Microbiomes and Diet 02-223 What do you know about human - - PowerPoint PPT Presentation

Microbiomes and Diet

02-223

What do you know about human microbiomes?

• What fraction of the cells that walk

around with you are human?

• What percentage of the genes that

influence your health are human?

• What causes one to be obese?

Obesity is contagious

Christakis, NA, Fowler, JH, N Engl J Med 2007; 357:370-379July 26, 2007DOI: 10.1056/NEJMsa066082

Fei, N., Zhao, L.,The ISME Journal (2013) 7, 880–884; doi:10.1038/ismej.2012.153

Uncultured Cultured

<1% ¡ Biosphere ¡has ¡1030 ¡-­‑1031 ¡microbial ¡genomes ¡

• Mostly use 16S rRNA as a culture-

independent phylogenetic marker.

– Disadvantage: 16S rRNA sequences rarely reveal the physiology of the cells.

• Sequence whole environmental DNA

– Can show both the physiology and taxonomy of the cells

Most widely used marker gene Has both highly conserved regions and highly

variable regions

16s ¡rRNA ¡

Target ¡Gene ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡vs ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Metagenomics ¡

From http://cage.unl.edu/

Amplify ¡each ¡sample, ¡introducing ¡ ¡ barcode ¡into ¡each ¡sequence ¡using ¡ ¡ tagged ¡PCR ¡primers ¡ Use ¡barcodes ¡to ¡assign ¡each ¡ sequence ¡to ¡the ¡sample ¡it ¡ came ¡from, ¡dropping ¡ low-­‑quality ¡reads ¡ Trim ¡barcodes ¡and ¡build ¡ mulDple ¡sequence ¡alignment ¡ based ¡on ¡reference ¡sequences ¡ Group ¡related ¡sequences ¡ into ¡OTUs ¡for ¡downstream ¡ analyses ¡ Build ¡phylogeneDc ¡tree ¡ using ¡one ¡representaDve ¡ ¡

• f ¡each ¡OTUs ¡

Use ¡community ¡clustering ¡ techniques ¡(either ¡OUT-­‑ ¡ based ¡or ¡tree-­‑based) ¡to ¡ relate ¡samples ¡to ¡one ¡another ¡ Mix ¡samples ¡and ¡sequence ¡on ¡ pyrosequencer ¡(GS ¡FLX) ¡

Hamady ¡& ¡Knight ¡2009 ¡Genome ¡Res. ¡19: ¡1141 ¡ ~1 ¡Million ¡ Sequence ¡reads ¡

V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3

Sample 1 Sample 2

V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3 V 1 V 2 V 3

Sample 1 Sample 2

Sample 1 Sample 2

Each ¡sequence ¡has ¡a ¡neighbor ¡ with ¡at ¡least ¡97% ¡relatedness ¡ = ¡1 ¡OTU ¡ = ¡2 ¡OTUs ¡

• r ¡

All ¡sequences ¡within ¡a ¡cluster ¡ have ¡at ¡least ¡97% ¡relatedness ¡ (Nearest ¡Neighbor) ¡ (Furthest ¡Neighbor) ¡

Reproduced ¡from ¡Hamady ¡& ¡Knight ¡2009 ¡

OTU1 ¡ OTU2 ¡ OTU3 ¡ OTU4 ¡

Sample ¡1 ¡ Sample ¡2 ¡

OTU1 ¡ OTU2 ¡ OTU3 ¡

OTU1 ¡ OTU2 ¡ OTU3 ¡ OTU4 ¡ Select ¡representaDve ¡

• f ¡each ¡OTU ¡

Compare ¡to ¡ databases ¡ [Phylum; ¡Genus] ¡

Firmicute; ¡Bacillus ¡ Firmicute; ¡Anaerococcus ¡ Bacteroidetes; ¡Prevotella ¡ No ¡assignment ¡

Alignment ¡of ¡sequences ¡to ¡SILVA, ¡RDP, ¡etc. ¡

Lowest ¡ diversity ¡ Highest ¡ diversity ¡

• Alpha-diversity vs beta-diversity

– How many taxa in a sample vs how many are shared across samples

• Community membership (qualitative) vs

community structure (quantitative)

– Presence-absence vs relative abundance

• Phylogenetic vs taxon-based

– Evolutionary relatedness of sequences vs all taxa phylogenetically equivalent

OTU1 ¡ OTU2 ¡ OTU3 ¡ OTU4 ¡

Sample ¡1 ¡ Sample ¡2 ¡

OTU1 ¡ OTU2 ¡ OTU3 ¡

Alpha ¡diversity, ¡i.e. ¡how ¡many ¡taxa ¡in ¡a ¡sample ¡ ¡

[Phylum level]

OTU1 ¡ OTU2 ¡ OTU3 ¡ OTU4 ¡

Sample ¡1 ¡ Sample ¡2 ¡

OTU1 ¡ OTU2 ¡ OTU3 ¡

Beta-­‑diversity, ¡i.e. ¡how ¡many ¡taxa ¡shared ¡across ¡samples ¡

• CYue & Clayton (thetaYC) measure of similarity. UniFrac weighted or

unweighted difference

HMP ¡ConsorDum ¡2012 ¡Nature ¡486: ¡207 ¡

Genomic Diversity

• Human Genome, 1-2%
• Microbiome, huge

– More diversity in species than in functions

• f those species

Bacterial ¡Phyla ¡ Clusters ¡of ¡Orthologous ¡ Groups ¡(COGS) ¡

Cho ¡& ¡Blaser ¡2012 ¡Nature ¡Reviews ¡GeneDcs ¡13:260 ¡

Cho & Blaser 2012 Nature Reviews Genetics 13:260

Presence or absence

• f certain species can

lead to changes in community composition

Hamady & Knight 2009 Genome Res. 19: 1141

Circles represent microbial communities

Substantial core No core Minimal core Gradient (e.g. obesity, age) Subpopulation (e.g. geography, disease)

Qin et al. Nature March 2010

Differentiation of IBD patients and Healthy individuals

• There may be loss of recovery from

continued perturbations

– Example: antibiotics

Dethlefesen et al. 2008 PLoS Biol 6: e280

Borody & Khoruts 2012 Nat Rev Gastroenterol Hepatol 9: 88-96

Koren, O.; Cell. Aug 3, 2012; 150(3): 470–480.

Koren, O.; Cell. Aug 3, 2012; 150(3): 470–480.

Where do we get our microbiome?

What influences what bugs we grow?

Morowitz et al. PNAS 2011

Infant Diet Changes the Microbiome

Schwartz, S., Genome Biol. 2012; 13(4): r32.

Prebiotics vs Probiotics

• Selectively fermented

ingredient (fiber) that results in specific changes in the composition and/or activity of the gastrointestinal microbiota

• Food for bacteria
• Found in garlic, leeks,

Jerusalem artichokes,

• nions, chickory root
• Live microorganisms

which when administered in adequate amount confer a health benefit

• n the host
• Live Bacterial Colonies
• Found in yogurt, some

cheeses, fermented milk drinks (kefir)

Diet can change the microbiome (in mice)

Everard, A., Diabetes. 2011 November; 60(11): 2775–2786.

T Yatsunenko et al. Nature 000, 1-7 (2012) doi:10.1038/nature11053

Differences in the fecal microbial communities of Malawians, Amerindians and US children and adults.

Venn diagram of the exclusive and shared genera of Bangladeshi and U.S. children based on V1–V3 16S rDNA sequence data.

Lin A, Bik EM, Costello EK, Dethlefsen L, et al. (2013) PLoS ONE 8(1): e53838. doi:10.1371/journal.pone.0053838

16S rRNA gene surveys reveal a clear separation of two children populations investigated (Europe and rural Africa).

De Filippo C et al. PNAS 2010;107:14691-14696

MJ Claesson et al. Nature 000, 1-7 (2012) doi:10.1038/nature11319

Microbiota analysis separates elderly subjects based upon where they live in the community.

MJ Claesson et al. Nature 000, 1-7 (2012) doi:10.1038/nature11319

Dietary patterns in community location correlate with separations based on microbiota composition.

MJ Claesson et al. Nature 000, 1-7 (2012) doi:10.1038/nature11319

Transition in microbiota composition across residence location is mirrored by changes in health indices.

LA David et al. Nature 000, 1-5 (2013) doi:10.1038/nature12820

Short-term diet alters the gut microbiota.

LA David et al. Nature 000, 1-5 (2013) doi:10.1038/nature12820

Foodborne microbes are detectable

How does diet influence health?

So what?

• Do you want to know what you

microbiome is?

• Would you change your diet to feed

your bacteria?

• Under what conditions would you?

Cancer treatments? Obesity bug? Risk

• f developing autoimmune disease

(rheumatoid arthritis)?

American Gut Project

http://humanfoodproject.com/americangut/

Project to sequence thousands of human microbiomes. American version of international project $99 you can send in your sample - this supports the scientists who are doing the work Trying to connect it to diet - need a 7 day diet journal

Cheese! ¡

Unique ¡cheese ¡made ¡by ¡straining ¡milk ¡ ¡ curdled ¡through ¡the ¡metabolism ¡of ¡ bacteria ¡isolated ¡from ¡different ¡body ¡ ¡

• parts. ¡

Some cheese microbiome data

Some cheese microbiome data

If you want to sequence the microbiome of YOUR favorite cheese, take 02-261 in Fall 2015!

Questions?