To understand the impact of gut microbes on human health and well-being it is crucial to assess their genetic potential. Here we describe the Illumina-based metagenomic sequencing, assembly and characterization of 3.3 million non-redundant microbial genes, derived from 576.7 gigabases of sequence, from faecal samples of 124 European individuals. The gene set, ∼150 times larger than the human gene complement, contains an overwhelming majority of the prevalent (more frequent) microbial genes of the cohort and probably includes a large proportion of the prevalent human intestinal microbial genes. The genes are largely shared among individuals of the cohort. Over 99% of the genes are bacterial, indicating that the entire cohort harbours between 1,000 and 1,150 prevalent bacterial species and each individual at least 160 such species, which are also largely shared. We define and describe the minimal gut metagenome and the minimal gut bacterial genome in terms of functions present in all individuals and most bacteria, respectively. The human body plays host to an estimated 100 trillion microbial cells, most of them in the gut where they have a profound influence on human physiology and nutrition — and are now regarded as crucial for human life. Gut microbes contribute to the energy harvest from food, and changes of gut microbiome may be associated with bowel diseases or obesity. Now the international MetaHIT (Metagenomics of the Human Intestinal Tract) project has published a gene catalogue of the human gut microbiome derived from 124 healthy, overweight and obese human adults, as well as inflammatory disease patients, from Denmark and Spain. The resulting data provide the first insights into this gene set — which is over 150 times larger than the human gene complement — and show that the genes are largely shared among individuals. Based on the variety of functions encoded by the gene set, it is possible to define both a minimal gut metagenome and a minimal gut bacterial genome. Deep metagenomic sequencing and characterization of the human gut microbiome from healthy and obese individuals, as well as those suffering from inflammatory bowel disease, provide the first insights into this gene set and how much of it is shared among individuals. The minimal gut metagenome as well as the minimal gut bacterial genome is also described.

Our knowledge of species and functional composition of the human gut microbiome is rapidly increasing, but it is still based on very few cohorts and little is known about variation across the world. By combining 22 newly sequenced faecal metagenomes of individuals from four countries with previously published data sets, here we identify three robust clusters (referred to as enterotypes hereafter) that are not nation or continent specific. We also confirmed the enterotypes in two published, larger cohorts, indicating that intestinal microbiota variation is generally stratified, not continuous. This indicates further the existence of a limited number of well-balanced host-microbial symbiotic states that might respond differently to diet and drug intake. The enterotypes are mostly driven by species composition, but abundant molecular functions are not necessarily provided by abundant species, highlighting the importance of a functional analysis to understand microbial communities. Although individual host properties such as body mass index, age, or gender cannot explain the observed enterotypes, data-driven marker genes or functional modules can be identified for each of these host properties. For example, twelve genes significantly correlate with age and three functional modules with the body mass index, hinting at a diagnostic potential of microbial markers.

A decrease in the abundance and biodiversity of intestinal bacteria within the dominant phylum Firmicutes has been observed repeatedly in Crohn disease (CD) patients. In this study, we determined the composition of the mucosa-associated microbiota of CD patients at the time of surgical resection and 6 months later using FISH analysis. We found that a reduction of a major member of Firmicutes, Faecalibacterium prausnitzii , is associated with a higher risk of postoperative recurrence of ileal CD. A lower proportion of F. prausnitzii on resected ileal Crohn mucosa also was associated with endoscopic recurrence at 6 months. To evaluate the immunomodulatory properties of F. prausnitzii we analyzed the anti-inflammatory effects of F. prausnitzii in both in vitro (cellular models) and in vivo [2,4,6-trinitrobenzenesulphonic acid (TNBS)-induced] colitis in mice. In Caco-2 cells transfected with a reporter gene for NF-κB activity, F. prausnitzii had no effect on IL-1β-induced NF-κB activity, whereas the supernatant abolished it. In vitro peripheral blood mononuclear cell stimulation by F. prausnitzii led to significantly lower IL-12 and IFN-γ production levels and higher secretion of IL-10. Oral administration of either live F. prausnitzii or its supernatant markedly reduced the severity of TNBS colitis and tended to correct the dysbiosis associated with TNBS colitis, as demonstrated by real-time quantitative PCR (qPCR) analysis. F. prausnitzii exhibits anti-inflammatory effects on cellular and TNBS colitis models, partly due to secreted metabolites able to block NF-κB activation and IL-8 production. These results suggest that counterbalancing dysbiosis using F. prausnitzii as a probiotic is a promising strategy in CD treatment.

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.

The Microbiota Makes for Good Therapy The gut microbiota has been implicated in the development of some cancers, such as colorectal cancer, but—given the important role our intestinal habitants play in metabolism—they may also modulate the efficacy of certain cancer therapeutics. Iida et al. (p. 967 ) evaluated the impact of the microbiota on the efficacy of an immunotherapy [CpG (the cytosine, guanosine, phosphodiester link) oligonucleotides] and oxaliplatin, a platinum compound used as a chemotherapeutic. Both therapies were reduced in efficacy in tumor-bearing mice that lacked microbiota, with the microbiota important for activating the innate immune response against the tumors. Viaud et al. (p. 971 ) found a similar effect of the microbiota on tumor-bearing mice treated with cyclophosphamide, but in this case it appeared that the microbiota promoted an adaptive immune response against the tumors.

In humans, the intestinal microbiota plays an important role in the maintenance of host health by providing energy, nutrients, and immunological protection. Applying current molecular methods is necessary to surmount the limitations of classical culturing techniques in order to obtain an accurate description of the microbiota composition.Here we report on the comparative assessment of human fecal microbiota from three age-groups: infants, adults and the elderly. We demonstrate that the human intestinal microbiota undergoes maturation from birth to adulthood and is further altered with ageing. The counts of major bacterial groups Clostridium leptum, Clostridium coccoides, Bacteroidetes, Bifidobacterium, Lactobacillus and Escherichia coli were assessed by quantitative PCR (qPCR). By comparing species diversity profiles, we observed age-related changes in the human fecal microbiota. The microbiota of infants was generally characterized by low levels of total bacteria. C. leptum and C. coccoides species were highly represented in the microbiota of infants, while elderly subjects exhibited high levels of E. coli and Bacteroidetes. We observed that the ratio of Firmicutes to Bacteroidetes evolves during different life stages. For infants, adults and elderly individuals we measured ratios of 0.4, 10.9 and 0.6, respectively.In this work we have confirmed that qPCR is a powerful technique in studying the diverse and complex fecal microbiota. Our work demonstrates that the fecal microbiota composition evolves throughout life, from early childhood to old age.