Empiric probiotics are commonly consumed by healthy individuals as means of life quality improvement and disease prevention. However, evidence of probiotic gut mucosal colonization efficacy remains sparse and controversial. We metagenomically characterized the murine and human mucosal-associated gastrointestinal microbiome and found it to only partially correlate with stool microbiome. A sequential invasive multi-omics measurement at baseline and during consumption of an 11-strain probiotic combination or placebo demonstrated that probiotics remain viable upon gastrointestinal passage. In colonized, but not germ-free mice, probiotics encountered a marked mucosal colonization resistance. In contrast, humans featured person-, region- and strain-specific mucosal colonization patterns, hallmarked by predictive baseline host and microbiome features, but indistinguishable by probiotics presence in stool. Consequently, probiotics induced a transient, individualized impact on mucosal community structure and gut transcriptome. Collectively, empiric probiotics supplementation may be limited in universally and persistently impacting the gut mucosa, meriting development of new personalized probiotic approaches.

Summary

 Probiotics are widely prescribed for prevention of antibiotics-associated dysbiosis and related adverse effects. However, probiotic impact on post-antibiotic reconstitution of the gut mucosal host-microbiome niche remains elusive. We invasively examined the effects of multi-strain probiotics or autologous fecal microbiome transplantation (aFMT) on post-antibiotic reconstitution of the murine and human mucosal microbiome niche. Contrary to homeostasis, antibiotic perturbation enhanced probiotics colonization in the human mucosa but only mildly improved colonization in mice. Compared to spontaneous post-antibiotic recovery, probiotics induced a markedly delayed and persistently incomplete indigenous stool/mucosal microbiome reconstitution and host transcriptome recovery toward homeostatic configuration, while aFMT induced a rapid and near-complete recovery within days of administration. In vitro, Lactobacillus-secreted soluble factors contributed to probiotics-induced microbiome inhibition. Collectively, potential post-antibiotic probiotic benefits may be offset by a compromised gut mucosal recovery, highlighting a need of developing aFMT or personalized probiotic approaches achieving mucosal protection without compromising microbiome recolonization in the antibiotics-perturbed host.

The intestinal microbiota undergoes diurnal compositional and functional oscillations that affect metabolic homeostasis, but the mechanisms by which the rhythmic microbiota influences host circadian activity remain elusive. Using integrated multi-omics and imaging approaches, we demonstrate that the gut microbiota features oscillating biogeographical localization and metabolome patterns that determine the rhythmic exposure of the intestinal epithelium to different bacterial species and their metabolites over the course of a day. This diurnal microbial behavior drives, in turn, the global programming of the host circadian transcriptional, epigenetic, and metabolite oscillations. Surprisingly, disruption of homeostatic microbiome rhythmicity not only abrogates normal chromatin and transcriptional oscillations of the host, but also incites genome-wide de novo oscillations in both intestine and liver, thereby impacting diurnal fluctuations of host physiology and disease susceptibility. As such, the rhythmic biogeography and metabolome of the intestinal microbiota regulates the temporal organization and functional outcome of host transcriptional and epigenetic programs.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a complex neurodegenerative disorder, in which the clinical manifestations may be influenced by genetic and unknown environmental factors. Here we show that ALS-prone Sod1 transgenic (Sod1-Tg) mice have a pre-symptomatic, vivarium-dependent dysbiosis and altered metabolite configuration, coupled with an exacerbated disease under germ-free conditions or after treatment with broad-spectrum antibiotics. We correlate eleven distinct commensal bacteria at our vivarium with the severity of ALS in mice, and by their individual supplementation into antibiotic-treated Sod1-Tg mice we demonstrate that Akkermansia muciniphila (AM) ameliorates whereas Ruminococcus torques and Parabacteroides distasonis exacerbate the symptoms of ALS. Furthermore, Sod1-Tg mice that are administered AM are found to accumulate AM-associated nicotinamide in the central nervous system, and systemic supplementation of nicotinamide improves motor symptoms and gene expression patterns in the spinal cord of Sod1-Tg mice. In humans, we identify distinct microbiome and metabolite configurations—including reduced levels of nicotinamide systemically and in the cerebrospinal fluid—in a small preliminary study that compares patients with ALS with household controls. We suggest that environmentally driven microbiome–brain interactions may modulate ALS in mice, and we call for similar investigations in the human form of the disease. A study of the functional microbiome in a mouse model of ALS shows that several gut bacteria may modulate the severity of the disease.

Innate lymphoid cells (ILCs) are critical modulators of mucosal immunity, inflammation, and tissue homeostasis, but their full spectrum of cellular states and regulatory landscapes remains elusive. Here, we combine genome-wide RNA-seq, ChIP-seq, and ATAC-seq to compare the transcriptional and epigenetic identity of small intestinal ILCs, identifying thousands of distinct gene profiles and regulatory elements. Single-cell RNA-seq and flow and mass cytometry analyses reveal compartmentalization of cytokine expression and metabolic activity within the three classical ILC subtypes and highlight transcriptional states beyond the current canonical classification. In addition, using antibiotic intervention and germ-free mice, we characterize the effect of the microbiome on the ILC regulatory landscape and determine the response of ILCs to microbial colonization at the single-cell level. Together, our work characterizes the spectrum of transcriptional identities of small intestinal ILCs and describes how ILCs differentially integrate signals from the microbial microenvironment to generate phenotypic and functional plasticity.

Human gut commensals are increasingly suggested to impact non-communicable diseases, such as inflammatory bowel diseases (IBD), yet their targeted suppression remains a daunting unmet challenge. In four geographically distinct IBD cohorts (n = 537), we identify a clade of Klebsiella pneumoniae (Kp) strains, featuring a unique antibiotics resistance and mobilome signature, to be strongly associated with disease exacerbation and severity. Transfer of clinical IBD-associated Kp strains into colitis-prone, germ-free, and colonized mice enhances intestinal inflammation. Stepwise generation of a lytic five-phage combination, targeting sensitive and resistant IBD-associated Kp clade members through distinct mechanisms, enables effective Kp suppression in colitis-prone mice, driving an attenuated inflammation and disease severity. Proof-of-concept assessment of Kp-targeting phages in an artificial human gut and in healthy volunteers demonstrates gastric acid-dependent phage resilience, safety, and viability in the lower gut. Collectively, we demonstrate the feasibility of orally administered combination phage therapy in avoiding resistance, while effectively inhibiting non-communicable disease-contributing pathobionts.

Non-nutritive sweeteners (NNS) are commonly integrated into human diet and presumed to be inert; however, animal studies suggest that they may impact the microbiome and downstream glycemic responses. We causally assessed NNS impacts in humans and their microbiomes in a randomized-controlled trial encompassing 120 healthy adults, administered saccharin, sucralose, aspartame, and stevia sachets for 2 weeks in doses lower than the acceptable daily intake, compared with controls receiving sachet-contained vehicle glucose or no supplement. As groups, each administered NNS distinctly altered stool and oral microbiome and plasma metabolome, whereas saccharin and sucralose significantly impaired glycemic responses. Importantly, gnotobiotic mice conventionalized with microbiomes from multiple top and bottom responders of each of the four NNS-supplemented groups featured glycemic responses largely reflecting those noted in respective human donors, which were preempted by distinct microbial signals, as exemplified by sucralose. Collectively, human NNS consumption may induce person-specific, microbiome-dependent glycemic alterations, necessitating future assessment of clinical implications.

People with diabetes feature a life-risking susceptibility to respiratory viral infection, including influenza and SARS-CoV-2 (ref. 1), whose mechanism remains unknown. In acquired and genetic mouse models of diabetes, induced with an acute pulmonary viral infection, we demonstrate that hyperglycaemia leads to impaired costimulatory molecule expression, antigen transport and T cell priming in distinct lung dendritic cell (DC) subsets, driving a defective antiviral adaptive immune response, delayed viral clearance and enhanced mortality. Mechanistically, hyperglycaemia induces an altered metabolic DC circuitry characterized by increased glucose-to-acetyl-CoA shunting and downstream histone acetylation, leading to global chromatin alterations. These, in turn, drive impaired expression of key DC effectors including central antigen presentation-related genes. Either glucose-lowering treatment or pharmacological modulation of histone acetylation rescues DC function and antiviral immunity. Collectively, we highlight a hyperglycaemia-driven metabolic-immune axis orchestrating DC dysfunction during pulmonary viral infection and identify metabolic checkpoints that may be therapeutically exploited in mitigating exacerbated disease in infected diabetics.