Äidin liikkuvat geenit muokkaavat vauvan mikrobiomia

Äiti antaa vauvalleen kaikkensa: rakkauden, halaukset, suudelmat… ja vahvan bakteeriarmeijan.

Nämä yksinkertaiset solut, jotka matkaavat äidiltä vauvalle syntyessään ja sitä seuraavien intiimien kuukausien aikana, muodostavat lapsen mikrobiomin ensimmäiset siemenet – symbioottisten mikro-organismien kehittyvän yhteisön, joka on sidottu kehon terveelliseen toimintaan. Massachusetts Institute of Technologyn ja Harvardin yliopiston Broad Instituten tutkijat suorittivat äskettäin ensimmäisen laajan tutkimuksen siitä, kuinka äidin ja hänen vauvansa mikrobiomit kehittyvät yhdessä ensimmäisen elinvuoden aikana. Heidän uusi tutkimus, julkaistu Solu joulukuussa havaitsi, että nämä äidin panokset eivät rajoitu täydellisiin soluihin. Pienet DNA-katkelmat, joita kutsutaan liikkuviksi geneettisiksi elementeiksi, hyppäävät äidin bakteereista vauvan bakteereihin jopa kuukausia syntymän jälkeen.

Tällä siirtotavalla, jota ei ole ennen nähty lapsen mikrobiomin viljelyssä, voi olla ratkaiseva rooli kasvun ja kehityksen edistämisessä. Ymmärtäminen, miten lapsen mikrobiomi kehittyy, voi selittää, miksi jotkut lapset ovat alttiimpia tietyille sairauksille kuin toiset, sanoi. Victoria Carr, Wellcome Sanger Instituten pääasiallinen bioinformaatikko, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.

"Se on iso kysymys: Miten saamme mikrobimme?" sanoi Nicola Segata, professori Trenton yliopistossa Italiassa, joka ei myöskään ollut mukana tutkimuksessa.

Kehossamme on suunnilleen yhtä monta bakteerisolua kuin ihmissoluja, ja suurin osa niistä elää suolistossamme. Jokaisella meistä on valtavasti erilaisia ​​kirjastoja elämän aikana hankituista bakteerilajeista ja -kannoista. Mutta vauvat alkavat melkein steriilinä. Ensimmäisen suuren mikrobiinfuusion uskotaan tulevan äidiltä synnytyksen aikana, kun vauva poistuu kohdusta. Tämä bakteerilahja luo rakennustelineet kukoistavalle mikrobiyhteisölle kehossa, joka ylläpitää meitä loppuelämämme ajan. (Keisarinleikkauksella syntyneet imeväiset eivät saa samaa mikrobi-infuusiota kuin vauvat emättimen synnytyksestä, mutta ne keräävät niitä hitaasti myöhemmin.)

Yksi mikrobiomin vaikutuksista, Segata selitti, on hoitaa isännän immuunijärjestelmää ja aineenvaihduntaa parin ensimmäisen elinvuoden aikana. Näillä ensimmäisillä koulutuspäivillä "voi olla pitkäaikaisia ​​seurauksia, joita on tällä hetkellä vielä vaikea ymmärtää", hän sanoi.

Tämä johtuu siitä, että mikrobiomin tuottamien aineenvaihduntatuotteiden tai kemiallisten aineenvaihduntatuotteiden uskotaan vaikuttavan vauvan kognitiiviseen ja immuunijärjestelmän kehitykseen, erityisesti herkän ajanjakson aikana 1,000 päivää ennen syntymää ja sen jälkeen. Karolina Jabbar, sisätautilääkäri ja tutkija Göteborgin yliopistosta, joka on uuden paperin toinen pääkirjoittaja.

Uudessa tutkimuksessa, jota johti Ramnik Xavier, Broad Instituten Klarman Cell Observatoryn johtaja, tutkijat keräsivät ulostenäytteitä 70 parista äideistä ja heidän vauvoistaan, jotka alkoivat raskauden alkuvaiheessa ja jatkuivat vauvan ensimmäisen vuoden ajan. Tämän jälkeen tutkijat tutkivat näytteissä olevien mikrobien ja yhdisteiden yhdistelmää ja suorittivat geneettisiä analyyseja selvittääkseen, mitkä lajit ja mikrobikannat olivat läsnä. Näiden tietojen avulla he pystyivät näkemään, kuinka äitien ja vauvojen mikrobiomit kehittyivät yhdessä tuona aikana.

Kuten he odottivat, vauvojen mikrobiomit olivat erilaisia ​​kuin heidän äitiensä, ja ruokavalion vaikutus heidän mikrobiomiinsa oli selvä. Vauvoilla oli satoja metaboliitteja, joita heidän äideillä ei ollut.

Suuri yllätys tiimille oli, että vaikka vauvalla ei ollut hyödyllisiä bakteerikantoja äidissä, vauvan mikrobiomissa oli silti katkelmia kyseisiin kantoihin kuuluvista geeneistä.

"Kuinka laji voisi vaikuttaa vauvan mikrobikoostumukseen olematta edes osa sitä?" Jabbar sanoi. Hän ja hänen laboratoriotoverinsa alkoivat miettiä, voisiko tämä selittää horisontaalisen geeninsiirron, omituisen prosessin, jossa geenit yhdestä lajista hyppäävät toiseen lajiin sen sijaan, että ne siirtyisivät jälkeläisille. Horisontaaliset geenisiirrot ovat yleisiä bakteeriyhteisöissä – ne edistävät suuresti esimerkiksi antibiooteille vastustuskykyisten geenien leviämistä useissa eri patogeeneissä – ja niitä on myös havaittu tapahtuvan. monisoluisissa organismeissa.

Silti tutkijat eivät olleet valmiita näkemään satojen geenien hyppivän bakteeriyhteisöjen välillä – äidin mikrobiomista vauvan mikrobiomiin. "Se on yksi niistä asioista, joihin et aluksi usko itse", sanoi Tommi Vatanen, joka on tutkija Helsingin yliopistossa ja toinen pääkirjoittaja.

Tutkijat spekuloivat, että horisontaaliset geenisiirrot voivat olla ilmeisimpiä, kun äidin suolistossa viihtyvät bakteerit eivät selviä lapsen suolistossa vieraassa ympäristössä. Äidin bakteerit voivat päästä lapsen kehoon rintamaidon kautta tai vapautuneina itiöinä, jotka vauva nielee. Jotkut bakteerit eivät väistämättä pysty asuttamaan lapsen kehoa ja katoavat. Mutta ne saattavat kestää tarpeeksi kauan, jotta tietyt geenisekvenssit hyppäävät menestyneempiin bakteereihin. Jos nämä geneettiset sekvenssit juurtuvat vauvan suolistossa olevien bakteerien genomeihin, ne voivat tuoda koodaamiaan toimintoja.

"Se tosiasia, että jopa ohimenevä luovuttajasolun olemassaolo voi vaikuttaa sellaisiin pysyviin soluihin, on todella kiehtovaa", Carr sanoi.

Joissakin tapauksissa nämä humalat ovat saattaneet olla mahdollisia profaagien – lepotilassa olevien virusten – ansiosta, jotka lisääntyvät bakteereissa. Vauvan suoliston stressaavassa ympäristössä profaagit voivat aktivoitua ja alkaa liikkua bakteerien välillä kantaen mukanaan upotettuja bakteerigeenejä.

Vatanen, Jabbar ja heidän kollegansa havaitsivat imeväisten ulostenäytteiden analysoinnissaan ilmeisen esimerkin: Profaagi, joka oli integroitu yhden bakteerilajin DNA:han, ilmaantui toisessa bakteerissa kuukausia myöhemmin.

"Se on varsin vakuuttava todiste siitä, että tämä faagi oli hypännyt kahden eri lajin väliin", Vatanen sanoi. Tutkijat havaitsivat myös, että geenit hyppivät bakteerilajien välillä muilla tavoilla, kuten suoran solujen välisen kosketuksen kautta tai bakteerisolun kautta, joka imee ympäristöön vapautuneen DNA:n.

Yksi suuri joukko geenejä, jotka hyppäsivät, koodasivat solukoneistoa, joka mahdollistaa horisontaaliset geenisiirrot. Muut liikkuvat sekvenssit auttoivat hiilihydraattien ja aminohappojen aineenvaihdunnassa ja ovat siksi saattaneet hyödyttää bakteereja suuresti. Esimerkiksi tulokset viittaavat siihen, että äidinmaidosta löytyvien hiilihydraattien sulatukseen liittyvät geenit voivat jakaa äideiltä vauvoille tällä tavalla, Jabbar sanoi. Tutkijat eivät tiedä varmasti, että vaakasuuntaiset siirrot hyödyttävät vauvaa suoraan, mutta kokoamalla tehokkaamman suoliston mikrobiomin ne voivat auttaa vauvan immuunijärjestelmän kehittymisessä.

Jotkut näistä geneettisistä sekvensseistä ilmaantuivat uusiin bakteereihin kuukausia syntymän jälkeen, mikä viittaa siihen, että siirrot jatkuivat tuona aikana. Ei ole selvää, tapahtuiko siirtoja myös ennen syntymää, mutta tutkijat havaitsivat, että äidin mikrobiomi kehittyi raskauden aikana. Jotkut muutoksista näyttivät todennäköisesti vaikuttavan kehon kykyyn sietää glukoosia. Nämä havainnot viittaavat siihen, että joidenkin ihmisten raskauden aikana kehittyvä diabetes voi olla yhteydessä mikrobiomiin.

Kun tutkijat keräsivät ulostenäytteitä vauvoista, he ottivat näytteitä myös heidän immuunisoluistaan. Nyt he aikovat käyttää näitä näytteitä tutkiakseen, kuinka imeväisten kantamat bakteerit, mukaan lukien näitä liikkuvia elementtejä sisältävät bakteerit, ovat vuorovaikutuksessa immuunisolujen kanssa. Näistä kokeista saadut oivallukset voivat auttaa ymmärtämään paremmin, kuinka ja miksi joillekin ihmisille kehittyy allergioita tai autoimmuunisairauksia.

Tällaisten liikkuvien elementtien olemassaolo on ollut tiedossa siitä lähtien, kun uraauurtava geneetikko Barbara McClintock löysi ne 1940-luvulla, mistä hän voitti Nobel-palkinnon. "Mutta sitä ei ole koskaan luonnehdittu näin syvällisesti ennen äskettäin", Carr sanoi. "Nyt kun saamme enemmän oivalluksia, ymmärrämme, että itse asiassa liikkuvilla geneettisillä elementeillä on suurempi vaikutus kuin aiemmin tajusimme."

Meissä käy ilmi, että vaikutus alkaa hyvin varhaisessa elämässä.