ABSTRACT Although Streptococcus mutans has been implicated as a major etiological agent of dental caries, our cross-sectional preliminary study indicated that 10% of subjects with rampant caries in permanent teeth do not have detectable levels of S. mutans . Our aims were to use molecular methods to detect all bacterial species associated with caries in primary and permanent teeth and to determine the bacterial profiles associated with different disease states. Plaque was collected from 39 healthy controls and from intact enamel and white-spot lesions, dentin lesions, and deep-dentin lesions in each of 51 subjects with severe caries. 16S rRNA genes were PCR amplified, cloned, and sequenced to determine species identities. In a reverse-capture checkerboard assay, 243 samples were analyzed for 110 prevalent bacterial species. A sequencing analysis of 1,285 16S rRNA clones detected 197 bacterial species/phylotypes, of which 50% were not cultivable. Twenty-two new phylotypes were identified. PROC MIXED tests revealed health- and disease-associated species. In subjects with S. mutans , additional species, e.g., species of the genera Atopobium , Propionibacterium , and Lactobacillus , were present at significantly higher levels than those of S. mutans . Lactobacillus spp., Bifidobacterium dentium , and low-pH non- S. mutans streptococci were predominant in subjects with no detectable S. mutans . Actinomyces spp. and non- S. mutans streptococci were predominant in white-spot lesions, while known acid producers were found at their highest levels later in disease. Bacterial profiles change with disease states and differ between primary and secondary dentitions. Bacterial species other than S. mutans , e.g., species of the genera Veillonella , Lactobacillus , Bifidobacterium , and Propionibacterium , low-pH non- S. mutans streptococci, Actinomyces spp., and Atopobium spp., likely play important roles in caries progression.

Abstract Periodontitis has a polymicrobial etiology within the framework of a complex microbial ecosystem. With advances in sequencing technologies, comprehensive studies to elucidate bacterial community differences have recently become possible. We used 454 sequencing of 16S rRNA genes to compare subgingival bacterial communities from 29 periodontally healthy controls and 29 subjects with chronic periodontitis. Amplicons from both the V1-2 and V4 regions of the 16S gene were sequenced, yielding 1 393 579 sequences. They were identified by BLAST against a curated oral 16S database, and mapped to 16 phyla, 106 genera, and 596 species. 81% of sequences could be mapped to cultivated species. Differences between health- and periodontitis-associated bacterial communities were observed at all phylogenetic levels, and UniFrac and principal coordinates analysis showed distinct community profiles in health and disease. Community diversity was higher in disease, and 123 species were identified that were significantly more abundant in disease, and 53 in health. Spirochaetes, Synergistetes and Bacteroidetes were more abundant in disease, whereas the Proteobacteria were found at higher levels in healthy controls. Within the phylum Firmicutes, the class Bacilli was health-associated, whereas the Clostridia, Negativicutes and Erysipelotrichia were associated with disease. These results implicate a number of taxa that will be targets for future research. Some, such as Filifactor alocis and many Spirochetes were represented by a large fraction of sequences as compared with previously identified targets. Elucidation of these differences in community composition provides a basis for further understanding the pathogenesis of periodontitis.

ABSTRACT Although substantial epidemiologic evidence links Streptococcus mutans to caries, the pathobiology of caries may involve more complex communities of bacterial species. Molecular methods for bacterial identification and enumeration now make it possible to more precisely study the microbiota associated with dental caries. The purpose of this study was to compare the bacteria found in early childhood caries (ECC) to those found in caries-free children by using molecular identification methods. Cloning and sequencing of bacterial 16S ribosomal DNAs from a healthy subject and a subject with ECC were used for identification of novel species or uncultivated phylotypes and species not previously associated with dental caries. Ten novel phylotypes were identified. A number of species or phylotypes that may play a role in health or disease were identified and warrant further investigation. In addition, quantitative measurements for 23 previously known bacterial species or species groups were obtained by a reverse capture checkerboard assay for 30 subjects with caries and 30 healthy controls. Significant differences were observed for nine species: S . sanguinis was associated with health and, in order of decreasing cell numbers, Actinomyces gerencseriae , Bifidobacterium , S . mutans , Veillonella , S . salivarius , S . constellatus , S . parasanguinis , and Lactobacillus fermentum were associated with caries. These data suggest that A . gerencseriae and other Actinomyces species may play an important role in caries initiation and that a novel Bifidobacterium may be a major pathogen in deep caries. Further investigation could lead to the identification of targets for biological interventions in the caries process and thereby contribute to improved prevention of and treatment for this significant public health problem.

Recent investigations of the human subgingival oral flora based on ribosomal 16S cloning and sequencing have shown many of the bacterial species present to be novel species or phylotypes. The purpose of the present investigation was to identify potential periodontal pathogens among these newly identified species and phylotypes. Species-specific ribosomal 16S primers for PCR amplification were developed for detection of new species. Associations with chronic periodontitis were observed for several new species or phylotypes, including uncultivated clones D084 and BH017 from the Deferribacteres phylum, AU126 from the Bacteroidetes phylum, Megasphaera clone BB166, clone X112 from the OP11 phylum, and clone I025 from the TM7 phylum, and the named species Eubacterium saphenum, Porphyromonas endodontalis, Prevotella denticola, and Cryptobacterium curtum. Species or phylotypes more prevalent in periodontal health included two uncultivated phylotypes, clone W090 from the Deferribacteres phylum and clone BU063 from the Bacteroidetes, and named species Atopobium rimae and Atopobium parvulum.

ABSTRACT Most studies of the bacterial etiology of periodontitis have used either culture-based or targeted DNA approaches, and so it is likely that pathogens remain undiscovered. The purpose of this study was to use culture-independent, quantitative analysis of biofilms associated with chronic periodontitis and periodontal health to identify pathogens and beneficial species. Samples from subjects with periodontitis and controls were analyzed using ribosomal 16S cloning and sequencing. Several genera, many of them uncultivated, were associated with periodontitis, the most numerous of which were gram positive, including Peptostreptococcus and Filifactor . The genera Megasphaera and Desulfobulbus were elevated in periodontitis, and the levels of several species or phylotypes of Campylobacter , Selenomonas , Deferribacteres , Dialister , Catonella , Tannerella , Streptococcus , Atopobium , Eubacterium , and Treponema were elevated in disease. Streptococcus and Veillonella spp. were found in high numbers in all samples and accounted for a significantly greater fraction of the microbial community in healthy subjects than in those with periodontitis. The microbial profile of periodontal health also included the less-abundant genera Campylobacter , Abiotrophia , Gemella , Capnocytophaga , and Neisseria . These newly identified candidates outnumbered Porphyromonas gingivalis and other species previously implicated as periodontopathogens, and it is not clear if newly identified and more numerous species may play a more important role in pathogenesis. Finally, more differences were found in the bacterial profile between subjects with periodontitis and healthy subjects than between deep and shallow sites within the same subject. This suggests that chronic periodontitis is the result of a global perturbation of the oral bacterial ecology rather than a disease-site specific microbial shift.

Dental caries in very young children may be severe, result in serious infection, and require general anesthesia for treatment. Dental caries results from a shift within the biofilm community specific to the tooth surface, and acidogenic species are responsible for caries. Streptococcus mutans, the most common acid producer in caries, is not always present and occurs as part of a complex microbial community. Understanding the degree to which multiple acidogenic species provide functional redundancy and resilience to caries-associated communities will be important for developing biologic interventions. In addition, microbial community interactions in health and caries pathogenesis are not well understood. The purpose of this study was to investigate bacterial community profiles associated with the onset of caries in the primary dentition. In a combination cross-sectional and longitudinal design, bacterial community profiles at progressive stages of caries and over time were examined and compared to those of health. 16S rRNA gene sequencing was used for bacterial community analysis. Streptococcus mutans was the dominant species in many, but not all, subjects with caries. Elevated levels of S. salivarius, S. sobrinus, and S. parasanguinis were also associated with caries, especially in subjects with no or low levels of S. mutans, suggesting these species are alternative pathogens, and that multiple species may need to be targeted for interventions. Veillonella, which metabolizes lactate, was associated with caries and was highly correlated with total acid producing species. Among children without previous history of caries, Veillonella, but not S. mutans or other acid-producing species, predicted future caries. Bacterial community diversity was reduced in caries as compared to health, as many species appeared to occur at lower levels or be lost as caries advanced, including the Streptococcus mitis group, Neisseria, and Streptococcus sanguinis. This may have implications for bacterial community resilience and the restoration of oral health.

ABSTRACT Previous studies have confirmed the association of the acid producers Streptococcus mutans and Lactobacillus spp. with childhood caries, but they also suggested these microorganisms are not sufficient to explain all cases of caries. In addition, health-associated bacterial community profiles are not well understood, including the importance of base production and acid catabolism in pH homeostasis. The bacterial community composition in health and in severe caries of the young permanent dentition was compared using Sanger sequencing of the ribosomal 16S rRNA genes. Lactobacillus species were dominant in severe caries, and levels rose significantly as caries progressed from initial to deep lesions. S. mutans was often observed at high levels in the early stages of caries but also in some healthy subjects and was not statistically significantly associated with caries progression in the overall model. Lactobacillus or S. mutans was found either at low levels or not present in several samples. Other potential acid producers observed at high levels in these subjects included strains of Selenomonas , Neisseria , and Streptococcus mitis. Propionibacterium FMA5 was significantly associated with caries progression but was not found at high levels. An overall loss of community diversity occurred as caries progressed, and species that significantly decreased included the Streptococcus mitis - S. pneumoniae-S. infantis group, Corynebacterium matruchotii , Streptococcus gordonii , Streptococcus cristatus , Capnocytophaga gingivalis , Eubacterium IR009, Campylobacter rectus , and Lachnospiraceae sp. C1. The relationship of acid-base metabolism to 16S rRNA gene-based species assignments appears to be complex, and metagenomic approaches that would allow functional profiling of entire genomes will be helpful in elucidating the microbial pathogenesis of caries.

The role of bacteria in the etiology of dental caries is long established, while the role of fungi has only recently gained more attention. The microbial invasion of dentin in advanced caries especially merits additional research. We evaluated the fungal and bacterial community composition and spatial distribution within carious dentin. Amplicon 16S rRNA gene sequencing together with quantitative PCR was used to profile bacterial and fungal species in caries-free children (n = 43) and 4 stages of caries progression from children with severe early childhood caries (n = 32). Additionally, healthy (n = 10) and carious (n = 10) primary teeth were decalcified, sectioned, and stained with Grocott’s methenamine silver, periodic acid Schiff (PAS) and calcofluor white (CW) for fungi. Immunolocalization was also performed using antibodies against fungal β-D-glucan, gram-positive bacterial lipoteichoic acid, gram-negative endotoxin, Streptococcus mutans , and Candida albicans . We also performed field emission scanning electron microscopy (FESEM) to visualize fungi and bacteria within carious dentinal tubules. Bacterial communities observed included a high abundance of S . mutans and the Veillonella parvula group, as expected. There was a higher ratio of fungi to bacteria in dentin-involved lesions compared to less severe lesions with frequent preponderance of C . albicans , C . dubliniensis , and in one case C . tropicalis . Grocott’s silver, PAS, CW and immunohistochemistry (IHC) demonstrated the presence of fungi within carious dentinal tubules. Multiplex IHC revealed that fungi, gram-negative, and gram-positive bacteria primarily occupied separate dentinal tubules, with rare instances of colocalization. Similar findings were observed with multiplex immunofluorescence using anti- S . mutans and anti- C . albicans antibodies. Electron microscopy showed monomorphic bacterial and fungal biofilms within distinct dentin tubules. We demonstrate a previously unrecognized phenomenon in which fungi and bacteria occupy distinct spatial niches within carious dentin and seldom co-colonize. The potential significance of this phenomenon in caries progression warrants further exploration.

Background: Sequencing of the 16S rRNA gene has been the standard for studying the composition of microbial communities. While it allows identification of bacteria at the level of species, it does not usually provide sufficient information to resolve at the sub-species level. Species-level resolution is not adequate for studies of transmission or stability, or for exploring subspecies variation in disease association. Current approaches using whole metagenome shotgun sequencing require very high coverage that can be cost-prohibitive and computationally challenging for diverse communities. Thus there is a need for high-resolution, yet cost-effective, high-throughput methods for characterizing microbial communities. Results: Significant improvement in resolution for amplicon-based bacterial community analysis was achieved by combining amplicon sequencing of a high-diversity marker gene, the ribosomal operon ISR, with a probabilistic error modeling algorithm, DADA2. The resolving power of this new approach was compared to that of both standard and high-resolution 16S-based approaches using a set of longitudinal subgingival plaque samples. The ISR strategy achieved a 5.2-fold increase in community richness compared to reference-based 16S rRNA gene analysis, and showed 100% accuracy in predicting the correct source of a clinical sample. Individuals' microbial communities were highly personalized, and although they exhibited some drift in membership and levels over time, that difference was always smaller than the differences between any two subjects, even after one year. The construction of an ISR database from publicly available genomic sequences allowed us to explore genomic variation within species, resulting in the identification of multiple variants of the ISR for most species. Conclusions: The ISR approach resulted in significantly improved resolution of communities, and revealed a highly personalized, stable human oral microbiota. Multiple ISR types were observed for all species examined, demonstrating a high level of subspecies variation in the oral microbiota. The approach is high-throughput, high-resolution yet cost-effective, allowing subspecies-level community fingerprinting at a cost comparable to that of 16S rRNA gene amplicon sequencing. It will be useful for a range of applications that require high-resolution identification of organisms, including microbial tracking, community fingerprinting, and potentially for identification of virulence-associated strains.