Abstract This study describes and validates a new method for metagenomic biomarker discovery by way of class comparison, tests of biological consistency and effect size estimation. This addresses the challenge of finding organisms, genes, or pathways that consistently explain the differences between two or more microbial communities, which is a central problem to the study of metagenomics. We extensively validate our method on several microbiomes and a convenient online interface for the method is provided at http://huttenhower.sph.harvard.edu/lefse/ .

Studies of the human microbiome have revealed that even healthy individuals differ remarkably in the microbes that occupy habitats such as the gut, skin and vagina. Much of this diversity remains unexplained, although diet, environment, host genetics and early microbial exposure have all been implicated. Accordingly, to characterize the ecology of human-associated microbial communities, the Human Microbiome Project has analysed the largest cohort and set of distinct, clinically relevant body habitats so far. We found the diversity and abundance of each habitat's signature microbes to vary widely even among healthy subjects, with strong niche specialization both within and among individuals. The project encountered an estimated 81–99% of the genera, enzyme families and community configurations occupied by the healthy Western microbiome. Metagenomic carriage of metabolic pathways was stable among individuals despite variation in community structure, and ethnic/racial background proved to be one of the strongest associations of both pathways and microbes with clinical metadata. These results thus delineate the range of structural and functional configurations normal in the microbial communities of a healthy population, enabling future characterization of the epidemiology, ecology and translational applications of the human microbiome. The Human Microbiome Project Consortium reports the first results of their analysis of microbial communities from distinct, clinically relevant body habitats in a human cohort; the insights into the microbial communities of a healthy population lay foundations for future exploration of the epidemiology, ecology and translational applications of the human microbiome. The Human Microbiome Project (HMP), supported by the National Institutes of Health Common Fund, has the goal of characterizing the microbial communities that inhabit and interact with the human body in sickness and in health. In two Articles in this issue of Nature, the HMP Consortium presents the first population-scale details of the organismal and functional composition of the microbiota across five areas of the body. An associated News & Views discusses the initial results — which, along with those of a series of co-publications, already constitute the most extensive catalogue of organisms and genes related to the human microbiome yet published — and highlights some of the major questions that the project will tackle in the next few years.

A variety of microbial communities and their genes (the microbiome) exist throughout the human body, with fundamental roles in human health and disease. The National Institutes of Health (NIH)-funded Human Microbiome Project Consortium has established a population-scale framework to develop metagenomic protocols, resulting in a broad range of quality-controlled resources and data including standardized methods for creating, processing and interpreting distinct types of high-throughput metagenomic data available to the scientific community. Here we present resources from a population of 242 healthy adults sampled at 15 or 18 body sites up to three times, which have generated 5,177 microbial taxonomic profiles from 16S ribosomal RNA genes and over 3.5 terabases of metagenomic sequence so far. In parallel, approximately 800 reference strains isolated from the human body have been sequenced. Collectively, these data represent the largest resource describing the abundance and variety of the human microbiome, while providing a framework for current and future studies.

The inflammatory bowel diseases (IBD) Crohn's disease and ulcerative colitis result from alterations in intestinal microbes and the immune system. However, the precise dysfunctions of microbial metabolism in the gastrointestinal microbiome during IBD remain unclear. We analyzed the microbiota of intestinal biopsies and stool samples from 231 IBD and healthy subjects by 16S gene pyrosequencing and followed up a subset using shotgun metagenomics. Gene and pathway composition were assessed, based on 16S data from phylogenetically-related reference genomes, and associated using sparse multivariate linear modeling with medications, environmental factors, and IBD status.Firmicutes and Enterobacteriaceae abundances were associated with disease status as expected, but also with treatment and subject characteristics. Microbial function, though, was more consistently perturbed than composition, with 12% of analyzed pathways changed compared with 2% of genera. We identified major shifts in oxidative stress pathways, as well as decreased carbohydrate metabolism and amino acid biosynthesis in favor of nutrient transport and uptake. The microbiome of ileal Crohn's disease was notable for increases in virulence and secretion pathways.This inferred functional metagenomic information provides the first insights into community-wide microbial processes and pathways that underpin IBD pathogenesis.

Rheumatoid arthritis (RA) is a prevalent systemic autoimmune disease, caused by a combination of genetic and environmental factors. Animal models suggest a role for intestinal bacteria in supporting the systemic immune response required for joint inflammation. Here we performed 16S sequencing on 114 stool samples from rheumatoid arthritis patients and controls, and shotgun sequencing on a subset of 44 such samples. We identified the presence of Prevotella copri as strongly correlated with disease in new-onset untreated rheumatoid arthritis (NORA) patients. Increases in Prevotella abundance correlated with a reduction in Bacteroides and a loss of reportedly beneficial microbes in NORA subjects. We also identified unique Prevotella genes that correlated with disease. Further, colonization of mice revealed the ability of P. copri to dominate the intestinal microbiota and resulted in an increased sensitivity to chemically induced colitis. This work identifies a potential role for P. copri in the pathogenesis of RA. DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.01202.001.

The tumor microenvironment of colorectal carcinoma is a complex community of genomically altered cancer cells, nonneoplastic cells, and a diverse collection of microorganisms. Each of these components may contribute to carcinogenesis; however, the role of the microbiota is the least well understood. We have characterized the composition of the microbiota in colorectal carcinoma using whole genome sequences from nine tumor/normal pairs. Fusobacterium sequences were enriched in carcinomas, confirmed by quantitative PCR and 16S rDNA sequence analysis of 95 carcinoma/normal DNA pairs, while the Bacteroidetes and Firmicutes phyla were depleted in tumors. Fusobacteria were also visualized within colorectal tumors using FISH. These findings reveal alterations in the colorectal cancer microbiota; however, the precise role of Fusobacteria in colorectal carcinoma pathogenesis requires further investigation.

Metagenomic shotgun sequencing data can identify microbes populating a microbial community and their proportions, but existing taxonomic profiling methods are inefficient for increasingly large data sets. We present an approach that uses clade-specific marker genes to unambiguously assign reads to microbial clades more accurately and >50× faster than current approaches. We validated our metagenomic phylogenetic analysis tool, MetaPhlAn, on terabases of short reads and provide the largest metagenomic profiling to date of the human gut. It can be accessed at http://huttenhower.sph.harvard.edu/metaphlan/.

“Normal” for the gut microbiota For the benefit of future clinical studies, it is critical to establish what constitutes a “normal” gut microbiome, if it exists at all. Through fecal samples and questionnaires, Falony et al. and Zhernakova et al. targeted general populations in Belgium and the Netherlands, respectively. Gut microbiota composition correlated with a range of factors including diet, use of medication, red blood cell counts, fecal chromogranin A, and stool consistency. The data give some hints for possible biomarkers of normal gut communities. Science , this issue pp. 560 and 565