Les gènes mobiles de la mère façonnent le microbiome du bébé

Une mère donne tout à son bébé : amour, câlins, bisous… et une solide armée de bactéries.

Ces cellules simples, qui voyagent de la mère au bébé à la naissance et dans les mois de contact intime qui suivent, forment les premières graines du microbiome de l'enfant - la communauté évolutive de micro-organismes symbiotiques liés au bon fonctionnement du corps. Des chercheurs du Broad Institute du Massachusetts Institute of Technology et de l'Université de Harvard ont récemment mené la première enquête à grande échelle sur la façon dont les microbiomes d'une mère et de son bébé coévoluent au cours de la première année de vie. Leur nouvelle étude, Publié dans Cellule en décembre a découvert que ces contributions maternelles ne se limitaient pas aux cellules complètes. De petits fragments d'ADN appelés éléments génétiques mobiles passent des bactéries de la mère aux bactéries du bébé, même des mois après la naissance.

Ce mode de transfert, qui n'a jamais été vu auparavant dans la culture du microbiome d'un nourrisson, pourrait jouer un rôle crucial dans la promotion de la croissance et du développement. Comprendre comment le microbiome d'un enfant évolue pourrait expliquer pourquoi certains enfants sont plus prédisposés à certaines maladies que d'autres, a déclaré Victoria Carr, un bioinformaticien principal au Wellcome Sanger Institute qui ne faisait pas partie de l'étude.

« C'est une grande question : comment obtenons-nous nos microbes ? » m'a dit Nicolas Segata, professeur à l'Université de Trente en Italie qui ne faisait pas non plus partie de l'étude.

Notre corps abrite à peu près autant de cellules bactériennes que de cellules humaines, et la plupart d'entre elles vivent dans nos intestins. Chacun de nous héberge des bibliothèques massivement diverses d'espèces et de souches bactériennes acquises tout au long de la vie. Mais les bébés commencent presque stériles. On pense que la première grande infusion de microbes provient de la mère pendant l'accouchement lorsque le nourrisson sort de l'utérus. Ce don bactérien crée l'échafaudage d'une communauté microbienne florissante dans le corps qui nous soutient pour le reste de nos vies. (Les nourrissons nés par césarienne ne reçoivent pas la même infusion initiale de microbes que les bébés reçoivent d'un accouchement vaginal, mais ils les recueillent lentement plus tard.)

L'un des effets du microbiome, a expliqué Segata, est de conditionner le système immunitaire et le métabolisme de son hôte au cours des deux premières années de vie. Ces premiers jours de formation "peuvent avoir des conséquences durables qui sont pour l'instant encore difficiles à appréhender", a-t-il déclaré.

En effet, on pense que les métabolites, ou produits chimiques du métabolisme, fabriqués par le microbiome influencent le développement cognitif et immunitaire d'un bébé, en particulier pendant une période sensible dans les 1,000 XNUMX jours avant et après la naissance, a déclaré Karolina Jabbar, interniste et chercheur à l'Université de Göteborg qui est co-auteur principal du nouvel article.

Dans la nouvelle étude, dirigée par Ramnik Xavier, directeur du Klarman Cell Observatory au Broad Institute, les chercheurs ont recueilli des échantillons de selles de 70 paires de mères et de leurs bébés, en commençant au début de la grossesse et en continuant pendant la première année du bébé. Les chercheurs ont ensuite étudié le mélange de microbes et de composés présents dans les échantillons et ont effectué des analyses génétiques pour déterminer quelles espèces et quelles souches de microbes étaient présentes. Avec ces données, ils ont pu voir comment les microbiomes des mères et des bébés ont coévolué pendant cette période.

Comme ils s'y attendaient, les microbiomes des nourrissons étaient différents de ceux de leurs mères et l'influence de l'alimentation sur leurs microbiomes était claire. Les nourrissons avaient des centaines de métabolites que leurs mères n'avaient pas.

La grande surprise pour l'équipe était que même lorsqu'un bébé manquait de souches bactériennes utiles présentes chez la mère, le microbiome du bébé avait encore des extraits de gènes appartenant à ces souches.

"Comment l'espèce pourrait-elle influencer la composition microbienne du nourrisson sans même en faire partie ?" dit Jabbar. Elle et ses collègues de laboratoire ont commencé à se demander si cela pouvait s'expliquer par le transfert horizontal de gènes, un processus original dans lequel les gènes d'une espèce sautent à une autre espèce au lieu d'être transmis à une progéniture. Les transferts de gènes horizontaux sont courants au sein des communautés de bactéries - ils contribuent grandement à la propagation de gènes résistants aux antibiotiques dans une variété d'agents pathogènes, par exemple - et ils se sont également avérés se produire dans les organismes multicellulaires.

Pourtant, les chercheurs n'étaient pas préparés à voir des centaines de gènes passer d'une communauté bactérienne à l'autre, du microbiome de la mère à celui du bébé. "C'est une de ces choses auxquelles vous ne croyez pas vous-même au début", a déclaré Tommi Vatanen, qui est chercheur à l'Université d'Helsinki et co-auteur principal de l'article.

Les chercheurs pensent que les transferts de gènes horizontaux peuvent être plus évidents lorsque les bactéries qui se développent dans l'intestin de la mère ne peuvent pas survivre dans l'environnement inconnu de l'intestin du nourrisson. Les bactéries maternelles peuvent pénétrer dans le corps du nourrisson par le lait maternel ou sous forme de spores libérées que le nourrisson avale. Certaines bactéries échoueront inévitablement à coloniser le corps de l'enfant et disparaîtront. Mais ils pourraient durer assez longtemps pour que certaines séquences de gènes se transforment en bactéries plus performantes. Si ces séquences génétiques prennent racine dans les génomes des bactéries à l'intérieur de l'intestin du bébé, elles peuvent apporter les fonctions qu'elles codent.

"Le fait que même l'existence transitoire d'une cellule donneuse puisse avoir un tel impact sur les cellules persistantes est vraiment fascinant", a déclaré Carr.

Dans certains cas, ces houblons peuvent avoir été rendus possibles par des prophages - des virus dormants qui se répliquent dans des bactéries. Dans l'environnement stressant de l'intestin du bébé, les prophages peuvent devenir actifs et commencer à se déplacer entre les bactéries, emportant avec eux des gènes bactériens intégrés.

Dans leur analyse d'échantillons de selles de nourrissons, Vatanen, Jabbar et leurs collègues ont identifié un exemple apparent : un prophage intégré dans l'ADN d'une espèce bactérienne est apparu dans une bactérie différente des mois plus tard.

"C'est une preuve assez convaincante que ce phage particulier a sauté entre deux espèces différentes", a déclaré Vatanen. Les chercheurs ont également découvert que les gènes sautaient entre les espèces bactériennes par d'autres moyens, par exemple par contact direct de cellule à cellule ou par le biais d'une cellule bactérienne engloutissant l'ADN libéré dans l'environnement.

Un grand groupe de gènes qui ont sauté a codé la machinerie cellulaire qui rend possible les transferts horizontaux de gènes. D'autres séquences mobiles ont contribué au métabolisme des glucides et des acides aminés, et peuvent donc avoir grandement profité aux bactéries. Par exemple, les résultats suggèrent que les gènes liés à la digestion des glucides présents dans le lait maternel pourraient être partagés des mères aux nourrissons de cette manière, a déclaré Jabbar. Les chercheurs ne savent pas avec certitude que les transferts horizontaux profitent directement au bébé, mais en assemblant un microbiome intestinal plus performant, ils peuvent contribuer au développement du système immunitaire du bébé.

Certaines de ces séquences génétiques sont apparues dans de nouvelles bactéries des mois après la naissance, ce qui suggère que les transferts ont continué à se produire pendant cette période. Il n'est pas clair si les transferts se produisaient également avant la naissance, mais les chercheurs ont découvert que le microbiome de la mère évoluait pendant la grossesse. Certains des changements semblaient susceptibles d'affecter la capacité du corps à tolérer le glucose. Ces résultats suggèrent que le diabète que certaines personnes développent pendant la grossesse pourrait être lié au microbiome.

Lorsque les chercheurs ont prélevé des échantillons de selles des nourrissons, ils ont également prélevé des échantillons de leurs cellules immunitaires. Ils prévoient maintenant d'utiliser ces échantillons pour examiner comment les bactéries que portent les nourrissons, y compris les bactéries qui contiennent ces éléments mobiles, interagissent avec les cellules immunitaires. Les enseignements tirés de ces expériences pourraient permettre de mieux comprendre comment et pourquoi certaines personnes développent des allergies ou des maladies auto-immunes.

L'existence de tels éléments mobiles est connue depuis que la généticienne pionnière Barbara McClintock les a découverts dans les années 1940, une réalisation pour laquelle elle a remporté le prix Nobel. "Mais il n'a jamais vraiment été caractérisé à une telle profondeur jusqu'à récemment", a déclaré Carr. "Maintenant que nous obtenons plus d'informations, nous réalisons qu'en fait, les éléments génétiques mobiles ont un impact plus important que nous ne le pensions auparavant."

En nous, il s'avère que cet impact commence très tôt dans la vie.