This is the first prospective study of the effects of human gut microbiota and metabolites on immune checkpoint inhibitor (ICT) response in metastatic melanoma patients. Whereas many melanoma patients exhibit profound response to ICT, there are fewer options for patients failing ICT-particularly with BRAF-wild-type disease. In preclinical studies, specific gut microbiota promotes regression of melanoma in mice. We therefore conducted a study of the effects of pretreatment gut microbiota and metabolites on ICT Response Evaluation Criteria in Solid Tumors response in 39 metastatic melanoma patients treated with ipilimumab, nivolumab, ipilimumab plus nivolumab (IN), or pembrolizumab (P). IN yielded 67% responses and 8% stable disease; P achieved 23% responses and 23% stable disease. ICT responders for all types of therapies were enriched for Bacteroides caccae. Among IN responders, the gut microbiome was enriched for Faecalibacterium prausnitzii, Bacteroides thetaiotamicron, and Holdemania filiformis. Among P responders, the microbiome was enriched for Dorea formicogenerans. Unbiased shotgun metabolomics revealed high levels of anacardic acid in ICT responders. Based on these pilot studies, both additional confirmatory clinical studies and preclinical testing of these bacterial species and metabolites are warranted to confirm their ICT enhancing activity.

Inflammatory diseases of the gastrointestinal tract are frequently associated with dysbiosis, characterized by changes in gut microbial communities that include an expansion of facultative anaerobic bacteria of the Enterobacteriaceae family (phylum Proteobacteria). Here we show that a dysbiotic expansion of Enterobacteriaceae during gut inflammation could be prevented by tungstate treatment, which selectively inhibited molybdenum-cofactor-dependent microbial respiratory pathways that are operational only during episodes of inflammation. By contrast, we found that tungstate treatment caused minimal changes in the microbiota composition under homeostatic conditions. Notably, tungstate-mediated microbiota editing reduced the severity of intestinal inflammation in mouse models of colitis. We conclude that precision editing of the microbiota composition by tungstate treatment ameliorates the adverse effects of dysbiosis in the inflamed gut.

Andrew Koh and colleagues report that gut anaerobes in adult mice prevent Candida albicans colonization by inducing an antimicrobial peptide. Candida albicans colonization is required for invasive disease1,2,3. Unlike humans, adult mice with mature intact gut microbiota are resistant to C. albicans gastrointestinal (GI) colonization2,4, but the factors that promote C. albicans colonization resistance are unknown. Here we demonstrate that commensal anaerobic bacteria—specifically clostridial Firmicutes (clusters IV and XIVa) and Bacteroidetes—are critical for maintaining C. albicans colonization resistance in mice. Using Bacteroides thetaiotamicron as a model organism, we find that hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α), a transcription factor important for activating innate immune effectors, and the antimicrobial peptide LL-37 (CRAMP in mice) are key determinants of C. albicans colonization resistance. Although antibiotic treatment enables C. albicans colonization, pharmacologic activation of colonic Hif1a induces CRAMP expression and results in a significant reduction of C. albicans GI colonization and a 50% decrease in mortality from invasive disease. In the setting of antibiotics, Hif1a and Camp (which encodes CRAMP) are required for B. thetaiotamicron–induced protection against C. albicans colonization of the gut. Thus, modulating C. albicans GI colonization by activation of gut mucosal immune effectors may represent a novel therapeutic approach for preventing invasive fungal disease in humans.

Candida albicans fungemia in cancer patients is thought to develop from initial gastrointestinal (GI) colonization with subsequent translocation into the bloodstream after administration of chemotherapy. It is unclear what components of the innate immune system are necessary for preventing C. albicans dissemination from the GI tract, but we have hypothesized that both neutropenia and GI mucosal damage are critical for allowing widespread invasive C. albicans disease. We investigated these parameters in a mouse model of C. albicans GI colonization that led to systemic spread after administration of immunosuppression and mucosal damage. After depleting resident GI intestinal flora with antibiotic treatment and achieving stable GI colonization levels of C. albicans, it was determined that systemic chemotherapy with cyclophosphamide led to 100% mortality, whereas selective neutrophil depletion, macrophage depletion, lymphopenia or GI mucosal disruption alone resulted in no mortality. Selective neutrophil depletion combined with GI mucosal disruption led to disseminated fungal infection and 100% mortality ensued. GI translocation and dissemination by C. albicans was also dependent on the organism's ability to transform from the yeast to the hyphal form. This mouse model of GI colonization and fungemia is useful for studying factors of innate host immunity needed to prevent invasive C. albicans disease as well as identifying virulence factors that are necessary for fungal GI colonization and dissemination. The model may also prove valuable for evaluating therapies to control C. albicans infections.

Abstract Bacteriophages and bacterial toxins are promising antibacterial agents to treat infections caused by multidrug resistant (MDR) bacteria. In fact, bacteriophages have recently been successfully used to treat life-threatening infections caused by MDR bacteria [1–3]. One potential problem with using these antibacterial agents is the evolution of resistance against them in the long term. Here, we studied the fitness landscape of the Escherichia coli TolC protein, an outer membrane protein that is exploited by a pore forming toxin called colicin E1 and by TLS-phage [4, 5]. By systematically assessing the distribution of fitness effects (DFEs) of ~9,000 single amino acid replacements in TolC using either positive (antibiotics and bile salts) or negative (colicin E1 and TLS-phage) selection pressures, we quantified evolvability of the TolC. We demonstrated that the TolC is highly optimized for the efflux of antibiotics and bile salts. In contrast, under colicin E1 and TLS phage selection, TolC sequence is very sensitive to mutation. Our findings suggest that TolC is a highly evolvable target limiting the potential clinical use of bacteriophages and bacterial toxins.

ABSTRACT Candida albicans is a pathobiont that colonizes multiple niches in the body including the gastrointestinal (GI) tract, but is also responsible for both mucosal and systemic infections. Despite its prevalence as a human commensal, the murine GI tract is generally refractory to colonization with the C. albicans reference isolate SC5314. Here, we identify two C. albicans isolates, 529L and CHN1, that stably colonize the murine GI tract in three different animal facilities under conditions where SC5314 is lost from this niche. Analysis of the bacterial microbiota did not show notable differences between mice colonized with the three C. albicans strains. We compared the genotypes and phenotypes of these three strains and identified thousands of SNPs and multiple phenotypic differences, including their ability to grow and filament in response to nutritional cues. Despite striking filamentation differences under laboratory conditions, however, analysis of cell morphology in the GI tract revealed that the three isolates exhibited similar filamentation properties in this in vivo niche. Notably, we found that SC5314 is more sensitive to the antimicrobial peptide CRAMP, and the use of CRAMP-deficient mice increased the ability of SC5314 to colonize the GI tract relative to CHN1 and 529L. These studies provide new insights into how strain-specific differences impact C. albicans traits in the host and advance CHN1 and 529L as relevant strains to study C. albicans pathobiology in its natural host niche. IMPORTANCE Understanding how fungi colonize the GI tract is increasingly recognized as highly relevant to human health. The animal models used to study Candida albicans commensalism commonly rely on altering the host microbiome (via antibiotic treatment or defined diets) to establish successful GI colonization by the C. albicans reference isolate SC5314. Here, we characterize two C. albicans isolates that can colonize the murine GI tract without antibiotic treatment and can therefore be used as tools for studying fungal commensalism. Importantly, experiments were replicated in three different animal facilities and utilized three different mouse strains. Differential colonization between fungal isolates was not associated with alterations in the bacterial microbiome but rather with distinct responses to CRAMP, a host antimicrobial peptide. This work emphasizes the importance of C. albicans intra-species variation as well as host anti-microbial defense mechanisms in defining commensal interactions.

Multiple host and microbial factors dictate whether Candida albicans can colonize the mammalian gastrointestinal tract. In this issue of Cell Host & Microbe, Savage et al. demonstrate that restoration of intestinal epithelial hypoxia is sufficient to restore Candida albicans colonization resistance, even when other Candida inhibitory effectors remain depleted.

Abstract Gut microbiota are critical for effective immune checkpoint blockade therapy (ICT) for cancer. The mechanisms by which gut microbiota augment extraintestinal anti-cancer immune responses, however, are largely unknown. Here, we find that ICT induces translocation of specific endogenous gut microbiota into secondary lymphoid organs and subcutaneous melanoma tumors. Mechanistically, gut microbiota activated dendritic cells (DCs) traffic a selective subset of gut bacteria to mesenteric lymph nodes (MLN) and promote optimal anti-tumor T-cell responses in both the tumor draining lymph nodes (TDLN) and the primary tumor. Antibiotic treatment resulted in decreased gut microbiota translocation into MLN and TDLN, diminished polyfunctional effector CD8+ T cell responses, and attenuated response to ICT. Our findings illuminate a key mechanism by which gut microbiota promote extraintestinal anti-cancer immunity. One sentence summary Following immune checkpoint blockade therapy, dendritic cells traffic gut microbiota into secondary lymphoid organs, promoting optimal extraintestinal anti-cancer immunity.

In microbiome research, metagenomic sequencing generates enormous amounts of data. These data are typically classified into taxa for taxonomy analysis, or into genes for functional analysis. However, a joint analysis where the reads are classified into taxa-specific genes is often overlooked. To enable the analysis of this biologically meaningful feature, we developed a novel bioinformatic toolkit, MetaPrism, which can analyze sequence reads for a set of joint taxa/gene analyses: 1) classify sequence reads and estimate the abundances for taxa-specific genes; 2) tabularize and visualize taxa-specific gene abundances; 3) compare the abundances between groups, and 4) build prediction models for clinical outcome. We illustrate these functions using a published microbiome metagenomics dataset from patients treated with immune checkpoint inhibitor therapy and showed the joint features can serve as potential biomarkers to predict therapeutic responses. MetaPrism is freely available at https://github.com/jiwoongbio/MetaPrism.

Single-cell proteomics provide unprecedented resolution to examine biological processes. Customized data analysis and facile data visualization are crucial for scientific discovery. Further, userfriendly data analysis and visualization software that is easily accessible for the general scientific community is essential.We have created a web server, IsoAnalytics , that gives users without computational or bioinformatics background the ability to directly analyze and interactively visualize data obtained from the Isoplexis single cell technology platform. We envision this open-sourced web server will increase research productivity and serve as a free, competitive alternative for single-cell proteomics research.Andrew.Koh@utsouthwestern.edu and Xiaowei.Zhan@utsouthwestern.edu.IsoAnalytics is free and available at: https://cdc.biohpc.swmed.edu/isoplexis/ and is implemented in Python, with all major browsers supported. Code for IsoAnalytics is free and available at: https://github.com/zhanxw/Isoplexis_Data_Analysis .Supplementary data are available at Bioinformatics online.