Kwashiorkor, an enigmatic form of severe acute malnutrition, is the consequence of inadequate nutrient intake plus additional environmental insults. To investigate the role of the gut microbiome, we studied 317 Malawian twin pairs during the first 3 years of life. During this time, half of the twin pairs remained well nourished, whereas 43% became discordant, and 7% manifested concordance for acute malnutrition. Both children in twin pairs discordant for kwashiorkor were treated with a peanut-based, ready-to-use therapeutic food (RUTF). Time-series metagenomic studies revealed that RUTF produced a transient maturation of metabolic functions in kwashiorkor gut microbiomes that regressed when administration of RUTF was stopped. Previously frozen fecal communities from several discordant pairs were each transplanted into gnotobiotic mice. The combination of Malawian diet and kwashiorkor microbiome produced marked weight loss in recipient mice, accompanied by perturbations in amino acid, carbohydrate, and intermediary metabolism that were only transiently ameliorated with RUTF. These findings implicate the gut microbiome as a causal factor in kwashiorkor.

Microbiota and infant development Malnutrition in children is a persistent challenge that is not always remedied by improvements in nutrition. This is because a characteristic community of gut microbes seems to mediate some of the pathology. Human gut microbes can be transplanted effectively into germ-free mice to recapitulate their associated phenotypes. Using this model, Blanton et al. found that the microbiota of healthy children relieved the harmful effects on growth caused by the microbiota of malnourished children. In infant mammals, chronic undernutrition results in growth hormone resistance and stunting. In mice, Schwarzer et al. showed that strains of Lactobacillus plantarum in the gut microbiota sustained growth hormone activity via signaling pathways in the liver, thus overcoming growth hormone resistance. Together these studies reveal that specific beneficial microbes could potentially be exploited to resolve undernutrition syndromes. Science , this issue p. 10.1126/science.aad3311 , p. 854

Recent algorithmic advances in amplicon-based microbiome studies enable the inference of exact amplicon sequence fragments. These new methods enable the investigation of sub-operational taxonomic units (sOTU) by removing erroneous sequences. However, short (e.g., 150-nucleotide [nt]) DNA sequence fragments do not contain sufficient phylogenetic signal to reproduce a reasonable tree, introducing a barrier in the utilization of critical phylogenetically aware metrics such as Faith's PD or UniFrac. Although fragment insertion methods do exist, those methods have not been tested for sOTUs from high-throughput amplicon studies in insertions against a broad reference phylogeny. We benchmarked the SATé-enabled phylogenetic placement (SEPP) technique explicitly against 16S V4 sequence fragments and showed that it outperforms the conceptually problematic but often-used practice of reconstructing de novo phylogenies. In addition, we provide a BSD-licensed QIIME2 plugin (https://github.com/biocore/q2-fragment-insertion) for SEPP and integration into the microbial study management platform QIITA. IMPORTANCE The move from OTU-based to sOTU-based analysis, while providing additional resolution, also introduces computational challenges. We demonstrate that one popular method of dealing with sOTUs (building a de novo tree from the short sequences) can provide incorrect results in human gut metagenomic studies and show that phylogenetic placement of the new sequences with SEPP resolves this problem while also yielding other benefits over existing methods.

Throughout most of the mammalian genome, genetically regulated developmental programming establishes diverse yet predictable epigenetic states across differentiated cells and tissues. At metastable epialleles (MEs), conversely, epigenotype is established stochastically in the early embryo then maintained in differentiated lineages, resulting in dramatic and systemic interindividual variation in epigenetic regulation. In the mouse, maternal nutrition affects this process, with permanent phenotypic consequences for the offspring. MEs have not previously been identified in humans. Here, using an innovative 2-tissue parallel epigenomic screen, we identified putative MEs in the human genome. In autopsy samples, we showed that DNA methylation at these loci is highly correlated across tissues representing all 3 embryonic germ layer lineages. Monozygotic twin pairs exhibited substantial discordance in DNA methylation at these loci, suggesting that their epigenetic state is established stochastically. We then tested for persistent epigenetic effects of periconceptional nutrition in rural Gambians, who experience dramatic seasonal fluctuations in nutritional status. DNA methylation at MEs was elevated in individuals conceived during the nutritionally challenged rainy season, providing the first evidence of a permanent, systemic effect of periconceptional environment on human epigenotype. At MEs, epigenetic regulation in internal organs and tissues varies among individuals and can be deduced from peripheral blood DNA. MEs should therefore facilitate an improved understanding of the role of interindividual epigenetic variation in human disease.

Gut bacterial strains targeted by IgA in undernourished Malawian children produce severe enteropathy in gnotobiotic mice and correlate with health status.

Severe acute malnutrition contributes to 1 million deaths among children annually. Adding routine antibiotic agents to nutritional therapy may increase recovery rates and decrease mortality among children with severe acute malnutrition treated in the community.

Significance Childhood malnutrition is a global health problem not attributable to food insecurity alone. Sequencing DNA viruses present in fecal microbiota serially sampled from 0- to 3-y-old Malawian twin pairs, we identify age-discriminatory viruses that define a “program” of assembly of phage and eukaryotic components of the gut “virome” within and across pairs where both cotwins manifest healthy growth. This program is perturbed (delayed) in both members of discordant pairs where one cotwin develops severe acute malnutrition and the other appears healthy by anthropometry. This developmental delay is not repaired by therapeutic foods. These age- and disease-discriminatory viruses may help define familial risk for childhood malnutrition and provide a viral dimension for characterizing the developmental biology of our gut microbial “organ.”

Stunting affects about one-quarter of children under five worldwide. The pathogenesis of stunting is poorly understood. Nutritional interventions have had only modest effects in reducing stunting. We hypothesized that insufficiency in essential amino acids may be limiting the linear growth of children.We used a targeted metabolomics approach to measure serum amino acids, glycerophospholipids, sphingolipids, and other metabolites using liquid chromatography-tandem mass spectrometry in 313 children, aged 12-59months, from rural Malawi. Children underwent anthropometry.Sixty-two percent of the children were stunted. Children with stunting had lower serum concentrations of all nine essential amino acids (tryptophan, isoleucine, leucine, valine, methionine, threonine, histidine, phenylalanine, lysine) compared with nonstunted children (p<0.01). In addition, stunted children had significantly lower serum concentrations of conditionally essential amino acids (arginine, glycine, glutamine), non-essential amino acids (asparagine, glutamate, serine), and six different sphingolipids compared with nonstunted children. Stunting was also associated with alterations in serum glycerophospholipid concentrations.Our findings support the idea that children with a high risk of stunting may not be receiving an adequate dietary intake of essential amino acids and choline, an essential nutrient for the synthesis of sphingolipids and glycerophospholipids.

Summary The human metabolome has remained largely unknown, with most studies annotating ∼10% of features. In nucleic acid sequencing, annotating transcripts by source has proven essential for understanding gene function. Here we generalize this concept to stool, plasma, urine and other human metabolomes, discovering that food-based annotations increase the interpreted fraction of molecular features 7-fold, providing a general framework for expanding the interpretability of human metabolomic “dark matter.”