Gen Seluler Dari Ibu Membentuk Mikrobioma Bayi

Seorang ibu memberikan bayinya segalanya: cinta, pelukan, ciuman … dan pasukan bakteri yang kuat.

Sel-sel sederhana ini, yang melakukan perjalanan dari ibu ke bayi saat lahir dan di bulan-bulan setelah kontak intim, membentuk benih pertama mikrobioma anak — komunitas mikroorganisme simbiosis yang berkembang yang terkait dengan fungsi tubuh yang sehat. Para peneliti di Broad Institute of the Massachusetts Institute of Technology dan Harvard University baru-baru ini melakukan survei skala besar pertama tentang bagaimana mikrobioma ibu dan bayinya berevolusi bersama selama tahun pertama kehidupan. Studi baru mereka, diterbitkan dalam Sel pada bulan Desember menemukan bahwa kontribusi ibu ini tidak terbatas pada sel lengkap. Potongan kecil DNA yang disebut elemen genetik bergerak melompat dari bakteri ibu ke bakteri bayi, bahkan berbulan-bulan setelah lahir.

Cara pemindahan ini, yang belum pernah terlihat sebelumnya dalam budidaya mikrobioma bayi, dapat memainkan peran penting dalam mendorong pertumbuhan dan perkembangan. Memahami bagaimana mikrobioma anak berkembang dapat menjelaskan mengapa beberapa anak lebih rentan terhadap penyakit tertentu daripada yang lain, kata Victoria Carr, seorang ahli bioinformatika utama di Wellcome Sanger Institute yang bukan bagian dari penelitian ini.

“Ini pertanyaan besar: Bagaimana kita mendapatkan mikroba kita?” dikatakan Nicola Segata, seorang profesor di University of Trento di Italia yang juga bukan bagian dari studi tersebut.

Tubuh kita adalah rumah bagi sel bakteri sebanyak sel manusia, dan kebanyakan dari mereka hidup di dalam usus kita. Masing-masing dari kita menyimpan perpustakaan spesies dan strain bakteri yang sangat beragam yang diperoleh sepanjang hidup. Tetapi bayi mulai hampir steril. Infus mikroba besar pertama diperkirakan berasal dari ibu selama kelahiran saat bayi keluar dari rahim. Karunia bakteri itu menciptakan perancah bagi komunitas mikroba yang berkembang dalam tubuh yang menopang kita selama sisa hidup kita. (Bayi yang lahir melalui operasi caesar tidak mendapatkan infus awal yang sama dari mikroba yang didapat bayi dari persalinan pervaginam, tetapi mereka perlahan-lahan mengumpulkannya nanti.)

Salah satu efek microbiome, Segata menjelaskan, adalah mengkondisikan sistem kekebalan dan metabolisme inangnya selama beberapa tahun pertama kehidupan. Hari-hari pelatihan awal ini “dapat memiliki konsekuensi jangka panjang yang saat ini masih sulit untuk dipahami,” katanya.

Itu karena metabolit, atau produk kimia dari metabolisme, yang dibuat oleh mikrobioma diperkirakan memengaruhi perkembangan sistem kognitif dan kekebalan bayi, terutama selama periode sensitif dalam 1,000 hari sebelum dan setelah kelahiran, kata Carolina Jabbar, seorang internis dan peneliti di University of Gothenburg yang merupakan salah satu penulis utama makalah baru ini.

Dalam studi baru, dipimpin oleh Ramnik Xavier, direktur Klarman Cell Observatory di Broad Institute, para peneliti mengumpulkan sampel tinja dari 70 pasang ibu dan bayinya, mulai dari awal kehamilan dan berlanjut hingga tahun pertama bayi. Para peneliti kemudian mensurvei campuran mikroba dan senyawa yang ada dalam sampel dan menjalankan analisis genetik untuk menentukan spesies dan jenis mikroba mana yang ada. Dengan data ini, mereka dapat melihat bagaimana mikrobiom ibu dan bayi berevolusi bersama selama waktu itu.

Seperti yang mereka duga, mikrobioma bayi berbeda dengan mikrobioma ibu mereka, dan pengaruh makanan pada mikrobioma mereka jelas. Bayi memiliki ratusan metabolit yang tidak dimiliki ibu mereka.

Kejutan besar bagi tim adalah bahwa bahkan ketika bayi kekurangan strain bakteri berguna yang ada pada ibu, mikrobioma bayi masih memiliki potongan gen milik strain tersebut.

“Bagaimana spesies dapat memengaruhi komposisi mikroba bayi bahkan tanpa menjadi bagian darinya?” kata Jabbar. Dia dan rekan labnya mulai bertanya-tanya apakah ini bisa dijelaskan dengan transfer gen horizontal, sebuah proses unik di mana gen dari satu spesies melompat ke spesies lain alih-alih diturunkan ke keturunannya. Transfer gen horizontal umum terjadi dalam komunitas bakteri — mereka berkontribusi besar pada penyebaran gen resisten antibiotik dalam berbagai patogen, misalnya — dan mereka juga ditemukan terjadi pada organisme multiseluler.

Namun, para peneliti tidak siap untuk melihat ratusan gen melompat di antara komunitas bakteri – dari mikrobioma ibu ke bayi. "Itu salah satu hal yang pada awalnya Anda tidak percaya diri," kata Tommi Vatanen, yang merupakan rekan peneliti di University of Helsinki dan rekan penulis utama makalah tersebut.

Para peneliti berspekulasi bahwa transfer gen horizontal mungkin paling jelas terjadi ketika bakteri yang tumbuh subur di usus ibu tidak dapat bertahan hidup di lingkungan usus bayi yang asing. Bakteri ibu dapat masuk ke tubuh bayi melalui ASI atau sebagai spora yang dilepaskan yang ditelan bayi. Beberapa bakteri pasti akan gagal menjajah tubuh anak dan menghilang. Tapi mereka mungkin bertahan cukup lama untuk sekuens gen tertentu untuk melompat ke bakteri yang lebih sukses. Jika urutan genetik tersebut mengakar dalam genom bakteri di dalam usus bayi, mereka dapat membawa fungsi yang mereka kodekan.

“Fakta bahwa keberadaan sementara dari sel donor dapat memiliki dampak yang begitu besar bagi sel yang gigih itu sungguh menarik,” kata Carr.

Dalam beberapa kasus, lompatan ini mungkin dimungkinkan oleh profag - virus tidak aktif yang bereplikasi dalam bakteri. Dalam lingkungan usus bayi yang penuh tekanan, profag dapat menjadi aktif dan mulai bergerak di antara bakteri, membawa gen bakteri tertanam bersama mereka.

Dalam analisis mereka terhadap sampel feses bayi, Vatanen, Jabbar dan rekan mereka mengidentifikasi contoh nyata: Sebuah profag yang diintegrasikan ke dalam DNA dari satu spesies bakteri muncul dalam bakteri yang berbeda beberapa bulan kemudian.

“Ini bukti yang cukup meyakinkan bahwa fag tertentu ini melompat di antara dua spesies berbeda,” kata Vatanen. Para peneliti juga menemukan bahwa gen melompat di antara spesies bakteri dengan cara lain, seperti melalui kontak sel-ke-sel langsung atau melalui sel bakteri yang menelan DNA yang dilepaskan ke lingkungan.

Satu kelompok besar gen yang melompat menyandikan mesin seluler yang memungkinkan transfer gen horizontal. Urutan seluler lainnya membantu metabolisme karbohidrat dan asam amino, dan karenanya mungkin sangat bermanfaat bagi bakteri. Sebagai contoh, hasil menunjukkan bahwa gen yang berhubungan dengan pencernaan karbohidrat yang ditemukan dalam ASI dapat dibagi dari ibu ke bayi dengan cara ini, kata Jabbar. Para peneliti tidak tahu pasti bahwa transfer horizontal bermanfaat bagi bayi secara langsung, tetapi dengan merakit mikrobioma usus yang lebih mampu, mereka dapat membantu perkembangan sistem kekebalan bayi.

Beberapa urutan genetik ini muncul pada bakteri baru beberapa bulan setelah lahir, yang menunjukkan bahwa transfer terus terjadi selama waktu itu. Tidak jelas apakah transfer juga terjadi sebelum kelahiran, tetapi para peneliti menemukan bahwa mikrobioma ibu berevolusi selama kehamilan. Beberapa perubahan tampaknya mempengaruhi kemampuan tubuh untuk mentolerir glukosa. Temuan tersebut menunjukkan bahwa diabetes yang dialami beberapa orang saat hamil dapat dikaitkan dengan mikrobioma.

Ketika para peneliti mengumpulkan sampel tinja dari bayi, mereka juga mengambil sampel sel kekebalan mereka. Sekarang mereka berencana untuk menggunakan sampel tersebut untuk memeriksa bagaimana bakteri yang dibawa oleh bayi, termasuk bakteri yang mengandung unsur bergerak ini, berinteraksi dengan sel kekebalan. Wawasan dari eksperimen ini dapat mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana dan mengapa beberapa orang mengembangkan alergi atau penyakit autoimun.

Keberadaan elemen bergerak semacam itu telah diketahui sejak ahli genetik perintis Barbara McClintock menemukannya pada tahun 1940-an, sebuah pencapaian yang membuatnya memenangkan Hadiah Nobel. "Tapi itu tidak pernah benar-benar dicirikan sedemikian mendalam sampai saat ini," kata Carr. “Sekarang setelah kami mendapatkan lebih banyak wawasan, kami menyadari bahwa sebenarnya, elemen genetik seluler memiliki dampak yang lebih besar daripada yang kami sadari sebelumnya.”

Dalam diri kita, ternyata dampak itu dimulai sejak awal kehidupan.