Metagenome-wide association analysis identifies microbial determinants of post-antibiotic ecological recovery in the gut

微生物群 生物 基因组 拟杆菌 抗生素 益生菌 生态学 肠道菌群 基因 细菌 微生物学 生物信息学 遗传学 免疫学
作者
Kern Rei Chng,Tarini Shankar Ghosh,Yi Han Tan,Tannistha Nandi,Ivor Russel Lee,Amanda Hui Qi Ng,Chenhao Li,Aarthi Ravikrishnan,Kar Mun Lim,David Chien Lye,Timothy Barkham,Karthik Raman,Swaine L. Chen,Louis Yi Ann Chai,Barnaby Edward Young,Yunn‐Hwen Gan,Niranjan Nagarajan
出处
期刊:Nature Ecology and Evolution [Springer Nature]
卷期号:4 (9): 1256-1267 被引量:114
标识
DOI:10.1038/s41559-020-1236-0
摘要

Loss of diversity in the gut microbiome can persist for extended periods after antibiotic treatment, impacting microbiome function, antimicrobial resistance and probably host health. Despite widespread antibiotic use, our understanding of the species and metabolic functions contributing to gut microbiome recovery is limited. Using data from 4 discovery cohorts in 3 continents comprising >500 microbiome profiles from 117 individuals, we identified 21 bacterial species exhibiting robust association with ecological recovery post antibiotic therapy. Functional and growth-rate analysis showed that recovery is supported by enrichment in specific carbohydrate-degradation and energy-production pathways. Association rule mining on 782 microbiome profiles from the MEDUSA database enabled reconstruction of the gut microbial 'food web', identifying many recovery-associated bacteria as keystone species, with the ability to use host- and diet-derived energy sources, and support repopulation of other gut species. Experiments in a mouse model recapitulated the ability of recovery-associated bacteria (Bacteroides thetaiotaomicron and Bifidobacterium adolescentis) to promote recovery with synergistic effects, providing a boost of two orders of magnitude to microbial abundance in early time points and faster maturation of microbial diversity. The identification of specific species and metabolic functions promoting recovery opens up opportunities for rationally determining pre- and probiotic formulations offering protection from long-term consequences of frequent antibiotic usage.
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