Social relationships have profound effects on health in humans and other primates, but the mechanisms that explain this relationship are not well understood. Using shotgun metagenomic data from wild baboons, we found that social group membership and social network relationships predicted both the taxonomic structure of the gut microbiome and the structure of genes encoded by gut microbial species. Rates of interaction directly explained variation in the gut microbiome, even after controlling for diet, kinship, and shared environments. They therefore strongly implicate direct physical contact among social partners in the transmission of gut microbial species. We identified 51 socially structured taxa, which were significantly enriched for anaerobic and non-spore-forming lifestyles. Our results argue that social interactions are an important determinant of gut microbiome composition in natural animal populations—a relationship with important ramifications for understanding how social relationships influence health, as well as the evolution of group living.

Sex chromosomes have evolved many times in animals and studying these replicate evolutionary "experiments" can help broaden our understanding of the general forces driving the origin and evolution of sex chromosomes. However this plan of study has been hindered by the inability to identify the sex chromosome systems in the large number of species with cryptic, homomorphic sex chromosomes. Restriction site-associated DNA sequencing (RAD-seq) is a critical enabling technology that can identify the sex chromosome systems in many species where traditional cytogenetic methods have failed. Using newly generated RAD-seq data from 12 gecko species, along with data from the literature, we reinterpret the evolution of sex-determining systems in lizards and snakes and test the hypothesis that sex chromosomes can routinely act as evolutionary traps. We uncovered between 17 and 25 transitions among gecko sex-determining systems. This is approximately one-half to two-thirds of the total number of transitions observed among all lizards and snakes. We find support for the hypothesis that sex chromosome systems can readily become trap-like and show that adding even a small number of species from understudied clades can greatly enhance hypothesis testing in a model-based phylogenetic framework. RAD-seq will undoubtedly prove useful in evaluating other species for male or female heterogamety, particularly the majority of fish, amphibian, and reptile species that lack visibly heteromorphic sex chromosomes, and will significantly accelerate the pace of biological discovery.

The human gut microbiota is impacted by host nutrition and health status and therefore represents a potentially adaptive phenotype influenced by metabolic and immune constraints. Previous studies contrasting rural populations in developing countries to urban industrialized ones have shown that industrialization is strongly correlated with patterns in human gut microbiota; however, we know little about the relative contribution of factors such as climate, diet, medicine, hygiene practices, host genetics, and parasitism. Here, we focus on fine-scale comparisons of African rural populations in order to (i) contrast the gut microbiota of populations inhabiting similar environments but having different traditional subsistence modes and either shared or distinct genetic ancestry, and (ii) examine the relationship between gut parasites and bacterial communities. Characterizing the fecal microbiota of Pygmy hunter-gatherers as well as Bantu individuals from both farming and fishing populations in Southwest Cameroon, we found that the gut parasite Entamoeba is significantly correlated with microbiome composition and diversity. We show that across populations, colonization by this protozoa can be predicted with 79% accuracy based on the composition of an individual's gut microbiota, and that several of the taxa most important for distinguishing Entamoeba absence or presence are signature taxa for autoimmune disorders. We also found gut communities to vary significantly with subsistence mode, notably with some taxa previously shown to be enriched in other hunter-gatherers groups (in Tanzania and Peru) also discriminating hunter-gatherers from neighboring farming or fishing populations in Cameroon.

Background The human gut microbiome is associated with the development of colon cancer, and recent studies have found changes in the composition of the microbial communities in cancer patients compared to healthy controls. However, host-bacteria interactions are mainly expected to occur in the cancer microenvironment, whereas current studies primarily use stool samples to survey the microbiome. Here, we highlight the major shifts in the colorectal tumor microbiome relative to that of matched normal colon tissue from the same individual, allowing us to survey the microbial communities at the tumor microenvironment, and provides intrinsic control for environmental and host genetic effects on the microbiome. Results We characterized the microbiome in 44 primary tumor and 44 patient-matched normal colon tissues. We find that tumors harbor distinct microbial communities compared to nearby healthy tissue. Our results show increased microbial diversity at the tumor microenvironment, with changes in the abundances of commensal and pathogenic bacterial taxa, including Fusobacterium and Providencia. While Fusobacteria has previously been implicated in CRC, Providencia is a novel tumor- associated agent, and has several features that make it a potential cancer driver, including a strong immunogenic LPS and an ability to damage colorectal tissue. Additionally, we identified a significant enrichment of virulence-associated genes in the colorectal cancer microenvironment. Conclusions This work identifies bacterial taxa significantly correlated with colorectal cancer, including a novel finding of an elevated abundance of Providencia in the tumor microenvironment. We also describe several metabolic pathways and enzymes differentially present in the tumor associated microbiome, and show that the bacterial genes in the tumor microenvironment are enriched for virulence associated genes from the aggregate microbial community. This virulence enrichment indicates that the microbiome likely plays an active role in colorectal cancer development and/or progression. These reuslts provide a starting point for future prognostic and therapeutic research with the potential to improve patient outcomes.

Shotgun metagenomics and marker gene amplicon sequencing can be used to directly measure or predict the functional repertoire of the microbiota en masse, but current methods do not readily estimate the functional capability of individual microorganisms. Here we present BugBase, an algorithm that predicts organism-level coverage of functional pathways as well as biologically interpretable phenotypes such as oxygen tolerance, Gram staining, and pathogenic potential, within complex microbiomes using either whole-genome shotgun or marker gene sequencing data. We find the organism-level pathway coverage of BugBase predictions to be statistically higher powered than current bag-of-genes approaches for discerning functional changes in both host-associated and environmental microbiomes.

Recent studies have uncovered a strong effect of host genetic variation on the composition of host-associated microbiota. Here, we present HOMINID, a computational approach based on Lasso linear regression, that given host genetic variation and microbiome composition data, identifies host SNPs that are correlated with microbial taxa abundances. Using simulated data we show that HOMINID has accuracy in identifying associated SNPs, and performs better compared to existing methods. We also show that HOMINID can accurately identify the microbial taxa that are correlated with associated SNPs. Lastly, by using HOMINID on real data of human genetic variation and microbiome composition, we identified 13 human SNPs in which genetic variation is correlated with microbiome taxonomic composition across body sites. In conclusion, HOMINID is a powerful method to detect host genetic variants linked to microbiome composition, and can facilitate discovery of mechanisms controlling host-microbiome interactions.

The human gut microbiota is impacted by host nutrition and health status and therefore represents a potentially adaptive phenotype influenced by metabolic and immune constraints. Previous studies contrasting rural populations in developing countries to urban industrialized ones have shown that industrialization is strongly correlated with patterns in human gut microbiota; however, we know little about the relative contribution of factors such as climate, diet, medicine, hygiene practices, host genetics, and parasitism. Here, we focus on fine-scale comparisons of African rural populations in order to (i) contrast the gut microbiota of populations inhabiting similar environments but having different traditional subsistence modes and either shared or distinct genetic ancestry, and (ii) examine the relationship between gut parasites and bacterial communities. Characterizing the fecal microbiota of Pygmy hunter-gatherers as well as Bantu individuals from both farming and fishing populations in Southwest Cameroon, we found that the gut parasite Entamoeba is significantly correlated with microbiome composition and diversity. We show that across populations, colonization by this protozoa can be predicted with 79% accuracy based on the composition of an individual's gut microbiota, and that several of the taxa most important for distinguishing Entamoeba absence or presence are signature taxa for autoimmune disorders. We also found gut communities to vary significantly with subsistence mode, notably with some taxa previously shown to be enriched in other hunter-gatherers groups (in Tanzania and Peru) also discriminating hunter-gatherers from neighboring farming or fishing populations in Cameroon.