Mobile gener fra moderen former babyens mikrobiom

En mor giver sit barn alt: kærlighed, kram, kys … og en robust hær af bakterier.

Disse simple celler, som rejser fra mor til baby ved fødslen og i månederne med intim kontakt, der følger, danner de første frø af barnets mikrobiom - det udviklende samfund af symbiotiske mikroorganismer, der er knyttet til kroppens sunde funktion. Forskere ved Broad Institute ved Massachusetts Institute of Technology og Harvard University gennemførte for nylig den første storstilede undersøgelse af, hvordan en mors og hendes spædbarns mikrobiomer udvikler sig sammen i løbet af det første leveår. Deres nye studie, udgivet i Cell i december fandt ud af, at disse moderbidrag ikke er begrænset til komplette celler. Små stykker DNA kaldet mobile genetiske elementer hopper fra moderens bakterier til babyens bakterier, selv måneder efter fødslen.

Denne måde for overførsel, som aldrig er set før i dyrkningen af ​​et spædbarns mikrobiom, kunne spille en afgørende rolle for at fremme vækst og udvikling. At forstå, hvordan et barns mikrobiom udvikler sig, kunne forklare, hvorfor nogle børn er mere disponerede for visse sygdomme end andre, sagde Victoria Carr, en primær bioinformatiker ved Wellcome Sanger Institute, som ikke var en del af undersøgelsen.

"Det er et stort spørgsmål: Hvordan får vi vores mikrober?" sagde Nicola Segata, en professor ved universitetet i Trento i Italien, som heller ikke var en del af undersøgelsen.

Vores kroppe er hjemsted for omtrent lige så mange bakterieceller som menneskelige celler, og de fleste af dem lever inde i vores tarme. Hver af os rummer massivt forskellige biblioteker af bakteriearter og stammer erhvervet gennem livet. Men babyer starter næsten sterilt. Den første større infusion af mikrober menes at komme fra moderen under fødslen, når barnet forlader livmoderen. Den bakterielle gave skaber stilladset for et blomstrende mikrobielt fællesskab i kroppen, der opretholder os resten af ​​vores liv. (Spædbørn født ved kejsersnit får ikke den samme indledende infusion af mikrober, som babyer får fra vaginal fødsel, men de samler dem langsomt senere.)

En af mikrobiomets virkninger, forklarede Segata, er at konditionere værtens immunsystem og stofskifte i løbet af de første par leveår. Disse indledende træningsdage "kan have langvarige konsekvenser, som lige nu stadig er svære at forstå," sagde han.

Det skyldes, at metabolitterne eller kemiske produkter af metabolisme, der er lavet af mikrobiomet, menes at påvirke en babys kognitive og immunsystems udvikling, især i en følsom periode i de 1,000 dage før og efter fødslen, sagde Karolina Jabbar, en internist og forsker ved Göteborgs Universitet, som er medforfatter på det nye papir.

I den nye undersøgelse, ledet af Ramnik Xavier, direktøren for Klarman Cell Observatory ved Broad Institute, indsamlede forskerne afføringsprøver fra 70 par mødre og deres babyer, startende tidligt i graviditeten og fortsatte i babyens første år. Forskerne undersøgte derefter blandingen af ​​mikrober og forbindelser til stede i prøverne og kørte genetiske analyser for at bestemme, hvilke arter og hvilke stammer af mikrober der var til stede. Med disse data kunne de se, hvordan mødres og babyers mikrobiomer udviklede sig sammen i løbet af den tid.

Som de forventede, var spædbørns mikrobiomer anderledes end deres mødres, og kostens indflydelse på deres mikrobiomer var tydelig. Spædbørnene havde hundredvis af metabolitter, som deres mødre ikke havde.

Den store overraskelse for holdet var, at selv når en baby manglede nyttige bakteriestammer i moderen, havde babyens mikrobiom stadig udsnit af gener, der tilhører disse stammer.

"Hvordan kunne arten påvirke spædbarnets mikrobielle sammensætning uden selv at være en del af det?" sagde Jabbar. Hun og hendes laboratoriekammerater begyndte at spekulere på, om dette kunne forklares med horisontal genoverførsel, en finurlig proces, hvor gener fra en art hopper til en anden art i stedet for at blive videregivet til et afkom. Horisontale genoverførsler er almindelige inden for bakteriesamfund - de bidrager i høj grad til spredningen af ​​antibiotika-resistente gener i en række forskellige patogener, for eksempel - og de har også vist sig at forekomme i flercellede organismer.

Alligevel var forskerne ikke parate til at se hundredvis af gener hoppe mellem bakteriesamfund - fra moderens mikrobiom til babyens. "Det er en af ​​de ting, som du først ikke tror på dig selv," sagde Tommi Vatanen, der er forskningsstipendiat ved Helsinki Universitet og medforfatter på papiret.

Forskerne spekulerer i, at horisontale genoverførsler kan være mest oplagte, når bakterier, der trives i moderens tarm, ikke kan overleve i det ukendte miljø i spædbarnets tarm. Maternelle bakterier kan trænge ind i spædbarnets krop gennem modermælk eller som frigjorte sporer, som spædbarnet sluger. Nogle bakterier vil uundgåeligt undlade at kolonisere barnets krop og forsvinde. Men de kan holde længe nok til, at visse gensekvenser kan hoppe ind i mere succesrige bakterier. Hvis disse genetiske sekvenser slår rod i genomet af bakterier inde i babyens tarm, kan de overføre de funktioner, de koder for.

"Det faktum, at selv en forbigående eksistens af en donorcelle kan have en sådan indvirkning på de vedvarende, er virkelig fascinerende," sagde Carr.

I nogle tilfælde kan denne humle være blevet muliggjort af profeter - sovende vira, der replikerer i bakterier. I det stressende miljø i babyens tarm kan profeter blive aktive og begynde at bevæge sig mellem bakterier og bære indlejrede bakteriegener med sig.

I deres analyse af spædbørns afføringsprøver identificerede Vatanen, Jabbar og deres kolleger et tydeligt eksempel: En profet, der var integreret i DNA'et fra en bakterieart, dukkede op i en anden bakterie måneder senere.

"Det er ret overbevisende bevis på, at denne særlige fag var hoppet mellem to forskellige arter," sagde Vatanen. Forskerne fandt også ud af, at gener hoppede mellem bakteriearter på andre måder, såsom gennem direkte celle-til-celle-kontakt eller gennem en bakteriecelle, der opsluger DNA frigivet i miljøet.

En stor gruppe af gener, der sprang, kodede det cellulære maskineri, der gør horisontale genoverførsler mulig. Andre mobile sekvenser hjalp på kulhydrat- og aminosyrestofskiftet og kan derfor have haft stor gavn for bakterierne. For eksempel tyder resultaterne på, at gener relateret til fordøjelsen af ​​kulhydrater fundet i modermælk kan deles fra mødre til spædbørn på denne måde, sagde Jabbar. Forskerne ved ikke med sikkerhed, at de horisontale overførsler gavner barnet direkte, men ved at samle et mere dygtigt tarmmikrobiom kan de hjælpe med udviklingen af ​​barnets immunsystem.

Nogle af disse genetiske sekvenser dukkede op i nye bakterier måneder efter fødslen, hvilket tyder på, at overførslerne fortsatte med at finde sted i det tidsrum. Det er ikke klart, om overførsler også skete før fødslen, men forskerne fandt, at moderens mikrobiom udviklede sig under graviditeten. Nogle af ændringerne så ud til at påvirke kroppens evne til at tolerere glukose. Disse resultater tyder på, at diabetes, som nogle mennesker udvikler, mens de er gravide, kan være forbundet med mikrobiomet.

Da forskerne indsamlede afføringsprøver fra spædbørnene, tog de også prøver af deres immunceller. Nu planlægger de at bruge disse prøver til at undersøge, hvordan de bakterier, som spædbørn bærer, inklusive de bakterier, der indeholder disse mobile elementer, interagerer med immunceller. Indsigt fra disse eksperimenter kan føre til en bedre forståelse af, hvordan og hvorfor nogle mennesker udvikler allergier eller autoimmune sygdomme.

Eksistensen af ​​sådanne mobile elementer har været kendt, siden den banebrydende genetiker Barbara McClintock opdagede dem i 1940'erne, en bedrift, som hun vandt Nobelprisen for. "Men det er aldrig rigtig blevet karakteriseret til så dybde indtil for nylig," sagde Carr. "Nu hvor vi får mere indsigt, indser vi, at mobile genetiske elementer faktisk har en større indflydelse, end vi tidligere var klar over."

Hos os, viser det sig, at påvirkningen starter meget tidligt i livet.