Increasing evidence links the gut microbiota with colorectal cancer. Metagenomic analyses indicate that symbiotic Fusobacterium spp. are associated with human colorectal carcinoma, but whether this is an indirect or causal link remains unclear. We find that Fusobacterium spp. are enriched in human colonic adenomas relative to surrounding tissues and in stool samples from colorectal adenoma and carcinoma patients compared to healthy subjects. Additionally, in the Apc(Min/+) mouse model of intestinal tumorigenesis, Fusobacterium nucleatum increases tumor multiplicity and selectively recruits tumor-infiltrating myeloid cells, which can promote tumor progression. Tumors from Apc(Min/+) mice exposed to F. nucleatum exhibit a proinflammatory expression signature that is shared with human fusobacteria-positive colorectal carcinomas. However, unlike other bacteria linked to colorectal carcinoma, F. nucleatum does not exacerbate colitis, enteritis, or inflammation-associated intestinal carcinogenesis. Collectively, these data suggest that, through recruitment of tumor-infiltrating immune cells, fusobacteria generate a proinflammatory microenvironment that is conducive for colorectal neoplasia progression.

Patients taking oral iron supplementation often suffer from gastrointestinal side effects. We have previously shown that acute alterations in oral iron exacerbate dextran sodium sulphate (DSS) induced colitis and are associated with dysbiosis. As patients take iron supplementation for long periods, we asked whether this too would influence colitis and the microbiome. We assessed the impact of long-term changes in dietary iron, by feeding chow containing 100ppm, 200ppm and 400ppm (reflecting a deficient, normal or supplemented diet, respectively) for up to 9 weeks to female wild-type C57BL/6 (WT) mice in presence or absence of chronic colitis, or acute colitis induced after 8 weeks, induced by DSS. Assessment was made based on (i) clinical and histological severity of colitis, and (ii) faecal microbial diversity, as assessed by sequencing the V4 region of 16S rRNA. In mice with long term changes to their dietary iron, reduced iron intake (100ppm iron diet) was associated with increased weight loss and histology scoring in the acute colitis model. Chronic colitis was not influenced by altering dietary iron however there was a clear change in the faecal microbiome in the 100 and 400ppm iron DSS-treated groups and in controls consuming the 400ppm iron diet. Proteobacteria levels increased significantly at day-63 compared to baseline and Bacteroidetes levels decreased in the 400ppm iron DSS group at day-63 compared to baseline; mirroring our previously published work in acute colitis. Long term dietary iron alterations clearly affects gut microbiota signatures but do not appear to exacerbate chronic colitis. However, acute colitis is exacerbated by changes in dietary iron. More work is needed to understand the impact of iron supplementation of the pathologenesis of IBD and rise that possiblity that the change in the microbiome, in patients with colitis, is a consequence of the increase in luminal iron and not simply the presence of colitis.

To accurately define the role of the gut microbiota in health and disease pathogenesis, the preservation of stool sample integrity, in terms of microbial community composition and metabolic function, is critical. This presents a challenge for any studies which rely on participants self-collecting and returning stool samples as this introduces variability and uncertainty of sample storage/handling. Here, we tested the performance of three stool sample collection/preservation buffers when storing human stool samples at different temperatures (room temperature [20 °C], 4 °C and – 80 °C) for up to three days. We compared and quantified differences in 16S rRNA sequencing composition and short-chain fatty acid profiles compared against immediately snap-frozen stool. We found that the choice of preservation buffer had the largest effect on the resulting microbial community and metabolomic profiles. Collectively analysis confirmed that PSP and RNAlater buffered samples most closely recapitulated the microbial diversity profile of the original (immediately – 80 °C frozen) sample and should be prioritised for human stool microbiome studies.

Inflammatory bowel disease (IBD) is associated with anaemia and oral iron replacement to correct this can be problematic, intensifying inflammation and tissue damage. The intestinal microbiota also plays a key role in the pathogenesis of IBD, and iron supplementation likely influences gut bacterial diversity in patients with IBD. Here, we assessed the impact of dietary iron, using chow diets containing either 100, 200 or 400 ppm, fed ad libitum to adult female C57BL/6 mice in the presence or absence of colitis induced using dextran sulfate sodium (DSS), on (i) clinical and histological severity of acute DSS-induced colitis, and (ii) faecal microbial diversity, as assessed by sequencing the V4 region of 16S rRNA. Increasing or decreasing dietary iron concentration from the standard 200 ppm exacerbated both clinical and histological severity of DSS-induced colitis. DSS-treated mice provided only half the standard levels of iron ad libitum (i.e. chow containing 100 ppm iron) lost more body weight than those receiving double the amount of standard iron (i.e. 400 ppm); p<0.01. Faecal calprotectin levels were significantly increased in the presence of colitis in those consuming 100 ppm iron at day 8 (5.94-fold) versus day-10 group (4.14-fold) (p<0.05), and for the 400 ppm day-8 group (8.17-fold) versus day-10 group (4.44-fold) (p<0.001). In the presence of colitis, dietary iron at 400 ppm resulted in a significant reduction in faecal abundance of Firmicutes and Bacteroidetes, and increase of Proteobacteria, changes which were not observed with lower dietary intake of iron at 100 ppm. Overall, altering dietary iron intake exacerbated DSS-induced colitis; increasing the iron content of the diet also led to changes in intestinal bacteria diversity and composition after colitis was induced with DSS.

Abstract Primary sclerosing cholangitis (PSC) is a chronic progressing cholestatic disease that often co-occurs with inflammatory bowel disease (PSC-IBD). PSC-IBD affecting the colon (PSC-UC) is likened clinically to ulcerative colitis (UC), however differences include a right colon dominance, less severe inflammatory presentation and a greater lifetime risk of colorectal cancer. To understand the basis of clinical differences, we combine single-cell mRNA and antigen receptor sequencing, 16S ribosomal DNA analysis and spatial transcriptomics on biopsies from multiple colon regions of both PSC-UC and UC patients in remission or at the time of relapse. We discover disease-specific cell and microbial profiles between these cohorts, highlighting a distinct landscape in the right colon of PSC-UC patients and an epithelial-endothelial cell state that may contribute to intestinal permeability in UC. We show the expansion of an activated mast cell state in both diseases during flare, and demonstrate the requirement of TMEM176B in sustaining this activated state. Together this work demonstrates that PSC-UC and UC are distinct diseases with common cell mechanisms during inflammation, providing cellular and microbial insights to improve treatment of both patient cohorts.

The short chain fatty acid propionic acid (PA) is a bacteria-derived human intestinal antimicrobial and immune modulator used widely in Western food production and agriculture. Here we examine the effect of PA on the pathogenicity of the Crohns disease-associated microbe, adherent-invasive Escherichia coli (AIEC). Passage of AIEC through a murine model, where the low intestinal PA levels were increased to replicate those of the human intestine, led to the recovery of AIEC post-infection that had significantly increased virulence. These phenotypic changes, including increased adhesion to intestinal epithelial cells and biofilm formation, could be replicated in AIEC in vitro through exposure to PA alone. This in vitro exposure of AIEC to PA fundamentally changed AIEC virulence, with strains exposed to PA in vitro subsequently persisting at 20-fold higher levels in a murine model compared to non-exposed strains. RNA-sequencing identified the transcriptional changes in AIEC in response to PA with upregulation of genes involved in biofilm formation, stress responses, metabolism, membrane integrity and alternative carbon source utilisation. These PA induced changes in virulence could be replicated in a number of E. coli isolates from Crohns disease patients. Finally, removal of the PA selective pressure was sufficient to reverse these phenotypic changes. Our data indicate that exposure of AIEC to PA evolves bacteria that are both resistant to this natural human intestinal antimicrobial and increasingly virulent in its presence.