Κινητά γονίδια από τη μητέρα διαμορφώνουν το μικροβίωμα του μωρού

Μια μητέρα δίνει στο μωρό της τα πάντα: αγάπη, αγκαλιές, φιλιά… και έναν ισχυρό στρατό από βακτήρια.

Αυτά τα απλά κύτταρα, που ταξιδεύουν από τη μητέρα στο μωρό κατά τη γέννηση και τους μήνες της στενής επαφής που ακολουθούν, σχηματίζουν τους πρώτους σπόρους του μικροβιώματος του παιδιού - την εξελισσόμενη κοινότητα συμβιωτικών μικροοργανισμών που συνδέονται με την υγιή λειτουργία του σώματος. Ερευνητές του Ινστιτούτου Broad του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ διεξήγαγαν πρόσφατα την πρώτη μεγάλης κλίμακας έρευνα για το πώς τα μικροβιώματα μιας μητέρας και του βρέφους της εξελίσσονται κατά τον πρώτο χρόνο της ζωής. Η νέα τους μελέτη, δημοσιευτηκε σε Κύτταρο τον Δεκέμβριο διαπίστωσε ότι αυτές οι μητρικές συνεισφορές δεν περιορίζονται σε ολόκληρα κύτταρα. Μικρά αποσπάσματα DNA που ονομάζονται κινητά γενετικά στοιχεία μεταπηδούν από τα βακτήρια της μητέρας στα βακτήρια του μωρού, ακόμη και μήνες μετά τη γέννηση.

Αυτός ο τρόπος μεταφοράς, ο οποίος δεν έχει ξαναδειχθεί στην καλλιέργεια του μικροβιώματος ενός βρέφους, θα μπορούσε να παίξει καθοριστικό ρόλο στην προώθηση της ανάπτυξης και της ανάπτυξης. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εξελίσσεται το μικροβίωμα ενός παιδιού θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί ορισμένα παιδιά έχουν προδιάθεση σε ορισμένες ασθένειες περισσότερο από άλλα, είπε Victoria Carr, κύριος βιοπληροφορικός στο Ινστιτούτο Wellcome Sanger που δεν συμμετείχε στη μελέτη.

«Είναι ένα μεγάλο ερώτημα: Πώς λαμβάνουμε τα μικρόβια μας;» είπε Νικόλα Σεγκάτα, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Τρέντο στην Ιταλία που επίσης δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Το σώμα μας φιλοξενεί περίπου τόσα βακτηριακά κύτταρα όσα και τα ανθρώπινα κύτταρα και τα περισσότερα από αυτά ζουν μέσα στο έντερό μας. Καθένας από εμάς φιλοξενεί μαζικά διαφορετικές βιβλιοθήκες βακτηριακών ειδών και στελεχών που αποκτήθηκαν καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής. Αλλά τα μωρά ξεκινούν σχεδόν στείρα. Η πρώτη μεγάλη έγχυση μικροβίων πιστεύεται ότι προέρχεται από τη μητέρα κατά τη γέννηση καθώς το βρέφος βγαίνει από τη μήτρα. Αυτό το βακτηριακό δώρο δημιουργεί τη σκαλωσιά για μια ακμάζουσα μικροβιακή κοινότητα στο σώμα που μας συντηρεί για το υπόλοιπο της ζωής μας. (Τα βρέφη που γεννιούνται με καισαρική τομή δεν λαμβάνουν την ίδια αρχική έγχυση μικροβίων που λαμβάνουν τα μωρά από τον κολπικό τοκετό, αλλά τα μαζεύουν αργά αργότερα.)

Ένα από τα αποτελέσματα του μικροβιώματος, εξήγησε η Segata, είναι η ρύθμιση του ανοσοποιητικού συστήματος και του μεταβολισμού του ξενιστή κατά τα πρώτα δύο χρόνια της ζωής του. Αυτές οι πρώτες ημέρες εκπαίδευσης «μπορεί να έχουν μακροχρόνιες συνέπειες που είναι ακόμη δύσκολο να κατανοηθούν αυτή τη στιγμή», είπε.

Αυτό συμβαίνει επειδή οι μεταβολίτες, ή χημικά προϊόντα του μεταβολισμού, που παράγονται από το μικροβίωμα πιστεύεται ότι επηρεάζουν τη γνωστική και ανοσοποιητική ανάπτυξη του μωρού, ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια μιας ευαίσθητης περιόδου στις 1,000 ημέρες πριν και μετά τη γέννηση, είπε. Καρολίνα Τζαμπάρ, παθολόγος και ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Γκέτεμποργκ που είναι συν-επικεφαλής συγγραφέας στη νέα εργασία.

Στη νέα μελέτη, με επικεφαλής τον Ράμνικ Ξαβιέ, διευθυντής του Παρατηρητηρίου Κυττάρων Klarman στο Ινστιτούτο Broad, οι ερευνητές συνέλεξαν δείγματα κοπράνων από 70 ζεύγη μητέρων και των μωρών τους, ξεκινώντας από νωρίς στην εγκυμοσύνη και συνεχίζοντας για τον πρώτο χρόνο του μωρού. Στη συνέχεια, οι ερευνητές εξέτασαν το μείγμα μικροβίων και ενώσεων που υπήρχαν στα δείγματα και έκαναν γενετικές αναλύσεις για να προσδιορίσουν ποια είδη και ποια στελέχη μικροβίων υπήρχαν. Με αυτά τα δεδομένα, μπορούσαν να δουν πώς τα μικροβιώματα των μητέρων και των μωρών συνεξελίχθηκαν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.

Όπως περίμεναν, τα μικροβιώματα των βρεφών ήταν διαφορετικά από των μητέρων τους και η επίδραση της διατροφής στα μικροβιώματα τους ήταν σαφής. Τα βρέφη είχαν εκατοντάδες μεταβολίτες που δεν είχαν οι μητέρες τους.

Η μεγάλη έκπληξη για την ομάδα ήταν ότι ακόμη και όταν ένα μωρό δεν είχε χρήσιμα βακτηριακά στελέχη που υπήρχαν στη μητέρα, το μικροβίωμα του μωρού εξακολουθούσε να έχει αποσπάσματα γονιδίων που ανήκουν σε αυτά τα στελέχη.

«Πώς θα μπορούσε το είδος να επηρεάσει τη μικροβιακή σύνθεση των βρεφών χωρίς καν να είναι μέρος της;» είπε ο Τζαμπάρ. Αυτή και οι συνεργάτες της στο εργαστήριό της άρχισαν να αναρωτιούνται αν αυτό θα μπορούσε να εξηγηθεί με οριζόντια μεταφορά γονιδίων, μια ιδιόμορφη διαδικασία κατά την οποία γονίδια από ένα είδος μεταπηδούν σε άλλο είδος αντί να περάσουν σε έναν απόγονο. Οι οριζόντιες μεταφορές γονιδίων είναι κοινές σε κοινότητες βακτηρίων — συμβάλλουν σε μεγάλο βαθμό στην εξάπλωση ανθεκτικών στα αντιβιοτικά γονιδίων σε μια ποικιλία παθογόνων, για παράδειγμα — και έχει επίσης βρεθεί ότι συμβαίνουν σε πολυκύτταρους οργανισμούς.

Ωστόσο, οι ερευνητές δεν ήταν έτοιμοι να δουν εκατοντάδες γονίδια να πηδούν μεταξύ βακτηριακών κοινοτήτων - από το μικροβίωμα της μητέρας έως το μικροβίωμα του μωρού. «Είναι ένα από εκείνα τα πράγματα που στην αρχή δεν πιστεύεις μόνος σου», είπε Τόμι Βατάνεν, ο οποίος είναι ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι και συν-επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας.

Οι ερευνητές εικάζουν ότι οι οριζόντιες μεταφορές γονιδίων μπορεί να είναι πιο εμφανείς όταν τα βακτήρια που ευδοκιμούν στο έντερο της μητέρας δεν μπορούν να επιβιώσουν στο άγνωστο περιβάλλον του εντέρου του βρέφους. Τα μητρικά βακτήρια μπορεί να εισέλθουν στο σώμα του βρέφους μέσω του μητρικού γάλακτος ή ως απελευθερωμένα σπόρια που το βρέφος καταπίνει. Ορισμένα βακτήρια αναπόφευκτα θα αποτύχουν να αποικίσουν το σώμα του παιδιού και θα εξαφανιστούν. Αλλά μπορεί να διαρκέσουν αρκετά ώστε ορισμένες αλληλουχίες γονιδίων να μεταπηδήσουν σε πιο επιτυχημένα βακτήρια. Εάν αυτές οι γενετικές αλληλουχίες ριζώσουν στο γονιδίωμα των βακτηρίων μέσα στο έντερο του μωρού, μπορούν να μεταφέρουν τις λειτουργίες που κωδικοποιούν.

«Το γεγονός ότι ακόμη και μια παροδική ύπαρξη ενός κυττάρου δότη μπορεί να έχει τέτοιο αντίκτυπο σε αυτά τα επίμονα είναι πραγματικά συναρπαστικό», είπε ο Carr.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτός ο λυκίσκος μπορεί να έγινε δυνατός από προφήτες - αδρανείς ιούς που αναπαράγονται στα βακτήρια. Στο αγχωτικό περιβάλλον του εντέρου του μωρού, οι προφήτες μπορεί να γίνουν ενεργοί και να αρχίσουν να κινούνται μεταξύ βακτηρίων, μεταφέροντας μαζί τους ενσωματωμένα βακτηριακά γονίδια.

Στην ανάλυσή τους σε δείγματα βρεφικών κοπράνων, οι Vatanen, Jabbar και οι συνεργάτες τους εντόπισαν ένα προφανές παράδειγμα: Ένας προφάγος που ενσωματώθηκε στο DNA ενός βακτηριακού είδους εμφανίστηκε σε διαφορετικό βακτήριο μήνες αργότερα.

"Είναι αρκετά πειστικά στοιχεία ότι αυτός ο συγκεκριμένος φάγος είχε μεταπηδήσει μεταξύ δύο διαφορετικών ειδών", είπε ο Vatanen. Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι τα γονίδια μεταπηδούσαν μεταξύ των βακτηριακών ειδών με άλλους τρόπους, όπως μέσω της άμεσης επαφής κυττάρου με κύτταρο ή μέσω ενός βακτηριακού κυττάρου που καταβροχθίζει το DNA που απελευθερώνεται στο περιβάλλον.

Μια μεγάλη ομάδα γονιδίων που πήδηξε κωδικοποίησε τον κυτταρικό μηχανισμό που καθιστά δυνατές τις οριζόντιες μεταφορές γονιδίων. Άλλες κινητές αλληλουχίες βοήθησαν με τον μεταβολισμό των υδατανθράκων και των αμινοξέων, και ως εκ τούτου μπορεί να έχουν ωφελήσει πολύ τα βακτήρια. Για παράδειγμα, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι τα γονίδια που σχετίζονται με την πέψη των υδατανθράκων που βρίσκονται στο μητρικό γάλα μπορεί να μοιράζονται από τις μητέρες στα βρέφη με αυτόν τον τρόπο, είπε ο Jabbar. Οι ερευνητές δεν γνωρίζουν με βεβαιότητα ότι οι οριζόντιες μεταφορές ωφελούν άμεσα το μωρό, αλλά συναρμολογώντας ένα πιο ικανό μικροβίωμα του εντέρου, μπορεί να βοηθήσουν στην ανάπτυξη του ανοσοποιητικού συστήματος του μωρού.

Μερικές από αυτές τις γενετικές αλληλουχίες εμφανίστηκαν σε νέα βακτήρια μήνες μετά τη γέννηση, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι μεταφορές συνέχισαν να συμβαίνουν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Δεν είναι σαφές εάν οι μεταφορές γίνονταν και πριν από τη γέννηση, αλλά οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το μικροβίωμα της μητέρας εξελίχθηκε κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης. Μερικές από τις αλλαγές φάνηκε πιθανό να επηρεάσουν την ικανότητα του σώματος να ανέχεται τη γλυκόζη. Αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι ο διαβήτης που αναπτύσσουν ορισμένοι άνθρωποι κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης μπορεί να συνδέεται με το μικροβίωμα.

Όταν οι ερευνητές συνέλεξαν δείγματα κοπράνων από τα βρέφη, πήραν και δείγματα από τα κύτταρα του ανοσοποιητικού τους. Τώρα σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα δείγματα για να εξετάσουν πώς τα βακτήρια που μεταφέρουν τα βρέφη, συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων που περιέχουν αυτά τα κινητά στοιχεία, αλληλεπιδρούν με τα κύτταρα του ανοσοποιητικού. Οι πληροφορίες από αυτά τα πειράματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε καλύτερη κατανόηση του πώς και γιατί ορισμένοι άνθρωποι αναπτύσσουν αλλεργίες ή αυτοάνοσες ασθένειες.

Η ύπαρξη τέτοιων κινητών στοιχείων είναι γνωστή από τότε που τα ανακάλυψε η πρωτοπόρος γενετιστής Barbara McClintock τη δεκαετία του 1940, επίτευγμα για το οποίο κέρδισε το βραβείο Νόμπελ. «Αλλά ποτέ δεν είχε πραγματικά χαρακτηριστεί σε τέτοιο βάθος μέχρι πρόσφατα», είπε ο Carr. «Τώρα που λαμβάνουμε περισσότερες πληροφορίες, συνειδητοποιούμε ότι στην πραγματικότητα, τα κινητά γενετικά στοιχεία έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο από ό,τι είχαμε προηγουμένως συνειδητοποιήσει».

Σε εμάς, όπως αποδεικνύεται, αυτός ο αντίκτυπος ξεκινά πολύ νωρίς στη ζωή.