Mobilne geny matki kształtują mikrobiom dziecka

Matka daje dziecku wszystko: miłość, uściski, pocałunki… i potężną armię bakterii.

Te proste komórki, które wędrują od matki do dziecka w chwili narodzin i podczas następnych miesięcy intymnego kontaktu, tworzą pierwsze nasiona mikrobiomu dziecka — ewoluującej społeczności symbiotycznych mikroorganizmów związanych ze zdrowym funkcjonowaniem organizmu. Naukowcy z Broad Institute of Massachusetts Institute of Technology i Uniwersytetu Harvarda przeprowadzili niedawno pierwsze zakrojone na szeroką skalę badanie, w jaki sposób mikrobiomy matki i jej niemowlęcia współewoluują w pierwszym roku życia. Ich nowe badanie, opublikowane w Komórka w grudniu okazało się, że ten wkład matek nie ogranicza się do całych komórek. Małe fragmenty DNA zwane ruchomymi elementami genetycznymi przeskakują z bakterii matki do bakterii dziecka, nawet kilka miesięcy po urodzeniu.

Ten sposób przenoszenia, którego nigdy wcześniej nie widziano w hodowli mikrobiomu niemowlęcia, może odegrać kluczową rolę w promowaniu wzrostu i rozwoju. Zrozumienie, w jaki sposób ewoluuje mikrobiom dziecka, może wyjaśnić, dlaczego niektóre dzieci są bardziej predysponowane do pewnych chorób niż inne. Wiktoria Kar, główny bioinformatyk w Wellcome Sanger Institute, który nie brał udziału w badaniu.

„To duże pytanie: skąd mamy nasze mikroby?” powiedział Nikola Segata, profesor Uniwersytetu w Trydencie we Włoszech, który również nie brał udziału w badaniu.

Nasze ciała są domem dla mniej więcej tylu komórek bakteryjnych, co komórek ludzkich, a większość z nich żyje w naszych jelitach. Każdy z nas posiada ogromną różnorodność bibliotek gatunków i szczepów bakterii nabytych przez całe życie. Ale dzieci na początku są prawie bezpłodne. Uważa się, że pierwsza duża infuzja drobnoustrojów pochodzi od matki podczas porodu, gdy niemowlę opuszcza macicę. Ten bakteryjny dar tworzy rusztowanie dla kwitnącej społeczności drobnoustrojów w organizmie, która podtrzymuje nas przez resztę życia. (Niemowlęta urodzone przez cesarskie cięcie nie otrzymują takiego samego początkowego zastrzyku drobnoustrojów, jaki otrzymują dzieci z porodu siłami natury, ale powoli gromadzą je później).

Segata wyjaśnił, że jednym z efektów mikrobiomu jest kondycjonowanie układu odpornościowego i metabolizmu żywiciela w ciągu pierwszych kilku lat życia. Te początkowe dni szkoleniowe „mogą mieć długotrwałe konsekwencje, które w tej chwili wciąż są trudne do zrozumienia” – powiedział.

To dlatego, że uważa się, że metabolity lub chemiczne produkty metabolizmu wytwarzane przez mikrobiom wpływają na rozwój układu poznawczego i odpornościowego dziecka, szczególnie we wrażliwym okresie 1,000 dni przed i po urodzeniu. Karolina Jabbar, internista i badacz z Uniwersytetu w Göteborgu, który jest współautorem nowego artykułu.

W nowym badaniu, prowadzonym przez Ramnik Ksawery, dyrektor Obserwatorium Komórek Klarmana w Broad Institute, naukowcy pobrali próbki kału od 70 par matek i ich dzieci, zaczynając od wczesnej ciąży i kontynuując ją do pierwszego roku życia dziecka. Następnie naukowcy zbadali mieszankę drobnoustrojów i związków obecnych w próbkach i przeprowadzili analizy genetyczne, aby określić, które gatunki i szczepy drobnoustrojów były obecne. Dzięki tym danym mogli zobaczyć, jak mikrobiomy matek i dzieci współewoluowały w tym czasie.

Zgodnie z oczekiwaniami mikrobiomy niemowląt różniły się od mikrobiomów ich matek, a wpływ diety na ich mikrobiomy był wyraźny. Niemowlęta miały setki metabolitów, których nie miały ich matki.

Wielką niespodzianką dla zespołu było to, że nawet jeśli dziecku brakowało pożytecznych szczepów bakteryjnych obecnych u matki, mikrobiom dziecka wciąż zawierał fragmenty genów należących do tych szczepów.

„W jaki sposób gatunek może wpływać na skład mikrobiologiczny niemowlęcia, nawet nie będąc jego częścią?” - powiedział Jabbar. Ona i jej koledzy z laboratorium zaczęli się zastanawiać, czy można to wytłumaczyć poziomym transferem genów, dziwacznym procesem, w którym geny z jednego gatunku przeskakują do innego gatunku zamiast być przekazywane potomstwu. Poziome transfery genów są powszechne w społecznościach bakterii — na przykład w znacznym stopniu przyczyniają się do rozprzestrzeniania się genów opornych na antybiotyki w różnych patogenach — i stwierdzono, że występują w organizmach wielokomórkowych.

Mimo to naukowcy nie byli przygotowani na zobaczenie setek genów przeskakujących między społecznościami bakterii — od mikrobiomu matki po mikrobiom dziecka. „To jedna z tych rzeczy, w które na początku sam nie wierzysz” — powiedział Tommiego Vatanena, który jest pracownikiem naukowym na Uniwersytecie w Helsinkach i współautorem artykułu.

Naukowcy spekulują, że poziome transfery genów mogą być najbardziej oczywiste, gdy bakterie rozwijające się w jelitach matki nie mogą przetrwać w nieznanym środowisku jelit niemowlęcia. Bakterie matki mogą dostać się do organizmu niemowlęcia poprzez mleko matki lub w postaci uwolnionych zarodników, które niemowlę połyka. Niektóre bakterie nieuchronnie nie skolonizują ciała dziecka i znikną. Ale mogą trwać wystarczająco długo, aby pewne sekwencje genów wskoczyły do ​​bardziej skutecznych bakterii. Jeśli te sekwencje genetyczne zakorzenią się w genomach bakterii w jelicie dziecka, mogą przejąć funkcje, które kodują.

„Fakt, że nawet przejściowe istnienie komórki dawcy może mieć taki wpływ na te trwałe, jest naprawdę fascynujący” – powiedział Carr.

W niektórych przypadkach te przeskoki mogły być możliwe dzięki profagom — uśpionym wirusom, które replikują się w bakteriach. W stresującym środowisku jelit dziecka profagi mogą uaktywnić się i zacząć przemieszczać się między bakteriami, przenosząc ze sobą osadzone geny bakteryjne.

Podczas analizy próbek kału niemowląt Vatanen, Jabbar i ich współpracownicy zidentyfikowali oczywisty przykład: profag, który został zintegrowany z DNA jednego gatunku bakterii, pojawił się w innej bakterii kilka miesięcy później.

„To dość przekonujący dowód na to, że ten konkretny fag przeskoczył między dwoma różnymi gatunkami” – powiedział Vatanen. Naukowcy odkryli również, że geny przeskakiwały między gatunkami bakterii na inne sposoby, na przykład poprzez bezpośredni kontakt między komórkami lub przez komórkę bakteryjną pochłaniającą DNA uwolnione do środowiska.

Jedna duża grupa genów, które przeskoczyły, zakodowała maszynerię komórkową, która umożliwia poziomy transfer genów. Inne ruchome sekwencje pomogły w metabolizmie węglowodanów i aminokwasów, a zatem mogły przynieść bakteriom ogromne korzyści. Na przykład wyniki sugerują, że geny związane z trawieniem węglowodanów znajdujących się w mleku matki mogą być przekazywane niemowlętom w ten sposób, powiedział Jabbar. Naukowcy nie są pewni, czy transfery poziome przynoszą bezpośrednie korzyści dziecku, ale poprzez stworzenie bardziej wydajnego mikrobiomu jelitowego mogą pomóc w rozwoju układu odpornościowego dziecka.

Niektóre z tych sekwencji genetycznych pojawiły się w nowych bakteriach kilka miesięcy po urodzeniu, co sugeruje, że transfery nadal miały miejsce w tym czasie. Nie jest jasne, czy transfery miały miejsce również przed urodzeniem, ale naukowcy odkryli, że mikrobiom matki ewoluował podczas ciąży. Niektóre zmiany wydawały się prawdopodobnie wpływać na zdolność organizmu do tolerowania glukozy. Odkrycia te sugerują, że cukrzyca, na którą cierpią niektóre kobiety w czasie ciąży, może być powiązana z mikrobiomem.

Kiedy naukowcy pobrali próbki kału od niemowląt, pobrali również próbki ich komórek odpornościowych. Teraz planują wykorzystać te próbki do zbadania, w jaki sposób bakterie przenoszone przez niemowlęta, w tym bakterie zawierające te ruchome elementy, wchodzą w interakcje z komórkami odpornościowymi. Wnioski z tych eksperymentów mogą pomóc w lepszym zrozumieniu, w jaki sposób i dlaczego u niektórych osób rozwijają się alergie lub choroby autoimmunologiczne.

Istnienie takich ruchomych elementów było znane od czasu, gdy pionierka genetyki Barbara McClintock odkryła je w latach czterdziestych XX wieku, za co otrzymała Nagrodę Nobla. „Ale do niedawna tak naprawdę nigdy nie było tak głęboko scharakteryzowane” – powiedział Carr. „Teraz, gdy uzyskujemy więcej informacji, zdajemy sobie sprawę, że ruchome elementy genetyczne mają większy wpływ, niż wcześniej sądziliśmy”.

Okazuje się, że u nas ten wpływ zaczyna się bardzo wcześnie.