The development of the microbiome from infancy to childhood is dependent on a range of factors, with microbial–immune crosstalk during this time thought to be involved in the pathobiology of later life diseases1–9 such as persistent islet autoimmunity and type 1 diabetes10–12. However, to our knowledge, no studies have performed extensive characterization of the microbiome in early life in a large, multi-centre population. Here we analyse longitudinal stool samples from 903 children between 3 and 46 months of age by 16S rRNA gene sequencing (n = 12,005) and metagenomic sequencing (n = 10,867), as part of the The Environmental Determinants of Diabetes in the Young (TEDDY) study. We show that the developing gut microbiome undergoes three distinct phases of microbiome progression: a developmental phase (months 3–14), a transitional phase (months 15–30), and a stable phase (months 31–46). Receipt of breast milk, either exclusive or partial, was the most significant factor associated with the microbiome structure. Breastfeeding was associated with higher levels of Bifidobacterium species (B. breve and B. bifidum), and the cessation of breast milk resulted in faster maturation of the gut microbiome, as marked by the phylum Firmicutes. Birth mode was also significantly associated with the microbiome during the developmental phase, driven by higher levels of Bacteroides species (particularly B. fragilis) in infants delivered vaginally. Bacteroides was also associated with increased gut diversity and faster maturation, regardless of the birth mode. Environmental factors including geographical location and household exposures (such as siblings and furry pets) also represented important covariates. A nested case–control analysis revealed subtle associations between microbial taxonomy and the development of islet autoimmunity or type 1 diabetes. These data determine the structural and functional assembly of the microbiome in early life and provide a foundation for targeted mechanistic investigation into the consequences of microbial–immune crosstalk for long-term health. Metagenomic sequencing analysis of stool samples from 903 children as part of the TEDDY study shows that breastfeeding was the most important factor associated with microbiome structure, and the cessation of breast milk resulted in faster maturation of the gut microbiome.

Most studies describing the human gut microbiome in healthy and diseased states have emphasized the bacterial component, but the fungal microbiome (i.e., the mycobiome) is beginning to gain recognition as a fundamental part of our microbiome. To date, human gut mycobiome studies have primarily been disease centric or in small cohorts of healthy individuals. To contribute to existing knowledge of the human mycobiome, we investigated the gut mycobiome of the Human Microbiome Project (HMP) cohort by sequencing the Internal Transcribed Spacer 2 (ITS2) region as well as the 18S rRNA gene.Three hundred seventeen HMP stool samples were analyzed by ITS2 sequencing. Fecal fungal diversity was significantly lower in comparison to bacterial diversity. Yeast dominated the samples, comprising eight of the top 15 most abundant genera. Specifically, fungal communities were characterized by a high prevalence of Saccharomyces, Malassezia, and Candida, with S. cerevisiae, M. restricta, and C. albicans operational taxonomic units (OTUs) present in 96.8, 88.3, and 80.8% of samples, respectively. There was a high degree of inter- and intra-volunteer variability in fungal communities. However, S. cerevisiae, M. restricta, and C. albicans OTUs were found in 92.2, 78.3, and 63.6% of volunteers, respectively, in all samples donated over an approximately 1-year period. Metagenomic and 18S rRNA gene sequencing data agreed with ITS2 results; however, ITS2 sequencing provided greater resolution of the relatively low abundance mycobiome constituents.Compared to bacterial communities, the human gut mycobiome is low in diversity and dominated by yeast including Saccharomyces, Malassezia, and Candida. Both inter- and intra-volunteer variability in the HMP cohort were high, revealing that unlike bacterial communities, an individual's mycobiome is no more similar to itself over time than to another person's. Nonetheless, several fungal species persisted across a majority of samples, evidence that a core gut mycobiome may exist. ITS2 sequencing data provided greater resolution of the mycobiome membership compared to metagenomic and 18S rRNA gene sequencing data, suggesting that it is a more sensitive method for studying the mycobiome of stool samples.

Gut microbiota produce tryptophan metabolites (TMs) important to homeostasis. However, measuring TM levels in stool and determining their microbial sources can be difficult. Here, we measured TMs from the indole pathway in fecal samples from 21 healthy adults with the goal to: 1) determine fecal TM concentrations in healthy individuals; 2) link TM levels to bacterial abundance using 16S and whole genome shotgun (WGS) sequencing data; and 3) predict likely bacterial sources of TM production. Within our samples, we identified 151 genera (16S) and 592 bacterial species (WGS). Eight TMs were found in ≥17 fecal samples, including four in all persons. To our knowledge, we are the first to report fecal levels for indole-3-lactate, indole-3-propionate, and 3-indoleacrylate levels in healthy persons. Overall, indole, indole-3-acetate (IAA), and skatole accounted for 86% of the eight TMs measured. Significant correlations were found between seven TMs and 29 bacterial species. Predicted multiple TM sources support the notion of a complex network of TM production and regulation. Further, the data suggest key roles for Collinsella aerofaciens and IAA, a metabolite reported to maintain intestinal homeostasis through enhanced barrier integrity and anti-inflammatory/antioxidant activities. These findings extend our understanding of TMs and their relationship to the microbial species that act as effectors and/or regulators in the healthy intestine and may lead to novel strategies designed to manipulate tryptophan metabolism to prevent disease and/or restore health to the dysbiotic gut.

Abstract Every viral infection entails an evolving population of viral genomes. High-throughput sequencing technologies can be used to characterize such populations, but to date there are few published examples of such work. In addition, mixed sequencing data are sometimes used to infer properties of infecting genomes without discriminating between genome-derived reads and reads from the much more abundant, in the case of a typical active viral infection, transcripts. Here we apply capture probe-based short read high-throughput sequencing to nasal wash samples taken from a previously described group of adult hematopoietic cell transplant (HCT) recipients naturally infected with respiratory syncytial virus (RSV). We separately analyzed reads from genomes and transcripts for the levels and distribution of genetic variation by calculating per position Shannon entropies. Our analysis reveals a low level of genetic variation within the RSV infections analyzed here, but with interesting differences between genomes and transcripts in 1) average per sample Shannon entropies; 2) the genomic distribution of variation ‘hotspots’; and 3) the genomic distribution of hotspots encoding alternative amino acids. In all, our results suggest the importance of separately analyzing reads from genomes and transcripts when interpreting high-throughput sequencing data for insight into intra-host viral genome replication, expression, and evolution.

Abstract Background Cryptosporidium parvum is an apicomplexan parasite commonly found across many host species with a global infection prevalence in human populations of 7.6%. As such, it is important to understand the diversity and genomic makeup of this prevalent parasite to fight established infections and prohibit further transmission. The basis of every genomic study is a high quality reference genome that has continuity and completeness, thus enabling comprehensive comparative studies. Findings Here, we provide a highly accurate and complete reference genome of Cryptosporidium parvum . The assembly is based on Oxford Nanopore reads and was improved using Illumina reads for error correction. We also outline how to evaluate and choose from different assembly methods based on two main approaches that can be applied to other Cryptosporidium species. The assembly encompasses 8 chromosomes and includes 13 telomeres that were resolved. Overall, the assembly shows a high completion rate with 98.4% single copy BUSCO genes. Conclusions This high quality reference genome of a zoonotic IIaA17G2R1 C. parvum subtype isolate provides the basis for subsequent comparative genomic studies across the Cryptosporidium clade. This will enable improved understanding of diversity, functional and association studies.

ABSTRACT Background Human noroviruses are a leading cause of acute and sporadic gastroenteritis worldwide. The evolution of human noroviruses in immunocompromised persons has been evaluated in many studies. Much less is known about the evolutionary dynamics of human norovirus in healthy adults. Methods We used sequential samples collected from a controlled human infection study with GI.1/Norwalk/US/68 virus to evaluate intra- and inter-host evolution of a human norovirus in healthy adults. Up to 12 samples from day 1 to day 56 post-challenge were sequenced using a norovirus-specific capture probe method. Results Complete genomes were assembled, even in samples that were below the limit of detection of standard RT-qPCR assays, up to 28 days post-challenge. Analysis of 123 complete genomes showed changes in the GI.1 genome in all persons, but there were no conserved changes across all persons. Single nucleotide variants resulting in non-synonymous amino acid changes were observed in all proteins, with the capsid VP1 and nonstructural protein NS3 having the largest numbers of changes. Conclusions These data highlight the potential of a new capture-based sequencing approach to assemble human norovirus genomes with high sensitivity and demonstrate limited conserved immune pressure-driven evolution of GI.1 virus in healthy adults.

Abstract We describe the epidemiology and clinical characteristics of 29 patients with cancer and diarrhea in whom Enteroaggregative Escherichia coli (EAEC) was initially identified by GI BioFire panel multiplex. E. coli strains were successfully isolated from fecal cultures in 14 of 29 patients. Six of the 14 strains were identified as EAEC and 8 belonged to other diverse E. coli groups of unknown pathogenesis. We investigated these strains by their adherence to human intestinal organoids, cytotoxic responses, antibiotic resistance profile, full sequencing of their genomes, and annotation of their functional virulome. Interestingly, we discovered novel and enhanced adherence and aggregative patterns for several diarrheagenic pathotypes that were not previously seen when co-cultured with immortalized cell lines. EAEC isolates displayed exceptional adherence and aggregation to human colonoids compared not only to diverse GI E. coli , but also compared to prototype strains of other diarrheagenic E. coli . Some of the diverse E. coli strains that could not be classified as a conventional pathotype also showed an enhanced aggregative and cytotoxic response. Notably, we found a high carriage rate of antibiotic resistance genes in both EAEC strains and diverse GI E. coli isolates and observed a positive correlation between adherence to colonoids and the number of metal acquisition genes carried in both EAEC and the diverse E. coli strains. This work indicates that E. coli from cancer patients constitute strains of remarkable pathotypic and genomic divergence, including strains of unknown disease etiology with unique virulomes. Future studies will allow for the opportunity to re-define E. coli pathotypes with greater diagnostic accuracy and into more clinically relevant groupings.