Andre Franke and colleagues perform a genome-wide association study for the gut microbiome, examining the influence of host genetics on overall microbial variation and individual taxa. They find significant associations at the VDR (vitamin D receptor) locus and observe correlations between microbiota and metabolites of VDR, including bile acids. Human gut microbiota is an important determinant for health and disease, and recent studies emphasize the numerous factors shaping its diversity. Here we performed a genome-wide association study (GWAS) of the gut microbiota using two cohorts from northern Germany totaling 1,812 individuals. Comprehensively controlling for diet and non-genetic parameters, we identify genome-wide significant associations for overall microbial variation and individual taxa at multiple genetic loci, including the VDR gene (encoding vitamin D receptor). We observe significant shifts in the microbiota of Vdr−/− mice relative to control mice and correlations between the microbiota and serum measurements of selected bile and fatty acids in humans, including known ligands and downstream metabolites of VDR. Genome-wide significant (P < 5 × 10−8) associations at multiple additional loci identify other important points of host–microbe intersection, notably several disease susceptibility genes and sterol metabolism pathway components. Non-genetic and genetic factors each account for approximately 10% of the variation in gut microbiota, whereby individual effects are relatively small.

The FUT2 ( Secretor ) gene is responsible for the presence of ABO histo-blood group antigens on the gastrointestinal mucosa and in bodily secretions. Individuals lacking a functional copy of FUT2 are known as “nonsecretors” and display an array of differences in susceptibility to infection and disease, including Crohn disease. To determine whether variation in resident microbial communities with respect to FUT2 genotype is a potential factor contributing to susceptibility, we performed 454-based community profiling of the intestinal microbiota in a panel of healthy subjects and Crohn disease patients and determined their genotype for the primary nonsecretor allele in Caucasian populations, W143X (G428A). Consistent with previous studies, we observe significant deviations in the microbial communities of individuals with Crohn disease. Furthermore, the FUT2 genotype explains substantial differences in community composition, diversity, and structure, and we identified several bacterial species displaying disease-by-genotype associations. These findings indicate that alterations in resident microbial communities may in part explain the variety of host susceptibilities surrounding nonsecretor status and that FUT2 is an important genetic factor influencing host–microbial diversity.

Abstract Patients with Crohn’s disease (CD) exhibit great heterogeneity in disease presentation and treatment responses, where distinct gut microbiota-host interplays may play part in the yet unresolved disease etiology. We here characterized absolute and relative single and multi-coating of gut bacteria with immunoglobulin (Ig)A, IgG1, IgG2, IgG3 and IgG4 in CD patients and healthy controls. Patients with severe disease exhibited distinctly higher gut bacterial IgG2-coating. IgG2-coated bacteria included both known pathogenic and non-pathogenic bacteria that co-existed in communities with two non-coated gut pathobionts Campylobacter and Mannheimia . These latter two exhibited low prevalence, rarely coincided, and were strongly enriched during disease flares in CD patients across independent and geographically distant cohorts. Since antibody-coating of gut pathobionts diminishes epithelial invasion and inflammatory processes, escape from coating by specific gut pathobionts may be a mechanism related to disease flares in the subgroup of CD patients with severe disease.

Background: The interplay between hosts and their associated microbiome is now recognized as a fundamental basis of the ecology, evolution and development of both players. These interdependencies inspired a new view of multicellular organisms as "metaorganisms". The goal of the Collaborative Research Center "Origin and Function of Metaorganisms" is to understand why and how microbial communities form long-term associations with hosts from diverse taxonomic groups, ranging from sponges to humans in addition to plants. Methods: In order to optimize the choice of analysis procedures, which may differ according to the host organism and question at hand, we systematically compared the two main technical approaches for profiling microbial communities, 16S rRNA gene amplicon- and metagenomic shotgun sequencing across our panel of ten host taxa. This includes two commonly used 16S rRNA gene regions and two amplification procedures, thus totaling five different microbial profiles per host sample. Conclusion: While 16S rRNA gene-based analyses are subject to much skepticism, we demonstrate that many aspects of bacterial community characterization are consistent across methods and that metagenomic shotgun results are largely dependent on the employed pipeline. The resulting insight facilitates the selection of appropriate methods across a wide range of host taxa. Finally, by contrasting taxonomic and functional profiles and performing phylogenetic analysis, we provide important and novel insight into broad evolutionary patterns among metaorganisms, whereby the transition of animals from an aquatic to a terrestrial habitat marks a major event in the evolution of host-associated microbial composition.