To understand the impact of gut microbes on human health and well-being it is crucial to assess their genetic potential. Here we describe the Illumina-based metagenomic sequencing, assembly and characterization of 3.3 million non-redundant microbial genes, derived from 576.7 gigabases of sequence, from faecal samples of 124 European individuals. The gene set, ∼150 times larger than the human gene complement, contains an overwhelming majority of the prevalent (more frequent) microbial genes of the cohort and probably includes a large proportion of the prevalent human intestinal microbial genes. The genes are largely shared among individuals of the cohort. Over 99% of the genes are bacterial, indicating that the entire cohort harbours between 1,000 and 1,150 prevalent bacterial species and each individual at least 160 such species, which are also largely shared. We define and describe the minimal gut metagenome and the minimal gut bacterial genome in terms of functions present in all individuals and most bacteria, respectively. The human body plays host to an estimated 100 trillion microbial cells, most of them in the gut where they have a profound influence on human physiology and nutrition — and are now regarded as crucial for human life. Gut microbes contribute to the energy harvest from food, and changes of gut microbiome may be associated with bowel diseases or obesity. Now the international MetaHIT (Metagenomics of the Human Intestinal Tract) project has published a gene catalogue of the human gut microbiome derived from 124 healthy, overweight and obese human adults, as well as inflammatory disease patients, from Denmark and Spain. The resulting data provide the first insights into this gene set — which is over 150 times larger than the human gene complement — and show that the genes are largely shared among individuals. Based on the variety of functions encoded by the gene set, it is possible to define both a minimal gut metagenome and a minimal gut bacterial genome. Deep metagenomic sequencing and characterization of the human gut microbiome from healthy and obese individuals, as well as those suffering from inflammatory bowel disease, provide the first insights into this gene set and how much of it is shared among individuals. The minimal gut metagenome as well as the minimal gut bacterial genome is also described.

Our knowledge of species and functional composition of the human gut microbiome is rapidly increasing, but it is still based on very few cohorts and little is known about variation across the world. By combining 22 newly sequenced faecal metagenomes of individuals from four countries with previously published data sets, here we identify three robust clusters (referred to as enterotypes hereafter) that are not nation or continent specific. We also confirmed the enterotypes in two published, larger cohorts, indicating that intestinal microbiota variation is generally stratified, not continuous. This indicates further the existence of a limited number of well-balanced host-microbial symbiotic states that might respond differently to diet and drug intake. The enterotypes are mostly driven by species composition, but abundant molecular functions are not necessarily provided by abundant species, highlighting the importance of a functional analysis to understand microbial communities. Although individual host properties such as body mass index, age, or gender cannot explain the observed enterotypes, data-driven marker genes or functional modules can be identified for each of these host properties. For example, twelve genes significantly correlate with age and three functional modules with the body mass index, hinting at a diagnostic potential of microbial markers.

In recent years, several associations between common chronic human disorders and altered gut microbiome composition and function have been reported. In most of these reports, treatment regimens were not controlled for and conclusions could thus be confounded by the effects of various drugs on the microbiota, which may obscure microbial causes, protective factors or diagnostically relevant signals. Our study addresses disease and drug signatures in the human gut microbiome of type 2 diabetes mellitus (T2D). Two previous quantitative gut metagenomics studies of T2D patients that were unstratified for treatment yielded divergent conclusions regarding its associated gut microbial dysbiosis. Here we show, using 784 available human gut metagenomes, how antidiabetic medication confounds these results, and analyse in detail the effects of the most widely used antidiabetic drug metformin. We provide support for microbial mediation of the therapeutic effects of metformin through short-chain fatty acid production, as well as for potential microbiota-mediated mechanisms behind known intestinal adverse effects in the form of a relative increase in abundance of Escherichia species. Controlling for metformin treatment, we report a unified signature of gut microbiome shifts in T2D with a depletion of butyrate-producing taxa. These in turn cause functional microbiome shifts, in part alleviated by metformin-induced changes. Overall, the present study emphasizes the need to disentangle gut microbiota signatures of specific human diseases from those of medication.

To minimize the impact of antibiotics, gut microorganisms harbour and exchange antibiotics resistance genes, collectively called their resistome. Using shotgun sequencing-based metagenomics, we analysed the partial eradication and subsequent regrowth of the gut microbiota in 12 healthy men over a 6-month period following a 4-day intervention with a cocktail of 3 last-resort antibiotics: meropenem, gentamicin and vancomycin. Initial changes included blooms of enterobacteria and other pathobionts, such as Enterococcus faecalis and Fusobacterium nucleatum, and the depletion of Bifidobacterium species and butyrate producers. The gut microbiota of the subjects recovered to near-baseline composition within 1.5 months, although 9 common species, which were present in all subjects before the treatment, remained undetectable in most of the subjects after 180 days. Species that harbour β-lactam resistance genes were positively selected for during and after the intervention. Harbouring glycopeptide or aminoglycoside resistance genes increased the odds of de novo colonization, however, the former also decreased the odds of survival. Compositional changes under antibiotic intervention in vivo matched results from in vitro susceptibility tests. Despite a mild yet long-lasting imprint following antibiotics exposure, the gut microbiota of healthy young adults are resilient to a short-term broad-spectrum antibiotics intervention and their antibiotics resistance gene carriage modulates their recovery processes. Here the authors show that the human gut microbiome can recover after a clinically relevant, broad-spectrum antibiotic treatment and characterization of the resistome indicates that antibiotic resistance genes can impact the recovery process.

Individuals with type 2 diabetes have aberrant intestinal microbiota. However, recent studies suggest that metformin alters the composition and functional potential of gut microbiota, thereby interfering with the diabetes-related microbial signatures. We tested whether specific gut microbiota profiles are associated with prediabetes (defined as fasting plasma glucose of 6.1-7.0 mmol/l or HbA1c of 42-48 mmol/mol [6.0-6.5%]) and a range of clinical biomarkers of poor metabolic health.In the present case-control study, we analysed the gut microbiota of 134 Danish adults with prediabetes, overweight, insulin resistance, dyslipidaemia and low-grade inflammation and 134 age- and sex-matched individuals with normal glucose regulation.We found that five bacterial genera and 36 operational taxonomic units (OTUs) were differentially abundant between individuals with prediabetes and those with normal glucose regulation. At the genus level, the abundance of Clostridium was decreased (mean log2 fold change -0.64 (SEM 0.23), p adj = 0.0497), whereas the abundances of Dorea, [Ruminococcus], Sutterella and Streptococcus were increased (mean log2 fold change 0.51 (SEM 0.12), p adj = 5 × 10-4; 0.51 (SEM 0.11), p adj = 1 × 10-4; 0.60 (SEM 0.21), p adj = 0.0497; and 0.92 (SEM 0.21), p adj = 4 × 10-4, respectively). The two OTUs that differed the most were a member of the order Clostridiales (OTU 146564) and Akkermansia muciniphila, which both displayed lower abundance among individuals with prediabetes (mean log2 fold change -1.74 (SEM 0.41), p adj = 2 × 10-3 and -1.65 (SEM 0.34), p adj = 4 × 10-4, respectively). Faecal transfer from donors with prediabetes or screen-detected, drug-naive type 2 diabetes to germfree Swiss Webster or conventional C57BL/6 J mice did not induce impaired glucose regulation in recipient mice.Collectively, our data show that individuals with prediabetes have aberrant intestinal microbiota characterised by a decreased abundance of the genus Clostridium and the mucin-degrading bacterium A. muciniphila. Our findings are comparable to observations in overt chronic diseases characterised by low-grade inflammation.

Microbiome community typing analyses have recently identified the Bacteroides2 (Bact2) enterotype, an intestinal microbiota configuration that is associated with systemic inflammation and has a high prevalence in loose stools in humans1,2. Bact2 is characterized by a high proportion of Bacteroides, a low proportion of Faecalibacterium and low microbial cell densities1,2, and its prevalence varies from 13% in a general population cohort to as high as 78% in patients with inflammatory bowel disease2. Reported changes in stool consistency3 and inflammation status4 during the progression towards obesity and metabolic comorbidities led us to propose that these developments might similarly correlate with an increased prevalence of the potentially dysbiotic Bact2 enterotype. Here, by exploring obesity-associated microbiota alterations in the quantitative faecal metagenomes of the cross-sectional MetaCardis Body Mass Index Spectrum cohort (n = 888), we identify statin therapy as a key covariate of microbiome diversification. By focusing on a subcohort of participants that are not medicated with statins, we find that the prevalence of Bact2 correlates with body mass index, increasing from 3.90% in lean or overweight participants to 17.73% in obese participants. Systemic inflammation levels in Bact2-enterotyped individuals are higher than predicted on the basis of their obesity status, indicative of Bact2 as a dysbiotic microbiome constellation. We also observe that obesity-associated microbiota dysbiosis is negatively associated with statin treatment, resulting in a lower Bact2 prevalence of 5.88% in statin-medicated obese participants. This finding is validated in both the accompanying MetaCardis cardiovascular disease dataset (n = 282) and the independent Flemish Gut Flora Project population cohort (n = 2,345). The potential benefits of statins in this context will require further evaluation in a prospective clinical trial to ascertain whether the effect is reproducible in a randomized population and before considering their application as microbiota-modulating therapeutics. A cross-sectional analysis of participants in the MetaCardis Body Mass Index Spectrum cohort finds that the higher prevalence of gut microbiota dysbiosis in individuals with obesity is not observed in those who take statin drugs.