Genele mobile de la mamă modelează microbiomul bebelușului

O mamă îi oferă bebelușului ei tot: dragoste, îmbrățișări, sărutări... și o armată puternică de bacterii.

Aceste celule simple, care călătoresc de la mamă la copil la naștere și în lunile de contact intim care urmează, formează primele semințe ale microbiomului copilului - comunitatea în evoluție a microorganismelor simbiotice legate de funcționarea sănătoasă a organismului. Cercetătorii de la Broad Institute al Institutului de Tehnologie din Massachusetts și de la Universitatea Harvard au efectuat recent primul studiu la scară largă asupra modului în care microbiomul unei mame și al copilului ei coevoluează în primul an de viață. Noul lor studiu, publicat în Celulă în decembrie a constatat că aceste contribuții materne nu se limitează la celule complete. Mici fragmente de ADN numite elemente genetice mobile trec de la bacteriile mamei la bacteriile bebelușului, chiar și la câteva luni după naștere.

Acest mod de transfer, care nu a mai fost văzut până acum în cultivarea microbiomului unui sugar, ar putea juca un rol crucial în promovarea creșterii și dezvoltării. Înțelegerea modului în care microbiomul unui copil evoluează ar putea explica de ce unii copii sunt predispuși la anumite boli mai mult decât altele, a spus Victoria Carr, un bioinformatician principal la Institutul Wellcome Sanger care nu a făcut parte din studiu.

„Este o mare întrebare: cum ne obținem microbii?” spus Nicola Segata, profesor la Universitatea din Trento din Italia, care nu a făcut parte din studiu.

Corpurile noastre găzduiesc aproximativ la fel de multe celule bacteriene ca și celule umane și majoritatea dintre ele trăiesc în interiorul intestinelor noastre. Fiecare dintre noi adăpostește biblioteci foarte diverse de specii și tulpini de bacterii dobândite de-a lungul vieții. Dar bebelușii încep aproape sterili. Se crede că prima infuzie majoră de microbi vine de la mamă în timpul nașterii, pe măsură ce copilul iese din uter. Acest dar bacterian creează schela pentru o comunitate microbiană înfloritoare în organism care ne susține pentru tot restul vieții noastre. (Copiii născuți prin operație cezariană nu primesc aceeași perfuzie inițială de microbi pe care o primesc bebelușii din nașterea vaginală, dar le adună încet mai târziu.)

Unul dintre efectele microbiomului, a explicat Segata, este de a condiționa sistemul imunitar și metabolismul gazdei în primii doi ani de viață. Aceste zile de antrenament inițial „pot avea consecințe de lungă durată care sunt încă greu de înțeles acum”, a spus el.

Acest lucru se datorează faptului că metaboliții sau produșii chimici ai metabolismului, fabricați de microbiom, se crede că influențează dezvoltarea cognitivă și a sistemului imunitar al unui copil, în special în timpul unei perioade sensibile în cele 1,000 de zile înainte și după naștere, a spus. Karolina Jabbar, internist și cercetător la Universitatea din Göteborg, care este co-autor principal al noii lucrări.

În noul studiu, condus de Ramnik Xavier, directorul Observatorului celular Klarman de la Broad Institute, cercetătorii au colectat probe de scaun de la 70 de perechi de mame și bebelușii acestora, începând de la începutul sarcinii și continuând pentru primul an al bebelușului. Cercetătorii au analizat apoi amestecul de microbi și compuși prezenți în probe și au efectuat analize genetice pentru a determina ce specii și ce tulpini de microbi erau prezente. Cu aceste date, ei au putut vedea cum au evoluat microbiomele mamelor și bebelușilor în acea perioadă.

Așa cum se așteptau, microbiomul sugarilor era diferit de cel al mamei lor, iar influența dietei asupra microbiomului lor a fost clară. Copiii aveau sute de metaboliți pe care mamele lor nu i-au avut.

Marea surpriză pentru echipă a fost că, chiar și atunci când unui copil îi lipseau tulpinile bacteriene utile prezente în mamă, microbiomul bebelușului încă mai avea fragmente de gene aparținând acelor tulpini.

„Cum ar putea specia să influențeze compoziția microbiană a sugarului fără să fie măcar parte a acesteia?” spuse Jabbar. Ea și colegii ei de laborator au început să se întrebe dacă acest lucru ar putea fi explicat prin transferul orizontal al genelor, un proces ciudat în care genele de la o specie trec la alta specie în loc să fie transmise la un descendent. Transferurile de gene orizontale sunt frecvente în cadrul comunităților de bacterii - contribuie în mare măsură la răspândirea genelor rezistente la antibiotice într-o varietate de agenți patogeni, de exemplu - și s-a constatat, de asemenea, că apar în organismele pluricelulare.

Totuși, cercetătorii nu au fost pregătiți să vadă sute de gene sărind între comunitățile bacteriene - de la microbiomul mamei până la cel al copilului. „Este unul dintre acele lucruri pe care la început nu te crezi”, a spus Tommi Vatanen, care este cercetător la Universitatea din Helsinki și co-autor principal al lucrării.

Cercetătorii speculează că transferurile genice orizontale pot fi cele mai evidente atunci când bacteriile care prosperă în intestinul mamei nu pot supraviețui în mediul nefamiliar al intestinului copilului. Bacteriile materne pot pătrunde în corpul copilului prin laptele matern sau ca spori eliberați pe care copilul îi înghite. Unele bacterii nu vor reuși inevitabil să colonizeze corpul copilului și să dispară. Dar ar putea dura suficient de mult pentru ca anumite secvențe de gene să intre în bacterii mai de succes. Dacă acele secvențe genetice prind rădăcini în genomul bacteriilor din interiorul intestinului copilului, ele pot aduce funcțiile pe care le codifică.

„Faptul că chiar și o existență tranzitorie a unei celule donatoare poate avea un astfel de impact asupra celor persistente este cu adevărat fascinant”, a spus Carr.

În unele cazuri, acest hamei ar fi fost posibil de profagi - viruși latenți care se reproduc în bacterii. În mediul stresant al intestinului bebelușului, profagii pot deveni activi și pot începe să se miște între bacterii, purtând cu ei gene bacteriene încorporate.

În analiza lor a probelor de scaun pentru sugari, Vatanen, Jabbar și colegii lor au identificat un exemplu aparent: un profag care a fost integrat în ADN-ul unei specii de bacterii a apărut într-o altă bacterie luni mai târziu.

„Este o dovadă destul de convingătoare că acest fag special a sărit între două specii diferite”, a spus Vatanen. Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că genele au sărit între speciile bacteriene în alte moduri, cum ar fi prin contact direct celulă-celulă sau printr-o celulă bacteriană care înghiți ADN-ul eliberat în mediu.

Un grup mare de gene care au sărit a codificat mecanismul celular care face posibil transferurile orizontale de gene. Alte secvențe mobile au ajutat la metabolismul carbohidraților și a aminoacizilor și, prin urmare, ar fi putut beneficia foarte mult bacteriilor. De exemplu, rezultatele sugerează că genele legate de digestia carbohidraților găsiți în laptele matern ar putea fi împărtășite de la mame la sugari în acest fel, a spus Jabbar. Cercetătorii nu știu sigur că transferurile orizontale beneficiază copilul în mod direct, dar prin asamblarea unui microbiom intestinal mai capabil, ele pot ajuta la dezvoltarea sistemului imunitar al copilului.

Unele dintre aceste secvențe genetice au apărut în bacterii noi la luni de la naștere, ceea ce sugerează că transferurile au continuat să aibă loc în acea perioadă. Nu este clar dacă transferurile au avut loc și înainte de naștere, dar cercetătorii au descoperit că microbiomul mamei a evoluat în timpul sarcinii. Unele dintre modificări păreau probabil să afecteze capacitatea organismului de a tolera glucoza. Aceste descoperiri sugerează că diabetul pe care unii oameni îl dezvoltă în timpul sarcinii ar putea fi legat de microbiom.

Când cercetătorii au colectat probe de scaun de la sugari, au luat și mostre din celulele lor imune. Acum ei plănuiesc să folosească acele mostre pentru a examina modul în care bacteriile pe care le poartă sugarii, inclusiv acele bacterii care conțin aceste elemente mobile, interacționează cu celulele imune. Perspectivele din aceste experimente ar putea duce la o mai bună înțelegere a modului și de ce unii oameni dezvoltă alergii sau boli autoimune.

Existența unor astfel de elemente mobile este cunoscută de când pionierul genetician Barbara McClintock le-a descoperit în anii 1940, realizare pentru care a câștigat Premiul Nobel. „Dar până de curând nu a fost niciodată caracterizat cu atâta profunzime”, a spus Carr. „Acum că obținem mai multe informații, ne dăm seama că, de fapt, elementele genetice mobile au un impact mai mare decât ne-am dat seama anterior.”

În noi, se pare, acel impact începe foarte devreme în viață.