Mobile gener fra moren former babyens mikrobiom

En mor gir barnet sitt alt: kjærlighet, klemmer, kyss ... og en solid hær av bakterier.

Disse enkle cellene, som reiser fra mor til baby ved fødselen og i månedene med intim kontakt som følger, danner de første frøene til barnets mikrobiom - det utviklende fellesskapet av symbiotiske mikroorganismer knyttet til kroppens sunne funksjon. Forskere ved Broad Institute ved Massachusetts Institute of Technology og Harvard University gjennomførte nylig den første storskala undersøkelsen av hvordan mikrobiomene til en mor og hennes spedbarn utvikler seg sammen i løpet av det første leveåret. Deres nye studie, publisert i Cell i desember fant ut at disse mors bidrag ikke er begrenset til komplette celler. Små DNA-biter kalt mobile genetiske elementer hopper fra morens bakterier til babyens bakterier, selv måneder etter fødselen.

Denne måten for overføring, som aldri har vært sett før i dyrking av et spedbarns mikrobiom, kan spille en avgjørende rolle for å fremme vekst og utvikling. Å forstå hvordan et barns mikrobiom utvikler seg kan forklare hvorfor noen barn er mer disponert for visse sykdommer enn andre, sa Victoria Carr, en hovedbioinformatiker ved Wellcome Sanger Institute som ikke var en del av studien.

"Det er et stort spørsmål: Hvordan får vi mikrobene våre?" sa Nicola Segata, en professor ved Universitetet i Trento i Italia som heller ikke var en del av studien.

Kroppen vår er hjemsted for omtrent like mange bakterieceller som menneskelige celler, og de fleste av dem lever inne i tarmene våre. Hver av oss har massivt mangfoldige biblioteker av bakteriearter og -stammer som er ervervet gjennom livet. Men babyer starter nesten sterilt. Den første store infusjonen av mikrober antas å komme fra moren under fødselen når spedbarnet går ut av livmoren. Den bakteriegaven skaper stillaset for et blomstrende mikrobielt samfunn i kroppen som opprettholder oss resten av livet. (Spedbarn født ved keisersnitt får ikke den samme initiale infusjonen av mikrober som babyer får fra vaginal fødsel, men de samler dem sakte senere.)

En av mikrobiomets effekter, forklarte Segata, er å kondisjonere vertens immunsystem og metabolisme i løpet av de første par årene av livet. Disse innledende treningsdagene "kan ha langvarige konsekvenser som akkurat nå fortsatt er vanskelige å forstå," sa han.

Det er fordi metabolittene, eller kjemiske produkter av metabolisme, laget av mikrobiomet antas å påvirke en babys kognitive og immunsystemutvikling, spesielt under en sensitiv periode i de 1,000 dagene før og etter fødselen, sa Karolina Jabbar, en internist og forsker ved Universitetet i Gøteborg som er medforfatter på den nye artikkelen.

I den nye studien, ledet av Ramnik Xavier, direktøren for Klarman Cell Observatory ved Broad Institute, samlet forskerne avføringsprøver fra 70 par mødre og deres babyer, som startet tidlig i svangerskapet og fortsatte i babyens første år. Forskerne undersøkte deretter blandingen av mikrober og forbindelser som var tilstede i prøvene og kjørte genetiske analyser for å bestemme hvilke arter og hvilke stammer av mikrober som var til stede. Med disse dataene kunne de se hvordan mikrobiomene til mødrene og babyene utviklet seg sammen i løpet av den tiden.

Som de forventet, var spedbarnenes mikrobiomer annerledes enn mødrene deres, og kostholdets påvirkning på mikrobiomene var tydelig. Spedbarnene hadde hundrevis av metabolitter som mødrene deres ikke hadde.

Den store overraskelsen for teamet var at selv når en baby manglet nyttige bakteriestammer i moren, hadde babyens mikrobiom fortsatt utdrag av gener som tilhørte disse stammene.

"Hvordan kan arten påvirke spedbarns mikrobielle sammensetning uten engang å være en del av den?" sa Jabbar. Hun og laboratoriekameratene begynte å lure på om dette kunne forklares med horisontal genoverføring, en merkelig prosess der gener fra en art hopper til en annen art i stedet for å overføres til et avkom. Horisontale genoverføringer er vanlige i bakteriesamfunn - de bidrar sterkt til spredningen av antibiotikaresistente gener i en rekke patogener, for eksempel - og de har også vist seg å forekomme i flercellede organismer.

Likevel var forskerne ikke forberedt på å se hundrevis av gener hoppe mellom bakteriesamfunn - fra morens mikrobiom til babyens. "Det er en av de tingene du først ikke tror på selv," sa Tommi Vatanen, som er stipendiat ved Universitetet i Helsinki og medforfatter på papiret.

Forskerne spekulerer i at horisontale genoverføringer kan være mest åpenbare når bakterier som trives i mors tarm, ikke kan overleve i det ukjente miljøet i spedbarnets tarm. Mors bakterier kan komme inn i spedbarnets kropp gjennom morsmelk eller som frigjorte sporer som spedbarnet svelger. Noen bakterier vil uunngåelig mislykkes i å kolonisere barnets kropp og forsvinne. Men de kan vare lenge nok til at visse gensekvenser kan hoppe inn i mer vellykkede bakterier. Hvis disse genetiske sekvensene slår rot i genomet til bakterier inne i babyens tarm, kan de overføre funksjonene de koder for.

"Det faktum at selv en forbigående eksistens av en donorcelle kan ha en slik innvirkning på de vedvarende er virkelig fascinerende," sa Carr.

I noen tilfeller kan denne humlen ha blitt muliggjort av profeter - sovende virus som replikeres i bakterier. I det stressende miljøet i babyens tarm kan profeter bli aktive og begynne å bevege seg mellom bakterier og bære innebygde bakteriegener med seg.

I sin analyse av spedbarnsavføringsprøver identifiserte Vatanen, Jabbar og deres kolleger et tydelig eksempel: En profet som ble integrert i DNA fra én bakterieart dukket opp i en annen bakterie måneder senere.

"Det er ganske overbevisende bevis på at denne spesielle fagen hadde hoppet mellom to forskjellige arter," sa Vatanen. Forskerne fant også at gener hoppet mellom bakteriearter på andre måter, for eksempel gjennom direkte celle-til-celle-kontakt eller gjennom en bakteriecelle som oppsluker DNA som slippes ut i miljøet.

En stor gruppe gener som hoppet kodet det cellulære maskineriet som gjør horisontale genoverføringer mulig. Andre mobile sekvenser hjalp på karbohydrat- og aminosyremetabolismen, og kan derfor ha vært til stor nytte for bakteriene. For eksempel tyder resultatene på at gener relatert til fordøyelsen av karbohydrater som finnes i morsmelk kan deles fra mødre til spedbarn på denne måten, sa Jabbar. Forskerne vet ikke sikkert at de horisontale overføringene er til fordel for babyen direkte, men ved å sette sammen et mer dyktig tarmmikrobiom kan de hjelpe til med utviklingen av babyens immunsystem.

Noen av disse genetiske sekvensene dukket opp i nye bakterier måneder etter fødselen, noe som tyder på at overføringene fortsatte å skje i løpet av den tiden. Det er ikke klart om overføringer også skjedde før fødselen, men forskerne fant at morens mikrobiom utviklet seg under svangerskapet. Noen av endringene så ut til å påvirke kroppens evne til å tolerere glukose. Disse funnene tyder på at diabetes som noen mennesker utvikler mens de er gravide kan være knyttet til mikrobiomet.

Da forskerne samlet inn avføringsprøver fra spedbarnene, tok de også prøver av immuncellene deres. Nå planlegger de å bruke disse prøvene til å undersøke hvordan bakteriene som spedbarn bærer på, inkludert de bakteriene som inneholder disse mobile elementene, samhandler med immunceller. Innsikt fra disse eksperimentene kan føre til en bedre forståelse av hvordan og hvorfor noen mennesker utvikler allergier eller autoimmune sykdommer.

Eksistensen av slike mobile elementer har vært kjent siden den banebrytende genetikeren Barbara McClintock oppdaget dem på 1940-tallet, en prestasjon hun vant Nobelprisen for. "Men det har aldri blitt karakterisert så dypt før nylig," sa Carr. "Nå som vi får mer innsikt, innser vi at faktisk har mobile genetiske elementer en større innvirkning enn vi tidligere var klar over."

Hos oss, viser det seg, starter påvirkningen veldig tidlig i livet.