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MetaHIT Consortium: Almeida M, Antolin M, Artiguenave F, Batto JM, Bertalan M, Blottiere H, Boruel N, Brechot C, Bruls T, Burgdorf K, Casellas F, Cultrone A, de Vos WM, Delorme C, Denariaraz G., Derrien M, Dervyn R, Feng Q, Grarup N, Guarner F, Guedon E, Haimet F, Jamet A, Juncker A, Juste C, Kennedy S, Khaci G, Kleerebezem M, Knoll J, Layec S, Leclerc M, Leonard P, LePaslier D, m'Rini C, Maguin E, Manichanh C, Mende D, Merieux A, Oozer R, Parkhill J, Pelletier E, POns N, QinJ, rasmussen S, Renault P, Rescigno M, Sanchez N, Sicheritz-Ponten T, Tap J, Tims S, Torrejon A, Turner K, van de Guchet M, van hylckama Vlieg JE, Vandemeulebrouck G, Varela E, Veiga P, Weissenbach J, Winogradski Y, Yamada T, Zoetendal EG; Insulin resistance is a forerunner state of ischaemic cardiovascular disease and type 2 diabetes. Here we show how the human gut microbiome impacts the serum metabolome and associates with insulin resistance in 277 non-diabetic Danish individuals. The serum metabolome of insulin-resistant individuals is characterized by increased levels of branched-chain amino acids (BCAAs), which correlate with a gut microbiome that has an enriched biosynthetic potential for BCAAs and is deprived of genes encoding bacterial inward transporters for these amino acids. Prevotella copri and Bacteroides vulgatus are identified as the main species driving the association between biosynthesis of BCAAs and insulin resistance, and in mice we demonstrate that P. copri can induce insulin resistance, aggravate glucose intolerance and augment circulating levels of BCAAs. Our findings suggest that microbial targets may have the potential to diminish insulin resistance and reduce the incidence of common metabolic and cardiovascular disorders.

Background: Research into the association between the microbiome and SARS-CoV-2 infection and acute respiratory distress syndrome remains unclear. Here we examined the dynamics of the gut and respiratory microbiomes in severe COVID-19 cases in need of mechanical ventilation in the intensive care unit (ICU). Methods: We recruited 76 critically ill patients (48 with COVID-19 and 32 without COVID-19) and 17 healthy controls (HCs) and monitored them for up to 4 weeks. We analyzed the bacterial and fungal taxonomic profiles and loads of 232 gut and respiratory samples and we measured blood levels of Interleukin 6, IgG, and IgM in COVID-19 patients. Results: At ICU admission, bacterial composition and load in the gut and respiratory samples were altered in critically ill patients compared to HCs. Six bacterial species could discriminate ICU-COV(+) from ICU-COV(-) cases. During their time in the ICU, all patients experienced increased bacterial and fungal loads, decreased bacterial richness, and progressive changes in bacterial and fungal taxonomic profiles. In ICU-COV(+) patients, Pseudomonas was found positively and Streptococcus negatively correlated with the length of ICU stay. Respiratory bacterial signatures, associated with disease severity and inflammation markers, were predictive of death and a fecal dysbiosis score, associated negatively with PaO2/FiO2 ratio, could be used as an additional indicator for ICU admission. Conclusion: We propose using a high-throughput sequencing approach as an alternative to traditional isolation techniques to monitor the ICU-COV(+) patient infection., Zixuan Xie received a fellowship from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Sklodowska-Curie Action, Innovative Training Network: FunHoMic; grant number 812969. Chaysavanh Manichanh received a grant from the Instituto de Salud Carlos III/FEDER (PI17/00614; PI20/00130)

La dieta és reconeguda com el principal impulsor dels canvis en la microbiota intestinal. Sense embargo, vincular la ingesta dietètica habitual amb la composició i l’activitat del microbioma sigue siendo un desafiament, el que deixa a la majoria dels estudis de microbioma amb poca o cap informació dietètica. Per llenar este vacío de conocimiento, llevamos a cabo dos estudios consecutivos (n = 84): un primer estudio piloto (n = 40) per construir un breu QFCA semicuantitativo via web (bQFCA) basat en tres recordatoris dietéticos de 24 horas (24HRs) ; un estudio (n = 44) va servir per validar el bQFCA recentment desenvolupat utilitzant tres 24HR com a mètode de referència i per a relacionar el perfil del microbioma intestinal (gen 16S rRNA) amb les dades extretes de la dieta i l’estil de vida. El análisis de validación relativa proporcionó una clasificación y un acuerdo aceptables para 13 de 24 (54 %) grupos de alimentos y 20 de 29 nutrientes (69 %) según el coeficiente de correlación intraclase, la clasificación cruzada, la correlación de Spearman, la prueba de Wilcoxon i anàlisi de Bland-Altman. L’anàlisi de microbiomes mostró que una major diversitat va associar positivament amb l’edat, la part vaginal i la ingesta de fruites. En contrast, la diversitat microbiana s’associa negativament amb l’IMC, les carnes processades, els menjars llistes per a consumir, el sodi i les grasses saturades. El nostre anàlisi també va revelar una correlació entre els grups d’aliments o nutrients i composició microbiana. En general, proporcionem la primera eina d’avaluació dietètica que es validarà i correlacionarà amb dades de microbioma per a estudis de població. La dieta es reconocida como el principal impulsor de los cambios en la microbiota intestinal. Sin embargo, vincular la ingesta dietética habitual con la composición y actividad del microbioma sigue siendo un desafío, lo que deja a la mayoría de los estudios de microbioma con poca o ninguna información dietética. Para llenar este vacío de conocimiento, llevamos a cabo dos estudios consecutivos (n = 84): un primer estudio piloto (n = 40) para construir un breve CFCA semicuantitativo via web (bCFCA) basado en tres recordatorios dietéticos de 24 horas (24HRs); un segundo estudio (n = 44) sirvió para validar el bCFCA recientemente desarrollado utilizando tres 24HR como método de referencia y para relacionar el perfil del microbioma intestinal (gen 16S rRNA) con los datos extraídos de la dieta y el estilo de vida. El análisis de validación relativa proporcionó una clasificación y un acuerdo aceptables para 13 de 24 (54 %) grupos de alimentos y 20 de 29 nutrientes (69 %) según el coeficiente de correlación intraclase, la clasificación cruzada, la correlación de Spearman, la prueba de Wilcoxon y análisis de Bland-Altman. El análisis de microbiomas mostró que una mayor diversidad se asoció positivamente con la edad, el parto vaginal y la ingesta de frutas. En contraste, la diversidad microbiana se asoció negativamente con el IMC, las carnes procesadas, las comidas listas para consumir, el sodio y las grasas saturadas. Nuestro análisis también reveló una correlación entre los grupos de alimentos o nutrientes y composición microbiana. En general, proporcionamos la primera herramienta de evaluación dietética que se validará y correlacionará con datos de microbioma para estudios de población. Diet is recognised as the main driver of changes in gut microbiota. However, linking habitual dietary intake to microbiome composition and activity remains a challenge, leaving most microbiome studies with little or no dietary information. To fill this knowledge gap, we conducted two consecutive studies (n = 84): a first pilot study (n = 40) to build a web-based, semi-quantitative simplified FFQ (sFFQ) based on three 24-h dietary recalls (24HRs); a second study (n = 44) served to validate the newly developed sFFQ using three 24HRs as reference method and to relate gut microbiome profiling (16S rRNA gene) with the extracted dietary and lifestyle data. Relative validation analysis provided acceptable classification and agreement for 13 out of 24 (54%) food groups and 20 out of 29 nutrients (69%) based on intraclass correlation coefficient, cross-classification, Spearman’s correlation, Wilcoxon test, and Bland-Altman analysis. Microbiome analysis showed that higher diversity was positively associated with age, vaginal birth, and intake of fruit. In contrast, microbial diversity was negatively associated with BMI, processed meats, ready-to-eat meals, sodium, and saturated fat. Our analysis also revealed a correlation between food groups or nutrients and microbial composition. Overall, we provide the first dietary assessment tool to be validated and correlated with microbiome data for population studies. Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Medicina

Inflammatory bowel disease (IBD) is a chronic disease with periods of active and inactive inflammation that constitutes to an important health problem worldwide. It is divided in two subtypes: Crohn s disease (CD) and ulcerative colitis (UC) that present similar symptoms but different clinical manifestations. IBD has been widely associated with an alteration of the gut microbiome composition. Nevertheless, there is no clear consensus on the microbial pattern characteristic of the disorders. A cohort of 356 fecal samples from non-IBD controls and IBD patients was analyzed, applying a 16S rRNA gene sequencing approach to compare the fecal microbiome composition. Fecal and fungal loads were also obtained using real-time PCR amplification of the ITS2 region and the 16S rRNA gene, respectively. We combined the microbial data, demographic and standard laboratory data to discriminate CD and UC and to predict disease relapse implementing the random forest machine learning method.

Fins ara, les aproximacions meta-òmiques utilitzen tecnologies de seqüenciació d'alt rendiment, que produeixen una quantitat enorme de dades, desafiant així els ordinadors moderns actuals. Hem desenvolupat una nova pipeline (unió de diverses eines per realitzar una determinada tasca) de codi obert, que hem anomenat MetaTrans, per analitzar l'estructura i les funcions de les comunitats microbianes actives utilitzant la potència dels ordinadors multi-fil. La pipeline està dissenyada per realitzar dos tipus d'anàlisis de seqüenciació de RNA (RNA-Seq): el taxonòmic i el d’expressió gènica. Fa un control de qualitat, elimina l’rRNA, alinea lectures de seqüenciació (anomenades reads) contra bases de dades funcionals i també dur a terme anàlisis d’expressió gènica diferencial. La seva eficàcia va ser validada per mitjà de l'anàlisi de dades de simulacions sintètiques de comunitats, dades generades en un altre estudi de la síndrome de l'intestí irritable (SII), i comparant amb un estudi, publicat recentment, sobre metagenòmica i metatranscriptòmica. En comparació amb un servidor d'aplicacions web existent, MetaTrans mostra més eficiència en termes de temps d'execució (al voltant de 2 hores per milió de transcripcions) i presenta eines adaptades per comparar nivells d'expressió gènica. S'ha provat amb una base de dades de microbioma de l'intestí humà, però també proposa una opció per utilitzar una base de dades general per tal d'analitzar altres ecosistemes. Per a la instal·lació i l'ús de la pipeline, proporcionem una guia detallada a la següent pàgina web (www.metatrans.org). A continuació, vam utilitzar aquesta pipeline per investigar els perfils taxonòmics i funcionals de la microbiota activa en pacients amb la malaltia de Crohn (MC) i colitis ulcerosa (CU), dues formes principals de la malaltia inflamatòria intestinal (MII). Per a aquest propòsit, els controls sans i els pacients amb MC i CU van proporcionar mostres fecals en dos punts de temps, en els quals es va generar el DNA complementari (cDNA) i es va seqüenciar. La nostra anàlisi de les dades seqüenciades va revelar que MC i la CU presentaven un diferent perfil actiu de microbioma tant a nivell taxonòmic com funcional. A més a més, els pacients amb MC van mostrar una major disbiosis que els pacients de amb CU. Els nostres resultats també van suggerir que la desregulació de diferents vies o rutes metabòliques relacionades amb el metabolisme dels àcids grassos de cadena curta i la supervivència cel·lular estava associada amb la gravetat de la malaltia. En conjunt, el nostre estudi proporciona una descripció molt completa de les funcions microbianes que són actives, i prepara el camí per a futures investigacions sobre la síndrome de l'intestí irritable i les malalties inflamatòries intestinals. To date, meta-omic approaches use high-throughput sequencing technologies, which produce a tremendous amount of data, thus challenging modern computers. We developed a new open-source pipeline, namely MetaTrans, to analyze the structure and functions of active microbial communities using the power of multi-threading computers. The pipeline is designed to perform two types of RNA-Seq analyses: taxonomic and gene expression. It performs quality-control assessment, rRNA removal, maps reads against functional databases and also handles differential gene expression analysis. Its efficacy was validated analyzing data from synthetic mock communities, data generated from a previous study on irritable bowel syndrome (IBS), and comparing with a recently published metagenomics and metatranscriptomics study. Compared to an existing web application server, MetaTrans shows more efficiency in terms of runtime (around 2 hours per million of transcripts) and presents adapted tools to compare gene expression levels. It has been tested with a human gut microbiome database but also proposes an option to use a general database in order to analyze other ecosystems. For the installation and use of the pipeline, we provide a detailed guide at the following website (www.metatrans.org). We next applied this pipeline to investigate the taxonomic and functional profilings of the active microbiota of patients with Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC), two main forms of inflammatory bowel disease (IBD). For this purpose, healthy controls and patients with CD and UC provided fecal samples at two time points, from which cDNA were generated and sequenced. Our analysis of the sequence data revealed that CD and UC presented a distinct active microbiome profile at the taxonomic as well as functional level. Furthermore, CD patients showed greater dysbiosis than UC patients. Our results also suggested that dysregulations of different pathways related to the Short Chain Fatty Acids metabolism and cell survival were associated with disease severity. Altogether, our study provides a very comprehensive description of the active microbial functions and paves the way for future investigations on irritable bowel syndrome and inflammatory bowel diseases.

La microbiota intestinal desempeña un papel crucial en el manteniendo la homeostasis intesitnal. Alteraciones en la composición microbiana, también conocidas como disbisosis, pueden poner en peligro el estado de salud e incrementar el riesgo a padecer una enfermedad. Aunque muchas enfermedades se han asociado a cambios en la microbiota intestinal, todavía se desconoce si dichas alteraciones son la causa o la consecuencia de las patologías. La enfermedad inflamatoria intestinal (EII) es una enfermedad inflamatoria crónica que se caracteriza por periodos de inflamación y constituye un problema de salud dado. La EII presenta dos subtipos: enfermedad de Crohn y colitis ulcerosa, con síntomas similares pero diferentes manifestaciones clínicas. La EII se ha relacionado ampliamente con cambios en la microbiota intestinal. A pesar de los múltiples estudios que existen, no hay un claro consenso en el perfil microbiano asociado a la enfermedad. Las principales discordancias se dan entre las diferencias asociadas a enfermedad de Crohn y la colitis ulcerosa. Algunos investigadores han demostrado que la composición microbiana en colitis ulcerosa es muy similar a la de individuos sanos y ambas difieren de la composición de enfermos de Crohn. En cambio, otros investigadores han visto que las diferencias de colitis ulcerosa y Crohn respecto a sanos son muy similares por lo que consideran ambos subtipos como una única enfermedad (EII). El principal objetivo de esta tesis es determinar la disbiosis en una cohorte de EII española para evaluar hasta qué punto las funciones y composición microbiana difieren entre Crohn y colitis y si los datos de microbioma podrían emplearse como herramientas de diagnóstico. Para ello, analizamos muestras fecales de sanos, enfermos de Crohn y enfermos de colitis usando dos metodologías: secuenciación del gen 16SARNr (o 16S ADNr) y secuenciación por fragmentación del genoma. Como se preveía, observamos la presencia de disbiosis en EII. Además, vimos que las alteraciones en composición microbiana y funciones eran diferentes para Crohn que para colitis, mostrando una mayor disbiosis en Crohn que en enfermos de colitis ulcerosa y con colitis mostrando un patrón muy similar a la microbiota de individuos sanos. Los resultados funcionales encontrados en esta tesis confirman la mayor disbiosis descrita en pacientes de Crohn en comparación con pacientes de colitis ulcerosa en composición microbiana. Estos individuos presentan una mayor cantidad de genes principalmente asociados a metabolismo y enfermedades inmunes que los enfermos de colitis ulcerosa y sanos. A pesar de que los datos de 16S ADNr y secuenciación por fragmentación no detectaron las mismas diferencias entre Crohn y colitis, ambas metodologías permitieron la clasificación de los distintos subtipos de EII con una proporción similar. Más estudios son necesarios para validar los resultados de esta tesis en otras cohortes de pacientes que incluyan Crohn localizado en colon o pacientes recién diagnosticados que no hayan sido sometidos a tratamiento antes de la aplicación de estas metodologías como herramientas diagnósticas en clínica. The gut commensal microbiota is known to play a crucial role in maintaining intestinal homeostasis. Alterations in the microbial community composition, also known as dysbiosis, may put health status in risk and increase susceptibility to diseases. Although several diseases have been related to shifts in the gut microbiome composition, it is still uncertain whether those alterations are the cause or consequence of the disease. Inflammatory bowel disease (IBD) is a chronic inflammatory disease with periods of active and inactive inflammation that constitutes to an important health problem. It is divided in two subtypes: Crohn’s disease (CD) and ulcerative colitis (UC) that present similar symptoms but different clinical manifestations. IBD has been widely associated with an alteration of the gut microbiome composition. Nevertheless, there is no clear consensus on the microbial pattern characteristic of the disorders. Main discordances between studies are related to differences between UC and CD. Some previous publications indicate that UC microbial composition is very similar to healthy and differs from CD whereas others consider both subtypes as a unique entity and find high alterations in UC and CD microbial composition in comparison with the microbiome of healthy individuals. The aim of this thesis was to characterize the dysbiosis in a Spanish IBD cohort to evaluate to which extend the gut microbiome composition and function could be differentiated between CD and UC and whether microbiome data could be used as diagnostic and prognostic tools. For this purpose, we analyzed fecal samples of healthy individuals, CD (affected in the ileum) and UC patients using two different methodologies: 16S rRNA gene (or 16S rDNA) and shotgun (short genomic fragments) sequencing. As expected, we observed the presence of dysbiosis in IBD. Furthermore, we showed that microbial composition and function alterations were different for CD and UC, with greater dysbiosis in CD than in UC and with UC resembling more to a healthy state. Functional findings also confirmed this higher dysbiosis in CD than in UC and revealed genes implicated in metabolism pathways and in immune diseases in higher abundance in CD compared with healthy individuals and UC. Although 16S rDNA and shotgun data did not detect differences in the dysbiosis in CD and UC in a consistent manner, both methodologies allowed the classification of IBD subtypes in a similar proportion. Future studies should validate these results using other patient cohorts such as colonic CD or recently diagnosed patients before the application of these techniques as diagnostic tools in clinical practice.

La microbiota intestinal desempeña un papel fundamental en el desarrollo del sistema inmune y en el mantenimiento de la homeostasis del huésped suprimiendo las respuestas a los patógenos y reforzando la integridad de las funciones de la barrera intestinal. Por lo tanto, una dysbiosis, descrita como una desviación en la composición y función, puede afectar al estado de salud y a la susceptibilidad a enfermedades. Diferentes patologías se han asociado con cambios en la composición de la microbiota intestinal, sin embargo, si la dysbiosis es un factor contribuyente o una consecuencia de la enfermedad todavía es incierto. La cirrosis se considera un importante problema de salud pública, siendo una enfermedad progresiva y crónica caracterizada por una inflamación asociada con la muerte de las células hepáticas y fibrosis, conduciendo a una disfunción celular y a hipertensión portal. Se sabe que la microbiota intestinal desempeña un papel importante en la cirrosis, siendo la translocación bacteriana un factor clave en la patogénesis y sus complicaciones. La translocación bacteriana se define como la migración de bacterias viables o sus productos del tracto gastrointestinal a los ganglios linfáticos mesentéricos y otros sitios extra-intestinales. Alteraciones en la microbiota intestinal normal, un deterioro del estado inmunitario y el daño en la barrera intestinal con el consecuente aumento en la permeabilidad, son los diferentes mecanismos implicados en esta translocación. Se hipotetiza que las alteraciones de la composición microbiana podrían favorecer la translocación bacteriana y activar una respuesta inmunitaria con la consiguiente liberación de citocinas y una respuesta inflamatoria que crea una retroalimentación en la que la translocación bacteriana promueve sus propios mecanismos causales. Dado que la translocación bacteriana no se ha estudiado extensamente en humanos y se sabe muy poco sobre el microbioma de los sitios extra-intestinales, realizamos dos estudios en humanos y animales para comprender mejor la relevancia de este fenómeno en la cirrosis hepática. En el primer estudio, concluimos que la comunidad microbiana del suero y líquido ascítico es específico y complejo. Además, proponemos que la alteración de la composición microbiana en suero y heces podría considerarse un indicador de progresión de la cirrosis. En el segundo estudio, demostramos que los cambios del microbioma en el contenido intestinal se asocian con cambios microbianos en los ganglios linfáticos mesentéricos y un aumento en la producción de citoquinas, proporcionando evidencia adicional del rol del eje hepato-intestinal e inmunidad en la progresión de la cirrosis. The intestinal microbiota is known to play a pivotal role in the development of the host immune system and in the maintenance of host homeostasis by suppressing responses to pathogens and by enforcing the integrity of the barrier functions of the gut mucosa. Therefore, dysbiosis, described as the deviation in the composition and function of the gut microbiome, may affect the human health status and disease susceptibility. Different pathologies have been associated with changes in the composition of the intestinal microbiota, however, whether dysbiosis is a contributing factor or a consequence of the disease is still uncertain. Cirrhosis is considered an important public health problem and is a progressive and chronic condition characterised by inflammation associated with dying hepatic cells and fibrosis, which lead to cellular dysfunction and portal hypertension. It is known that gut microbiota plays an important role in cirrhosis, bacterial translocation being a key factor in the pathogenesis and its complications. Bacterial translocation is defined as the migration of viable bacteria or their products from the gastrointestinal tract to mesenteric lymph nodes and other extra-intestinal sites. Alterations of the normal intestinal microbiota, impairment of the immune status, and damage of the gut barrier that increases permeability, are the different mechanisms involved in translocation. It is hypothesised that alterations of microbial composition could favour bacterial translocation and activate an immune response with the consequent release of cytokines and an inflammatory response creating a feedback in which bacterial translocation promotes its own causative mechanisms. Since bacterial translocation has not been extensively studied in humans and very little is known about the microbiome of extra-intestinal sites in patients with cirrhosis, we performed two studies in both humans and animals, to better understand the relevance of this phenomenon in liver cirrhosis. In the first study, we conclude that serum and ascitic fluid of patients with cirrhosis contain a complex and specific microbial community. Moreover, we propose that alteration of the serum and faecal microbiome composition could be considered indicators of cirrhosis progression. In the second study, we conclude that microbiome changes in intestinal sites are associated with microbial shifts in the mesenteric lymph nodes as well as an increase in cytokine production, providing further evidence of the role of the gut-liver-immunity axis in the progression of cirrhosis.

La microbiota intestinal es un factor determinante de la homeostasis intestinal, siendo por lo tanto un agente imprescindible del estado de salud. Su composición podría estar alterada como consecuencia de factores externos tales como tratamientos con antibióticos o causada por enfermedades intestinales como el síndrome del intestino irritable (SII). Esta tesis doctoral se centró en la comprensión de la alteración de esta ecología microbiana con respecto a una terapia con antibióticos y la presencia de movimientos intestinales modificados en personas que sufren de síndrome de intestino irritable. Nuestros resultados mostraron que la baja diversidad surgida después del tratamiento con antibióticos fue asociada, inesperadamente, con un aumento de la carga bacteriana total. Sin embargo, sujetos afectados con SII, particularmente del subtipo diarreico, tenían menor diversidad bacteriana acompañada de una reducción de las bacterias productoras de butirato y de las productoras de metano comparado con sujetos sanos. En general los hallazgos de este estudio son que una administración incontrolada de antibióticos puede causar cambios severos en la composición de la comunidad bacteriana intestinal, favorecer el sobrecrecimiento de microbios resistentes y esta observación puede explicar que las alteraciones microbianas en etapas iniciales de la vida podrían llegar a desarrollar enfermedades intestinales., The intestinal microbiota is a key determinant of gut homeostasis, thereby being an imperative agent of health status. Its composition could be altered as a consequence of external factors such as antibiotic treatment or as a possible cause of intestinal disorders such as irritable bowel syndrome (IBS). In this doctoral thesis we focused on understanding to which extent antibiotic treatment could modify the gut microbiome and how an alteration of its composition could be associated with IBS. Our results showed that the lower diversity occurring after antibiotic treatment was unexpectedly associated with an increase of the overall microbial load. Furthermore, subjects suffering from IBS, particularly diarrhoea predominant subtype, had lower bacterial diversity accompanied by a reduced relative abundance of butyrate-producing and methanogenic microbes compared to healthy subjects. Altogether the findings of this study are that uncontrolled intake of antibiotics may cause tremendous changes in the gut microbial community composition, favouring the overgrowth of resistant microbes; and this observation may explain that alterations of the microbial composition earlier in life could lead to intestinal disorders.