Ema mobiilsed geenid kujundavad beebi mikrobioomi

Ema annab oma lapsele endast kõik: armastuse, kallistused, suudlused … ja tugeva bakterite armee.

Need lihtsad rakud, mis rändavad sündides ja järgnevate intiimsete kuude jooksul emalt lapsele, moodustavad lapse mikrobioomi esimesed seemned – sümbiootiliste mikroorganismide koosluse, mis on seotud keha tervisliku toimimisega. Massachusettsi tehnoloogiainstituudi ja Harvardi ülikooli laiaulatusliku instituudi teadlased viisid hiljuti läbi esimese suuremahulise uuringu selle kohta, kuidas ema ja tema lapse mikrobioomid esimesel eluaastal koos arenevad. Nende uus uuring, avaldatud Rakk detsembris leidis, et need emapoolsed panused ei piirdu ainult täielike rakkudega. Väikesed DNA jupid, mida nimetatakse mobiilseteks geneetilisteks elementideks, hüppavad ema bakteritest lapse bakteritesse isegi kuid pärast sündi.

Selline ülekandmise viis, mida pole kunagi varem imiku mikrobioomi kasvatamisel nähtud, võib mängida olulist rolli kasvu ja arengu edendamisel. Arusaamine, kuidas lapse mikrobioom areneb, võib selgitada, miks mõned lapsed on teatud haigustele rohkem kui teised eelsoodumus. Victoria Carr, Wellcome Sangeri Instituudi peamine bioinformaatik, kes ei osalenud uuringus.

"See on suur küsimus: kuidas me saame oma mikroobid kätte?" ütles Nicola Segata, Itaalia Trento ülikooli professor, kes samuti uuringus ei osalenud.

Meie kehas elab umbes sama palju bakterirakke kui inimese rakke ja enamik neist elab meie soolestikus. Igaühel meist on tohutult mitmekesised kogu elu jooksul omandatud bakteriliikide ja -tüvede raamatukogud. Kuid imikud alustavad peaaegu steriilselt. Arvatakse, et esimene suurem mikroobide infusioon pärineb emalt sünnituse ajal, kui imik väljub emakast. See bakterite kingitus loob karkassi kehas õitsevale mikroobikooslusele, mis toetab meid kogu ülejäänud elu. (Keisrilõikega sündinud imikud ei saa algselt samasugust mikroobide infusiooni, mis imikud saavad vaginaalselt sündides, kuid nad koguvad neid hiljem aeglaselt.)

Segata selgitas, et üks mikrobiomi mõjudest on selle peremeesorganismi immuunsüsteemi ja ainevahetuse reguleerimine paari esimese eluaasta jooksul. Nendel esmastel koolituspäevadel "võivad olla pikaajalised tagajärjed, mida on praegu veel raske mõista," ütles ta.

Selle põhjuseks on asjaolu, et mikrobioomi poolt toodetud metaboliidid või ainevahetuse keemilised tooted mõjutavad lapse kognitiivset ja immuunsüsteemi arengut, eriti tundlikul perioodil 1,000 päeva enne ja pärast sündi. Karolina Jabbar, sisearst ja Göteborgi ülikooli teadur, kes on uue artikli kaasautor.

Uues uuringus, mida juhtis Ramnik Xavier, Broad Institute’i Klarmani rakuobservatooriumi direktor, kogusid teadlased väljaheiteproove 70 paarilt emadelt ja nende beebidelt, alustades raseduse algusest kuni lapse esimese eluaastani. Seejärel uurisid teadlased proovides esinevate mikroobide ja ühendite segu ning viisid läbi geneetilised analüüsid, et teha kindlaks, millised mikroobide liigid ja tüved esinevad. Nende andmete abil said nad näha, kuidas emade ja imikute mikrobioomid selle aja jooksul koos arenesid.

Nagu nad eeldasid, erinesid imikute mikrobioomid nende emade omadest ja toitumise mõju nende mikrobioomidele oli selge. Imikutel oli sadu metaboliite, mida nende emadel ei olnud.

Meeskonna jaoks oli suureks üllatuseks see, et isegi kui lapsel puudusid emas leiduvad kasulikud bakteritüved, olid lapse mikrobioomis siiski nende tüvede geenijupid.

"Kuidas võiks liik mõjutada imiku mikroobide koostist, isegi ilma sellesse kuulumata?" ütles Jabbar. Ta ja ta laborikaaslased hakkasid mõtlema, kas seda saab seletada horisontaalse geeniülekandega, veidra protsessiga, mille käigus hüppavad geenid ühelt liigilt teisele, selle asemel, et järglastele edasi anda. Horisontaalsed geeniülekanded on bakterikooslustes tavalised – need aitavad suurel määral kaasa näiteks antibiootikumiresistentsete geenide levikule mitmesugustes patogeenides – ja on leitud, et ka neid esineb. mitmerakulistes organismides.

Siiski ei olnud teadlased valmis nägema sadu geene hüplemas bakterikoosluste vahel – ema mikrobioomist lapse mikrobioomini. "See on üks neist asjadest, mida te alguses ise ei usu," ütles Tommi Vatanen, kes on Helsingi ülikooli teadur ja raamatu kaasautor.

Teadlased oletavad, et horisontaalsed geeniülekanded võivad olla kõige ilmsemad, kui ema soolestikus vohavad bakterid ei suuda imiku soolestiku võõras keskkonnas ellu jääda. Ema bakterid võivad siseneda imiku kehasse rinnapiima kaudu või vabanenud eostena, mille imik neelab. Mõned bakterid ei suuda paratamatult lapse keha koloniseerida ja kaovad. Kuid need võivad kesta piisavalt kaua, et teatud geenijärjestused jõuaksid edukamatesse bakteritesse. Kui need geneetilised järjestused juurduvad lapse soolestikus olevate bakterite genoomi, võivad nad üle tuua nende kodeeritud funktsioonid.

"Asjaolu, et isegi doonorraku ajutine olemasolu võib nendele püsivatele rakkudele sellist mõju avaldada, on tõesti põnev, " ütles Carr.

Mõnel juhul võisid need humalad olla võimalikud profaagide – bakterites paljunevate uinunud viiruste – tõttu. Lapse soolestiku stressirohkes keskkonnas võivad profaagid aktiveeruda ja hakata bakterite vahel liikuma, kandes endaga kaasas olevaid bakterigeene.

Imikute väljaheiteproovide analüüsimisel tuvastasid Vatanen, Jabbar ja nende kolleegid ilmse näite: ühe bakteriliigi DNA-sse integreeritud profaag ilmus kuude pärast teises bakteris.

"See on üsna veenev tõend selle kohta, et see konkreetne faag oli hüpanud kahe erineva liigi vahel," ütles Vatanen. Teadlased leidsid ka, et geenid hüppasid bakteriliikide vahel muul viisil, näiteks otsese rakkudevahelise kontakti või keskkonda sattunud DNA-d neelava bakteriraku kaudu.

Üks suur rühm geene, mis hüppasid, kodeeris rakusüsteemi, mis võimaldab horisontaalset geeniülekannet. Teised mobiilsed järjestused aitasid kaasa süsivesikute ja aminohapete ainevahetusele ning võisid seetõttu bakteritele palju kasu tuua. Näiteks näitavad tulemused, et rinnapiimas leiduvate süsivesikute seedimisega seotud geene võidakse sel viisil jagada emadelt imikutele, ütles Jabbar. Teadlased ei tea kindlalt, kas horisontaalsed ülekanded toovad lapsele otsest kasu, kuid võimekama soolestiku mikrobioomi kokkupanemisega võivad need aidata kaasa lapse immuunsüsteemi arengule.

Mõned neist geneetilistest järjestustest ilmusid uutesse bakteritesse mitu kuud pärast sündi, mis viitab sellele, et ülekanded jätkusid selle aja jooksul. Pole selge, kas ülekanded toimusid ka enne sündi, kuid teadlased leidsid, et ema mikrobioom arenes raseduse ajal. Mõned muutused näisid tõenäoliselt mõjutavat organismi võimet taluda glükoosi. Need leiud viitavad sellele, et diabeet, mis mõnel inimesel raseduse ajal areneb, võib olla seotud mikrobioomiga.

Kui teadlased kogusid imikutelt väljaheiteproove, võtsid nad proovid ka nende immuunrakkudest. Nüüd kavatsevad nad neid proove kasutada selleks, et uurida, kuidas imikute kandvad bakterid, sealhulgas neid liikuvaid elemente sisaldavad bakterid, suhtlevad immuunrakkudega. Nendest katsetest saadud teadmised võivad aidata paremini mõista, kuidas ja miks mõnedel inimestel allergiad või autoimmuunhaigused tekivad.

Selliste mobiilsete elementide olemasolu on teada alates sellest, kui teedrajav geneetik Barbara McClintock need 1940. aastatel avastas, mille eest ta võitis Nobeli preemia. "Kuid seda pole kunagi varem nii põhjalikult iseloomustatud," ütles Carr. "Nüüd, kui saame rohkem teadmisi, mõistame, et tegelikult on mobiilsetel geneetilistel elementidel suurem mõju, kui me varem mõistsime."

Selgub, et see mõju algab meie elus väga varakult.