Studies of the human microbiome have revealed that even healthy individuals differ remarkably in the microbes that occupy habitats such as the gut, skin and vagina. Much of this diversity remains unexplained, although diet, environment, host genetics and early microbial exposure have all been implicated. Accordingly, to characterize the ecology of human-associated microbial communities, the Human Microbiome Project has analysed the largest cohort and set of distinct, clinically relevant body habitats so far. We found the diversity and abundance of each habitat’s signature microbes to vary widely even among healthy subjects, with strong niche specialization both within and among individuals. The project encountered an estimated 81–99% of the genera, enzyme families and community configurations occupied by the healthy Western microbiome. Metagenomic carriage of metabolic pathways was stable among individuals despite variation in community structure, and ethnic/racial background proved to be one of the strongest associations of both pathways and microbes with clinical metadata. These results thus delineate the range of structural and functional configurations normal in the microbial communities of a healthy population, enabling future characterization of the epidemiology, ecology and translational applications of the human microbiome. The Human Microbiome Project Consortium reports the first results of their analysis of microbial communities from distinct, clinically relevant body habitats in a human cohort; the insights into the microbial communities of a healthy population lay foundations for future exploration of the epidemiology, ecology and translational applications of the human microbiome. The Human Microbiome Project (HMP), supported by the National Institutes of Health Common Fund, has the goal of characterizing the microbial communities that inhabit and interact with the human body in sickness and in health. In two Articles in this issue of Nature, the HMP Consortium presents the first population-scale details of the organismal and functional composition of the microbiota across five areas of the body. An associated News & Views discusses the initial results — which, along with those of a series of co-publications, already constitute the most extensive catalogue of organisms and genes related to the human microbiome yet published — and highlights some of the major questions that the project will tackle in the next few years.

The incidence of preterm birth exceeds 10% worldwide. There are significant disparities in the frequency of preterm birth among populations within countries, and women of African ancestry disproportionately bear the burden of risk in the United States. In the present study, we report a community resource that includes ‘omics’ data from approximately 12,000 samples as part of the integrative Human Microbiome Project. Longitudinal analyses of 16S ribosomal RNA, metagenomic, metatranscriptomic and cytokine profiles from 45 preterm and 90 term birth controls identified harbingers of preterm birth in this cohort of women predominantly of African ancestry. Women who delivered preterm exhibited significantly lower vaginal levels of Lactobacillus crispatus and higher levels of BVAB1, Sneathia amnii, TM7-H1, a group of Prevotella species and nine additional taxa. The first representative genomes of BVAB1 and TM7-H1 are described. Preterm-birth-associated taxa were correlated with proinflammatory cytokines in vaginal fluid. These findings highlight new opportunities for assessment of the risk of preterm birth. As part of the second phase of Human Microbiome Project, the Multi-Omic Microbiome Study: Pregnancy Initiative presents a community resource to help better understand how microbiome and host profiles change throughout pregnancy as well as to identify new opportunities for assessment of the risk of preterm birth.

Characterizing microbial communities via next-generation sequencing is subject to a number of pitfalls involving sample processing. The observed community composition can be a severe distortion of the quantities of bacteria actually present in the microbiome, hampering analysis and threatening the validity of conclusions from metagenomic studies. We introduce an experimental protocol using mock communities for quantifying and characterizing bias introduced in the sample processing pipeline. We used 80 bacterial mock communities comprised of prescribed proportions of cells from seven vaginally-relevant bacterial strains to assess the bias introduced in the sample processing pipeline. We created two additional sets of 80 mock communities by mixing prescribed quantities of DNA and PCR product to quantify the relative contribution to bias of (1) DNA extraction, (2) PCR amplification, and (3) sequencing and taxonomic classification for particular choices of protocols for each step. We developed models to predict the “true” composition of environmental samples based on the observed proportions, and applied them to a set of clinical vaginal samples from a single subject during four visits. We observed that using different DNA extraction kits can produce dramatically different results but bias is introduced regardless of the choice of kit. We observed error rates from bias of over 85% in some samples, while technical variation was very low at less than 5% for most bacteria. The effects of DNA extraction and PCR amplification for our protocols were much larger than those due to sequencing and classification. The processing steps affected different bacteria in different ways, resulting in amplified and suppressed observed proportions of a community. When predictive models were applied to clinical samples from a subject, the predicted microbiome profiles were better reflections of the physiology and diagnosis of the subject at the visits than the observed community compositions. Bias in 16S studies due to DNA extraction and PCR amplification will continue to require attention despite further advances in sequencing technology. Analysis of mock communities can help assess bias and facilitate the interpretation of results from environmental samples.

Women of European ancestry are more likely to harbour a Lactobacillus -dominated microbiome, whereas African American women are more likely to exhibit a diverse microbial profile. African American women are also twice as likely to be diagnosed with bacterial vaginosis and are twice as likely to experience preterm birth. The objective of this study was to further characterize and contrast the vaginal microbial profiles in African American versus European ancestry women. Through the Vaginal Human Microbiome Project at Virginia Commonwealth University, 16S rRNA gene sequence analysis was used to compare the microbiomes of vaginal samples from 1268 African American women and 416 women of European ancestry. The results confirmed significant differences in the vaginal microbiomes of the two groups and identified several taxa relevant to these differences. Major community types were dominated by Gardnerella vaginalis and the uncultivated bacterial vaginosis-associated bacterium-1 (BVAB1) that were common among African Americans. Moreover, the prevalence of multiple bacterial taxa that are associated with microbial invasion of the amniotic cavity and preterm birth, including Mycoplasma , Gardnerella , Prevotella and Sneathia , differed between the two ethnic groups. We investigated the contributions of intrinsic and extrinsic factors, including pregnancy, body mass index, diet, smoking and alcohol use, number of sexual partners, and household income, to vaginal community composition. Ethnicity, pregnancy and alcohol use correlated significantly with the relative abundance of bacterial vaginosis-associated species. Trends between microbial profiles and smoking and number of sexual partners were observed; however, these associations were not statistically significant. These results support and extend previous findings that there are significant differences in the vaginal microbiome related to ethnicity and demonstrate that these differences are pronounced even in healthy women.

ABSTRACT The composition of the human vaginal microbiome has been extensively studied and is known to influence reproductive health. However, the functional roles of individual taxa and their contributions to negative health outcomes have yet to be well characterized. Here, we examine two vaginal bacterial taxa grouped within the genus Megasphaera that have been previously associated with bacterial vaginosis (BV) and pregnancy complications. Phylogenetic analyses support the classification of these taxa as two distinct species. These two phylotypes, Megasphaera phylotype 1 (MP1) and Megasphaera phylotype 2 (MP2), differ in genomic structure and metabolic potential, suggestive of differential roles within the vaginal environment. Further, these vaginal taxa show evidence of genome reduction and changes in DNA base composition, which may be common features of host dependence and/or adaptation to the vaginal environment. In a cohort of 3,870 women, we observed that MP1 has a stronger positive association with bacterial vaginosis whereas MP2 was positively associated with trichomoniasis. MP1, in contrast to MP2 and other common BV-associated organisms, was not significantly excluded in pregnancy. In a cohort of 52 pregnant women, MP1 was both present and transcriptionally active in 75.4% of vaginal samples. Conversely, MP2 was largely absent in the pregnant cohort. This study provides insight into the evolutionary history, genomic potential and predicted functional role of two clinically relevant vaginal microbial taxa.