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

<1% ¡ Uncultured Cultured Biosphere ¡has ¡10 30 ¡-­‑10 31 ¡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/

Use ¡barcodes ¡to ¡assign ¡each ¡ Amplify ¡each ¡sample, ¡introducing ¡ ¡ Mix ¡samples ¡and ¡sequence ¡on ¡ sequence ¡to ¡the ¡sample ¡it ¡ barcode ¡into ¡each ¡sequence ¡using ¡ ¡ pyrosequencer ¡(GS ¡FLX) ¡ came ¡from, ¡dropping ¡ tagged ¡PCR ¡primers ¡ low-­‑quality ¡reads ¡ ~1 ¡Million ¡ Sequence ¡reads ¡ Use ¡community ¡clustering ¡ Group ¡related ¡sequences ¡ Trim ¡barcodes ¡and ¡build ¡ Build ¡phylogeneDc ¡tree ¡ techniques ¡(either ¡OUT-­‑ ¡ into ¡OTUs ¡for ¡downstream ¡ mulDple ¡sequence ¡alignment ¡ using ¡one ¡representaDve ¡ ¡ based ¡or ¡tree-­‑based) ¡to ¡ analyses ¡ based ¡on ¡reference ¡sequences ¡ of ¡each ¡OTUs ¡ relate ¡samples ¡to ¡one ¡another ¡ Hamady ¡& ¡Knight ¡2009 ¡Genome ¡Res. ¡19: ¡1141 ¡

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 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

= ¡1 ¡OTU ¡ Each ¡sequence ¡has ¡a ¡neighbor ¡ with ¡at ¡least ¡97% ¡relatedness ¡ (Nearest ¡Neighbor) ¡ = ¡2 ¡OTUs ¡ or ¡ All ¡sequences ¡within ¡a ¡cluster ¡ have ¡at ¡least ¡97% ¡relatedness ¡ (Furthest ¡Neighbor) ¡ Reproduced ¡from ¡Hamady ¡& ¡Knight ¡2009 ¡

Sample ¡1 ¡ Sample ¡2 ¡ OTU1 ¡ OTU1 ¡ OTU2 ¡ OTU2 ¡ OTU3 ¡ OTU3 ¡ OTU4 ¡

Select ¡representaDve ¡ Compare ¡to ¡ of ¡each ¡OTU ¡ databases ¡ Firmicute; ¡Bacillus ¡ OTU1 ¡ Firmicute; ¡Anaerococcus ¡ OTU2 ¡ Bacteroidetes; ¡Prevotella ¡ OTU3 ¡ OTU4 ¡ No ¡assignment ¡ [Phylum; ¡Genus] ¡ Alignment ¡of ¡sequences ¡to ¡SILVA, ¡RDP, ¡etc. ¡

Highest ¡ diversity ¡ Lowest ¡ 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

Sample ¡1 ¡ Sample ¡2 ¡ OTU1 ¡ OTU1 ¡ OTU2 ¡ OTU2 ¡ OTU3 ¡ OTU3 ¡ OTU4 ¡ Alpha ¡diversity , ¡i.e. ¡how ¡many ¡taxa ¡in ¡a ¡sample ¡ ¡

[Phylum level]

Sample ¡1 ¡ Sample ¡2 ¡ OTU1 ¡ OTU1 ¡ OTU2 ¡ OTU2 ¡ OTU3 ¡ OTU3 ¡ OTU4 ¡ Beta-­‑diversity , ¡i.e. ¡how ¡many ¡taxa ¡shared ¡across ¡samples ¡

• CYue & Clayton (theta YC ) 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 of those species Clusters ¡of ¡Orthologous ¡ Bacterial ¡Phyla ¡ Groups ¡(COGS) ¡ Cho ¡& ¡Blaser ¡2012 ¡Nature ¡Reviews ¡GeneDcs ¡13:260 ¡

Presence or absence of certain species can lead to changes in community composition Cho & Blaser 2012 Nature Reviews Genetics 13:260

Substantial core Minimal core No core Gradient (e.g. obesity, age) Subpopulation (e.g. geography, disease) Circles represent microbial communities Hamady & Knight 2009 Genome Res. 19: 1141

Differentiation of IBD patients and Healthy individuals Qin et al. Nature March 2010

• 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 • Live microorganisms ingredient (fiber) that which when results in specific administered in changes in the adequate amount composition and/or confer a health benefit activity of the on the host gastrointestinal microbiota • Live Bacterial Colonies • Food for bacteria • Found in yogurt, some cheeses, fermented • Found in garlic, leeks, Jerusalem artichokes, milk drinks (kefir) onions, chickory root

Diet can change the microbiome (in mice) Everard, A., Diabetes. 2011 November; 60(11): 2775–2786.

Differences in the fecal microbial communities of Malawians, Amerindians and US children and adults. T Yatsunenko et al. Nature 000 , 1-7 (2012) doi:10.1038/nature11053

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

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

Short-term diet alters the gut microbiota. LA David et al. Nature 000 , 1-5 (2013) doi:10.1038/nature12820

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

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 of 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?