Abstract The gut microbiome plays an important role in immune function and has been implicated in several autoimmune disorders. Here we use 16S rRNA sequencing to investigate the gut microbiome in subjects with multiple sclerosis (MS, n =60) and healthy controls ( n =43). Microbiome alterations in MS include increases in Methanobrevibacter and Akkermansia and decreases in Butyricimonas , and correlate with variations in the expression of genes involved in dendritic cell maturation, interferon signalling and NF-kB signalling pathways in circulating T cells and monocytes. Patients on disease-modifying treatment show increased abundances of Prevotella and Sutterella , and decreased Sarcina , compared with untreated patients. MS patients of a second cohort show elevated breath methane compared with controls, consistent with our observation of increased gut Methanobrevibacter in MS in the first cohort. Further study is required to assess whether the observed alterations in the gut microbiome play a role in, or are a consequence of, MS pathogenesis.

Disruption of homeostasis between the host immune system and the intestinal microbiota leads to inflammatory bowel disease (IBD). Whether IBD is instigated by individual species or disruptions of entire microbial communities remains controversial. We characterized the fecal microbial communities in the recently described T-bet−/− × Rag2−/− ulcerative colitis (TRUC) model driven by T-bet deficiency in the innate immune system. 16S rRNA-based analysis of TRUC and Rag2−/− mice revealed distinctive communities that correlate with host genotype. The presence of Klebsiella pneumoniae and Proteus mirabilis correlates with colitis in TRUC animals, and these TRUC-derived strains can elicit colitis in Rag2−/− and WT adults but require a maternally transmitted endogenous microbial community for maximal intestinal inflammation. Cross-fostering experiments indicated a role for these organisms in maternal transmission of disease. Our findings illustrate how gut microbial communities work in concert with specific culturable colitogenic agents to cause IBD.

The host gut microbiota varies across species and individuals but is relatively stable over time within an individual. How the host selectively shapes the microbiota is largely unclear. Here, we show that fecal microRNA (miRNA)-mediated inter-species gene regulation facilitates host control of the gut microbiota. miRNAs are abundant in mouse and human fecal samples and present within extracellular vesicles. Cell-specific loss of the miRNA-processing enzyme, Dicer, identified intestinal epithelial cells (IEC) and Hopx-positive cells as predominant fecal miRNA sources. These miRNAs can enter bacteria, such as F. nucleatum and E. coli, specifically regulate bacterial gene transcripts, and affect bacterial growth. IEC-miRNA-deficient (Dicer1ΔIEC) mice exhibit uncontrolled gut microbiota and exacerbated colitis, and WT fecal miRNA transplantation restores fecal microbes and ameliorates colitis. These findings identify both a physiologic role by which fecal miRNA shapes the gut microbiota and a potential strategy for manipulating the microbiome.

The maintenance and significance of the complex populations of microbes present in the mammalian intestine are poorly understood. Comparison of conventionally housed and germ-free NMRI mice revealed that production of fucosylated glycoconjugates and an alpha1, 2-fucosyltransferase messenger RNA in the small-intestinal epithelium requires the normal microflora. Colonization of germ-free mice with Bacteroides thetaiotaomicron, a component of this flora, restored the fucosylation program, whereas an isogenic strain carrying a transposon insertion that disrupts its ability to use L-fucose as a carbon source did not. Simplified models such as this should aid the study of open microbial ecosystems.

Abstract Background: Glycohemoglobin (gHb), measured as hemoglobin (Hb) A1c or as total gHb, provides a common means for assessing long-term glycemic control in individuals with diabetes mellitus. Genetic variants and chemically modified derivatives of Hb can profoundly affect the accuracy of these measurements, although effects vary considerably among commercially available methods. The prevalence of genetic variants such as HbS, HbC, and HbE, and chemically modified derivatives such as carbamyl-Hb among patient populations undergoing testing is not insignificant. Clinical laboratories and sites responsible for point-of-care testing of gHb need to be aware of the interferences produced in assays by these Hbs. Approach: We conducted a review of the literature describing the effects of variant Hbs on gHb assay methods commonly used in clinical laboratories. Content: This review summarizes the documented effects of both common and uncommon Hb variants and derivatives on the measurement of gHb. Where known, we discuss mechanisms of interference on specific assays and methodologies. We specifically address effects of commonly encountered Hbs, such as carbamyl-Hb, HbS, HbC, HbE, and HbF, on assays that use cation-exchange chromatography, immunoassays, or boronate affinity methods for measuring gHb. Summary: A variety of patient- and laboratory-related factors can adversely affect the measurement of gHb in patients harboring Hb variants or derivatives. Identification of the variant or derivative Hb before or during testing may allow accurate measurement of gHb by the selection of a method unaffected by the given variant or derivative. However, laboratories should make available alternative, non-Hb-based methods for assessing long-term glycemic control in individuals with HbCC, HbSS, or HbSC disease, or with other underlying disorders where the concentration of gHb does not accurately reflect long-term glycemic control.

Obesity, diabetes, and metabolic syndrome result from complex interactions between genetic and environmental factors, including the gut microbiota. To dissect these interactions, we utilized three commonly used inbred strains of mice—obesity/diabetes-prone C57Bl/6J mice, obesity/diabetes-resistant 129S1/SvImJ from Jackson Laboratory, and obesity-prone but diabetes-resistant 129S6/SvEvTac from Taconic—plus three derivative lines generated by breeding these strains in a new, common environment. Analysis of metabolic parameters and gut microbiota in all strains and their environmentally normalized derivatives revealed strong interactions between microbiota, diet, breeding site, and metabolic phenotype. Strain-dependent and strain-independent correlations were found between specific microbiota and phenotypes, some of which could be transferred to germ-free recipient animals by fecal transplantation. Environmental reprogramming of microbiota resulted in 129S6/SvEvTac becoming obesity resistant. Thus, development of obesity/metabolic syndrome is the result of interactions between gut microbiota, host genetics, and diet. In permissive genetic backgrounds, environmental reprograming of microbiota can ameliorate development of metabolic syndrome.

Commensal microbiota play a critical role in maintaining oral tolerance. The effect of food allergy on the gut microbial ecology remains unknown.We sought to establish the composition of the gut microbiota in experimental food allergy and its role in disease pathogenesis.Food allergy-prone mice with a gain-of-function mutation in the IL-4 receptor α chain (Il4raF709) and wild-type (WT) control animals were subjected to oral sensitization with chicken egg ovalbumin (OVA). Enforced tolerance was achieved by using allergen-specific regulatory T (Treg) cells. Community structure analysis of gut microbiota was performed by using a high-density 16S rDNA oligonucleotide microarrays (PhyloChip) and massively parallel pyrosequencing of 16S rDNA amplicons.OVA-sensitized Il4raF709 mice exhibited a specific microbiota signature characterized by coordinate changes in the abundance of taxa of several bacterial families, including the Lachnospiraceae, Lactobacillaceae, Rikenellaceae, and Porphyromonadaceae. This signature was not shared by similarly sensitized WT mice, which did not exhibit an OVA-induced allergic response. Treatment of OVA-sensitized Il4raF709 mice with OVA-specific Treg cells led to a distinct tolerance-associated signature coincident with the suppression of the allergic response. The microbiota of allergen-sensitized Il4raF709 mice differentially promoted OVA-specific IgE responses and anaphylaxis when reconstituted in WT germ-free mice.Mice with food allergy exhibit a specific gut microbiota signature capable of transmitting disease susceptibility and subject to reprogramming by enforced tolerance. Disease-associated microbiota may thus play a pathogenic role in food allergy.

The human gut microbiome is comprised of densely colonizing microorganisms including bacteriophages, which are in dynamic interaction with each other and the mammalian host. To address how bacteriophages impact bacterial communities in the gut, we investigated the dynamic effects of phages on a model microbiome. Gnotobiotic mice were colonized with defined human gut commensal bacteria and subjected to predation by cognate lytic phages. We found that phage predation not only directly impacts susceptible bacteria but also leads to cascading effects on other bacterial species via interbacterial interactions. Metabolomic profiling revealed that shifts in the microbiome caused by phage predation have a direct consequence on the gut metabolome. Our work provides insight into the ecological importance of phages as modulators of bacterial colonization, and it additionally suggests the potential impact of gut phages on the mammalian host with implications for their therapeutic use to precisely modulate the microbiome.

Intestinal IL-17-producing T helper (Th17) cells are dependent on adherent microbes in the gut for their development. However, how microbial adherence to intestinal epithelial cells (IECs) promotes Th17 cell differentiation remains enigmatic. Here, we found that Th17 cell-inducing gut bacteria generated an unfolded protein response (UPR) in IECs. Furthermore, subtilase cytotoxin expression or genetic removal of X-box binding protein 1 (Xbp1) in IECs caused a UPR and increased Th17 cells, even in antibiotic-treated or germ-free conditions. Mechanistically, UPR activation in IECs enhanced their production of both reactive oxygen species (ROS) and purine metabolites. Treating mice with N-acetyl-cysteine or allopurinol to reduce ROS production and xanthine, respectively, decreased Th17 cells that were associated with an elevated UPR. Th17-related genes also correlated with ER stress and the UPR in humans with inflammatory bowel disease. Overall, we identify a mechanism of intestinal Th17 cell differentiation that emerges from an IEC-associated UPR.