Testing 21 different fecal DNA extraction protocols in multiple laboratories results in a standardized protocol with the potential to improve comparability across human gut microbiome studies. Technical variation in metagenomic analysis must be minimized to confidently assess the contributions of microbiota to human health. Here we tested 21 representative DNA extraction protocols on the same fecal samples and quantified differences in observed microbial community composition. We compared them with differences due to library preparation and sample storage, which we contrasted with observed biological variation within the same specimen or within an individual over time. We found that DNA extraction had the largest effect on the outcome of metagenomic analysis. To rank DNA extraction protocols, we considered resulting DNA quantity and quality, and we ascertained biases in estimates of community diversity and the ratio between Gram-positive and Gram-negative bacteria. We recommend a standardized DNA extraction method for human fecal samples, for which transferability across labs was established and which was further benchmarked using a mock community of known composition. Its adoption will improve comparability of human gut microbiome studies and facilitate meta-analyses.

Periodontitis, a prime cause of tooth loss in humans, is implicated in the increased risk of systemic diseases such as heart failure, stroke, and bacterial pneumonia. The mechanisms by which periodontitis and antibacterial immunity lead to alveolar bone and tooth loss are poorly understood. To study the human immune response to specific periodontal infections, we transplanted human peripheral blood lymphocytes (HuPBLs) from periodontitis patients into NOD/SCID mice. Oral challenge of HuPBL-NOD/SCID mice with Actinobacillus actinomycetemcomitans, a well-known Gram-negative anaerobic microorganism that causes human periodontitis, activates human CD4+ T cells in the periodontium and triggers local alveolar bone destruction. Human CD4+ T cells, but not CD8+ T cells or B cells, are identified as essential mediators of alveolar bone destruction. Stimulation of CD4+ T cells by A. actinomycetemcomitans induces production of osteoprotegerin ligand (OPG-L), a key modulator of osteoclastogenesis and osteoclast activation. In vivo inhibition of OPG-L function with the decoy receptor OPG diminishes alveolar bone destruction and reduces the number of periodontal osteoclasts after microbial challenge. These data imply that the molecular explanation for alveolar bone destruction observed in periodontal infections is mediated by microorganism-triggered induction of OPG-L expression on CD4+ T cells and the consequent activation of osteoclasts. Inhibition of OPG-L may thus have therapeutic value to prevent alveolar bone and/or tooth loss in human periodontitis.

CD28 ligation delivers a costimulatory signal important in T cell activation. This study demonstrates that the disruption of the CD28/B7 pathway early in the nonobese diabetic mouse strain, using CD28−/− and CTLA4lg transgenic mice, promoted the development and progression of spontaneous autoimmune diabetes. Functional analyses of T cells isolated from CD28-deficient mice demonstrated that the GAD-specific T cells produced enhanced Th1-type cytokines (IL-2 and IFNγ) and diminished Th2-type cytokine, IL-4. Moreover, there was a significant decrease in serum levels of anti-GAD antibodies of the IgG1 isotype consistent with a profound suppression of Th2-type responses in these animals. Thus, the early differentiation of naive diabetogenic T cells into the Th2 subset is dependent upon CD28 signaling and extends our understanding of the importance of Th1/Th2 balance in the regulation of this spontaneous autoimmune disease.