Preclinical mouse models suggest that the gut microbiome modulates tumor response to checkpoint blockade immunotherapy; however, this has not been well-characterized in human cancer patients. Here we examined the oral and gut microbiome of melanoma patients undergoing anti-programmed cell death 1 protein (PD-1) immunotherapy (

Bacterial diversity among environmental samples is commonly assessed with PCR-amplified 16S rRNA gene (16S) sequences. Perceived diversity, however, can be influenced by sample preparation, primer selection, and formation of chimeric 16S amplification products. Chimeras are hybrid products between multiple parent sequences that can be falsely interpreted as novel organisms, thus inflating apparent diversity. We developed a new chimera detection tool called Chimera Slayer (CS). CS detects chimeras with greater sensitivity than previous methods, performs well on short sequences such as those produced by the 454 Life Sciences (Roche) Genome Sequencer, and can scale to large data sets. By benchmarking CS performance against sequences derived from a controlled DNA mixture of known organisms and a simulated chimera set, we provide insights into the factors that affect chimera formation such as sequence abundance, the extent of similarity between 16S genes, and PCR conditions. Chimeras were found to reproducibly form among independent amplifications and contributed to false perceptions of sample diversity and the false identification of novel taxa, with less-abundant species exhibiting chimera rates exceeding 70%. Shotgun metagenomic sequences of our mock community appear to be devoid of 16S chimeras, supporting a role for shotgun metagenomics in validating novel organisms discovered in targeted sequence surveys.

Summary

 Neurodevelopmental disorders, including autism spectrum disorder (ASD), are defined by core behavioral impairments; however, subsets of individuals display a spectrum of gastrointestinal (GI) abnormalities. We demonstrate GI barrier defects and microbiota alterations in the maternal immune activation (MIA) mouse model that is known to display features of ASD. Oral treatment of MIA offspring with the human commensal Bacteroides fragilis corrects gut permeability, alters microbial composition, and ameliorates defects in communicative, stereotypic, anxiety-like and sensorimotor behaviors. MIA offspring display an altered serum metabolomic profile, and B. fragilis modulates levels of several metabolites. Treating naive mice with a metabolite that is increased by MIA and restored by B. fragilis causes certain behavioral abnormalities, suggesting that gut bacterial effects on the host metabolome impact behavior. Taken together, these findings support a gut-microbiome-brain connection in a mouse model of ASD and identify a potential probiotic therapy for GI and particular behavioral symptoms in human neurodevelopmental disorders. 

PaperClip

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 Human Microbiome Project Consortium has established a population-scale framework to study a variety of microbial communities that exist throughout the human body, enabling the generation of a range of quality-controlled data as well as community resources. 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.

Metagenomic approaches demonstrate that the human placenta is not sterile but harbors a unique microbiome.

The development of the microbiome from infancy to childhood is dependent on a range of factors, with microbial–immune crosstalk during this time thought to be involved in the pathobiology of later life diseases1–9 such as persistent islet autoimmunity and type 1 diabetes10–12. However, to our knowledge, no studies have performed extensive characterization of the microbiome in early life in a large, multi-centre population. Here we analyse longitudinal stool samples from 903 children between 3 and 46 months of age by 16S rRNA gene sequencing (n = 12,005) and metagenomic sequencing (n = 10,867), as part of the The Environmental Determinants of Diabetes in the Young (TEDDY) study. We show that the developing gut microbiome undergoes three distinct phases of microbiome progression: a developmental phase (months 3–14), a transitional phase (months 15–30), and a stable phase (months 31–46). Receipt of breast milk, either exclusive or partial, was the most significant factor associated with the microbiome structure. Breastfeeding was associated with higher levels of Bifidobacterium species (B. breve and B. bifidum), and the cessation of breast milk resulted in faster maturation of the gut microbiome, as marked by the phylum Firmicutes. Birth mode was also significantly associated with the microbiome during the developmental phase, driven by higher levels of Bacteroides species (particularly B. fragilis) in infants delivered vaginally. Bacteroides was also associated with increased gut diversity and faster maturation, regardless of the birth mode. Environmental factors including geographical location and household exposures (such as siblings and furry pets) also represented important covariates. A nested case–control analysis revealed subtle associations between microbial taxonomy and the development of islet autoimmunity or type 1 diabetes. These data determine the structural and functional assembly of the microbiome in early life and provide a foundation for targeted mechanistic investigation into the consequences of microbial–immune crosstalk for long-term health. Metagenomic sequencing analysis of stool samples from 903 children as part of the TEDDY study shows that breastfeeding was the most important factor associated with microbiome structure, and the cessation of breast milk resulted in faster maturation of the gut microbiome.

Most patients diagnosed with resected pancreatic adenocarcinoma (PDAC) survive less than 5 years, but a minor subset survives longer. Here, we dissect the role of the tumor microbiota and the immune system in influencing long-term survival. Using 16S rRNA gene sequencing, we analyzed the tumor microbiome composition in PDAC patients with short-term survival (STS) and long-term survival (LTS). We found higher alpha-diversity in the tumor microbiome of LTS patients and identified an intra-tumoral microbiome signature (Pseudoxanthomonas-Streptomyces-Saccharopolyspora-Bacillus clausii) highly predictive of long-term survivorship in both discovery and validation cohorts. Through human-into-mice fecal microbiota transplantation (FMT) experiments from STS, LTS, or control donors, we were able to differentially modulate the tumor microbiome and affect tumor growth as well as tumor immune infiltration. Our study demonstrates that PDAC microbiome composition, which cross-talks to the gut microbiome, influences the host immune response and natural history of the disease.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJhYzRhNmZkNTc5YmU2ZjRkODc4YTZkNDEyZDQzOTU5ZCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc5NTg1NzU4fQ.HAmtQFkvbA4In1T3Mp1Q5_-k0F8j95nVpB_i9ZK4a8YQTXXbQpR7OanIP61d5m4RfsTLl271pkjI9aGDjkqCtUvvXhtdiJWuotRTChwFgnIzkLU0GtwEKWTCb3mw611lUXcdOSdZOomD4sd4wh61HLaAt45oETSIQhaXarpvELzn8abxZh8odm4CeK5E7nP4NLlWIVD3pAMgHt4GQNX_2OL1kIvpS3GzzCN_Tn_Szhu83tAhumyVkYtf2Zr2OnMysRmWfLkE6e_YmW4MVHDpFp-Klq7UETATmhFBDOFZT98N36qhmdwQnRf7OwXPAh_KE2i1Xi6ORmFzKprAh8DWoA(mp4, (20.04 MB) Download video

Summary

 Maternal obesity during pregnancy has been associated with increased risk of neurodevelopmental disorders, including autism spectrum disorder (ASD), in offspring. Here, we report that maternal high-fat diet (MHFD) induces a shift in microbial ecology that negatively impacts offspring social behavior. Social deficits and gut microbiota dysbiosis in MHFD offspring are prevented by co-housing with offspring of mothers on a regular diet (MRD) and transferable to germ-free mice. In addition, social interaction induces synaptic potentiation (LTP) in the ventral tegmental area (VTA) of MRD, but not MHFD offspring. Moreover, MHFD offspring had fewer oxytocin immunoreactive neurons in the hypothalamus. Using metagenomics and precision microbiota reconstitution, we identified a single commensal strain that corrects oxytocin levels, LTP, and social deficits in MHFD offspring. Our findings causally link maternal diet, gut microbial imbalance, VTA plasticity, and behavior and suggest that probiotic treatment may relieve specific behavioral abnormalities associated with neurodevelopmental disorders. 

Video Abstract

Most studies describing the human gut microbiome in healthy and diseased states have emphasized the bacterial component, but the fungal microbiome (i.e., the mycobiome) is beginning to gain recognition as a fundamental part of our microbiome. To date, human gut mycobiome studies have primarily been disease centric or in small cohorts of healthy individuals. To contribute to existing knowledge of the human mycobiome, we investigated the gut mycobiome of the Human Microbiome Project (HMP) cohort by sequencing the Internal Transcribed Spacer 2 (ITS2) region as well as the 18S rRNA gene.Three hundred seventeen HMP stool samples were analyzed by ITS2 sequencing. Fecal fungal diversity was significantly lower in comparison to bacterial diversity. Yeast dominated the samples, comprising eight of the top 15 most abundant genera. Specifically, fungal communities were characterized by a high prevalence of Saccharomyces, Malassezia, and Candida, with S. cerevisiae, M. restricta, and C. albicans operational taxonomic units (OTUs) present in 96.8, 88.3, and 80.8% of samples, respectively. There was a high degree of inter- and intra-volunteer variability in fungal communities. However, S. cerevisiae, M. restricta, and C. albicans OTUs were found in 92.2, 78.3, and 63.6% of volunteers, respectively, in all samples donated over an approximately 1-year period. Metagenomic and 18S rRNA gene sequencing data agreed with ITS2 results; however, ITS2 sequencing provided greater resolution of the relatively low abundance mycobiome constituents.Compared to bacterial communities, the human gut mycobiome is low in diversity and dominated by yeast including Saccharomyces, Malassezia, and Candida. Both inter- and intra-volunteer variability in the HMP cohort were high, revealing that unlike bacterial communities, an individual's mycobiome is no more similar to itself over time than to another person's. Nonetheless, several fungal species persisted across a majority of samples, evidence that a core gut mycobiome may exist. ITS2 sequencing data provided greater resolution of the mycobiome membership compared to metagenomic and 18S rRNA gene sequencing data, suggesting that it is a more sensitive method for studying the mycobiome of stool samples.

Here we present a standard developed by the Genomic Standards Consortium (GSC) for reporting marker gene sequences—the minimum information about a marker gene sequence (MIMARKS). We also introduce a system for describing the environment from which a biological sample originates. The 'environmental packages' apply to any genome sequence of known origin and can be used in combination with MIMARKS and other GSC checklists. Finally, to establish a unified standard for describing sequence data and to provide a single point of entry for the scientific community to access and learn about GSC checklists, we present the minimum information about any (x) sequence (MIxS). Adoption of MIxS will enhance our ability to analyze natural genetic diversity documented by massive DNA sequencing efforts from myriad ecosystems in our ever-changing biosphere.