ژن های موبایل از مادر، میکروبیوم کودک را شکل می دهند

یک مادر همه چیز را به کودکش می دهد: عشق، در آغوش گرفتن، بوسیدن... و یک ارتش قوی از باکتری ها.

این سلول‌های ساده که در بدو تولد و در ماه‌های تماس صمیمی بعد از آن از مادر به نوزاد می‌روند، اولین دانه‌های میکروبیوم کودک را تشکیل می‌دهند - جامعه در حال تکامل میکروارگانیسم‌های همزیست مرتبط با عملکرد سالم بدن. محققان مؤسسه براد مؤسسه فناوری ماساچوست و دانشگاه هاروارد اخیراً اولین نظرسنجی در مقیاس بزرگ را در مورد چگونگی تکامل میکروبیوم‌های مادر و نوزادش در سال اول زندگی انجام دادند. مطالعه جدید آنها، منتشر شده در سلول در دسامبر دریافتند که این کمک های مادر به سلول های کامل محدود نمی شود. تکه‌های کوچکی از DNA به نام عناصر ژنتیکی متحرک، حتی ماه‌ها پس از تولد، از باکتری‌های مادر به باکتری‌های نوزاد می‌پرند.

این روش انتقال، که قبلاً هرگز در پرورش میکروبیوم نوزاد دیده نشده است، می تواند نقش مهمی در ارتقاء رشد و تکامل داشته باشد. درک چگونگی تکامل میکروبیوم کودک می تواند توضیح دهد که چرا برخی از کودکان بیشتر از دیگران مستعد ابتلا به برخی بیماری ها هستند. ویکتوریا کار، یک بیوانفورماتیک اصلی در موسسه Wellcome Sanger که بخشی از این مطالعه نبود.

"این یک سوال بزرگ است: چگونه میکروب های خود را بدست آوریم؟" گفت نیکولا سگاتا، استاد دانشگاه ترنتو در ایتالیا که او نیز بخشی از این مطالعه نبود.

بدن ما تقریباً به اندازه سلول های انسان سلول های باکتریایی دارد و بیشتر آنها در روده ما زندگی می کنند. هر یک از ما دارای کتابخانه های بسیار متنوعی از گونه ها و گونه های باکتریایی هستیم که در طول زندگی به دست آمده اند. اما نوزادان تقریباً عقیم هستند. تصور می‌شود اولین تزریق عمده میکروب‌ها از مادر در حین تولد و هنگام خروج نوزاد از رحم انجام می‌شود. آن هدیه باکتریایی، داربستی را برای یک جامعه میکروبی در حال رشد در بدن ایجاد می کند که ما را تا پایان عمر حفظ می کند. (نوزادانی که به روش سزارین متولد می شوند، همان تزریق اولیه میکروب هایی را که نوزادان از زایمان طبیعی دریافت می کنند، دریافت نمی کنند، اما دیرتر آنها را به آرامی جمع می کنند.)

سگتا توضیح داد که یکی از اثرات میکروبیوم این است که سیستم ایمنی و متابولیسم میزبان خود را در چند سال اول زندگی بهبود می بخشد. او گفت که این روزهای آموزشی اولیه «می‌تواند پیامدهای طولانی‌مدتی داشته باشد که در حال حاضر هنوز درک آن دشوار است».

به این دلیل که تصور می‌شود متابولیت‌ها یا محصولات شیمیایی متابولیسم ساخته شده توسط میکروبیوم بر رشد شناختی و سیستم ایمنی کودک تأثیر می‌گذارند، به‌ویژه در دوره‌ای حساس در 1,000 روز قبل و بعد از تولد. کارولینا جبار، یک متخصص داخلی و محقق در دانشگاه گوتنبرگ که یکی از نویسندگان اصلی مقاله جدید است.

در مطالعه جدید، به رهبری رامنیک خاویر، مدیر رصدخانه سلولی کلارمن در موسسه برود، محققان نمونه های مدفوع را از 70 جفت مادر و نوزادانشان جمع آوری کردند که از اوایل بارداری شروع شد و تا سال اول نوزاد ادامه یافت. سپس محققان ترکیبی از میکروب‌ها و ترکیبات موجود در نمونه‌ها را بررسی کردند و تجزیه و تحلیل‌های ژنتیکی انجام دادند تا مشخص کنند کدام گونه و کدام گونه از میکروب‌ها وجود دارد. با این داده‌ها، آن‌ها می‌توانستند ببینند که چگونه میکروبیوم‌های مادر و نوزاد در آن زمان تکامل یافته‌اند.

همانطور که آنها انتظار داشتند، میکروبیوم های نوزادان با مادرانشان متفاوت بود و تاثیر رژیم غذایی بر میکروبیوم های آن ها مشخص بود. نوزادان صدها متابولیت داشتند که مادرانشان نداشتند.

شگفتی بزرگ برای تیم این بود که حتی زمانی که کودک فاقد سویه‌های باکتریایی مفید موجود در مادر بود، میکروبیوم نوزاد هنوز تکه‌هایی از ژن‌های متعلق به آن سویه‌ها را داشت.

این گونه چگونه می‌تواند بر ترکیب میکروبی نوزاد تأثیر بگذارد، بدون اینکه حتی بخشی از آن باشد؟» جبار گفت. او و همکاران آزمایشگاهش شروع به تعجب کردند که آیا می‌توان این را با انتقال افقی ژن توضیح داد، فرآیندی عجیب که در آن ژن‌های یک گونه به جای انتقال به نسل به گونه‌ای دیگر پرش می‌کنند. انتقال افقی ژن در جوامع باکتریایی رایج است - به عنوان مثال، آنها نقش زیادی در گسترش ژن های مقاوم به آنتی بیوتیک در انواع پاتوژن ها دارند - و همچنین مشخص شده است که رخ می دهند. در موجودات چند سلولی.

با این حال، محققان برای دیدن صدها ژن در حال جهش بین جوامع باکتریایی - از میکروبیوم مادر گرفته تا جنین - آماده نبودند. گفت: «این یکی از آن چیزهایی است که در ابتدا خودتان آن را باور نمی کنید تامی واتانن، که یک محقق در دانشگاه هلسینکی و نویسنده اصلی مقاله است.

محققان حدس می زنند که انتقال افقی ژن ممکن است زمانی آشکارتر باشد که باکتری هایی که در روده مادر رشد می کنند نتوانند در محیط ناآشنا روده نوزاد زنده بمانند. باکتری های مادر ممکن است از طریق شیر مادر یا به صورت هاگ های آزاد شده ای که شیرخوار می بلعد وارد بدن نوزاد شوند. برخی از باکتری ها به طور اجتناب ناپذیری نمی توانند بدن کودک را مستعمره کنند و ناپدید می شوند. اما ممکن است آنقدر طول بکشد که توالی‌های ژنی خاص به باکتری‌های موفق‌تری بپیوندند. اگر این توالی‌های ژنتیکی در ژنوم باکتری‌های داخل روده کودک ریشه داشته باشند، می‌توانند عملکردهایی را که کدگذاری می‌کنند، به ارمغان بیاورند.

کار می‌گوید: «این واقعیت که حتی وجود گذرا یک سلول اهداکننده می‌تواند چنین تأثیری بر آن سلول‌های پایدار داشته باشد، واقعاً شگفت‌انگیز است.

در برخی موارد، این رازک ممکن است توسط پروفاژها - ویروس‌های خفته که در باکتری‌ها تکثیر می‌شوند - ممکن شده باشد. در محیط پر استرس روده نوزاد، پروفاژها ممکن است فعال شوند و شروع به حرکت بین باکتری ها کنند و ژن های باکتریایی جاسازی شده را با خود حمل کنند.

Vatanen، Jabbar و همکارانشان در تجزیه و تحلیل خود از نمونه های مدفوع نوزاد، یک مثال آشکار را شناسایی کردند: یک پروفاژ که در DNA یک گونه باکتری ادغام شده بود، ماه ها بعد در یک باکتری متفاوت ظاهر شد.

Vatanen گفت: «این شواهد کاملاً قانع‌کننده‌ای است که این فاژ خاص بین دو گونه مختلف پریده است. محققان همچنین دریافتند که ژن ها بین گونه های باکتریایی به روش های دیگری مانند از طریق تماس مستقیم سلول به سلول یا از طریق یک سلول باکتریایی که DNA آزاد شده در محیط را می بلعد، حرکت می کند.

یک گروه بزرگ از ژن ها که پرش کردند، ماشین سلولی را رمزگذاری کردند که انتقال افقی ژن را ممکن می کند. توالی های متحرک دیگر به متابولیسم کربوهیدرات و اسیدهای آمینه کمک کردند و بنابراین ممکن است سود زیادی برای باکتری ها داشته باشند. جبار گفت، برای مثال، نتایج نشان می‌دهد که ژن‌های مربوط به هضم کربوهیدرات‌های موجود در شیر مادر ممکن است از این طریق از مادر به نوزاد به اشتراک گذاشته شود. محققان به طور قطع نمی‌دانند که انتقال افقی مستقیماً برای نوزاد مفید است، اما با جمع‌آوری یک میکروبیوم روده با قابلیت‌تر، ممکن است به رشد سیستم ایمنی کودک کمک کند.

برخی از این توالی‌های ژنتیکی ماه‌ها پس از تولد در باکتری‌های جدید ظاهر شدند، که نشان می‌دهد این انتقال در آن زمان ادامه داشت. مشخص نیست که آیا انتقال قبل از تولد نیز اتفاق افتاده است یا خیر، اما محققان دریافتند که میکروبیوم مادر در طول بارداری تکامل یافته است. به نظر می رسید برخی از تغییرات بر توانایی بدن برای تحمل گلوکز تأثیر می گذارد. این یافته ها نشان می دهد که دیابت برخی از افراد در دوران بارداری ممکن است با میکروبیوم مرتبط باشد.

هنگامی که محققان نمونه های مدفوع نوزادان را جمع آوری کردند، نمونه هایی از سلول های ایمنی آنها نیز گرفتند. اکنون آنها در حال برنامه‌ریزی برای استفاده از این نمونه‌ها برای بررسی نحوه تعامل باکتری‌هایی که نوزادان حمل می‌کنند، از جمله باکتری‌هایی که حاوی این عناصر متحرک هستند، با سلول‌های ایمنی بدن را بررسی می‌کنند. بینش این آزمایش‌ها می‌تواند به درک بهتری از چگونگی و چرایی ابتلای برخی افراد به آلرژی یا بیماری‌های خودایمنی منجر شود.

وجود چنین عناصر متحرک از زمانی که باربارا مک کلینتاک، ژنتیک پیشگام، آنها را در دهه 1940 کشف کرد، شناخته شده بود، دستاوردی که برای آن جایزه نوبل را دریافت کرد. کار گفت: «اما تا همین اواخر هرگز به این عمق مشخص نشده بود. اکنون که بینش‌های بیشتری به دست می‌آوریم، متوجه می‌شویم که در واقع، عناصر ژنتیکی متحرک تأثیر بیشتری نسبت به آنچه قبلاً تصور می‌کردیم، دارند.»

به نظر می رسد که این تأثیر در ما خیلی زود در زندگی شروع می شود.