Мобильные гены матери формируют микробиом ребенка

Мать дает ребенку все: любовь, объятия, поцелуи… и крепкую армию бактерий.

Эти простые клетки, которые передаются от матери к ребенку при рождении и в последующие месяцы интимного контакта, формируют первые семена микробиома ребенка — развивающееся сообщество симбиотических микроорганизмов, связанных со здоровым функционированием организма. Исследователи из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарвардского университета недавно провели первое крупномасштабное исследование того, как микробиомы матери и ее младенца коэволюционируют в течение первого года жизни. Их новое исследование, опубликовано в Ячейка в декабре обнаружили, что этот материнский вклад не ограничивается полными клетками. Небольшие фрагменты ДНК, называемые мобильными генетическими элементами, переходят от бактерий матери к бактериям ребенка даже через несколько месяцев после рождения.

Этот способ передачи, который никогда ранее не наблюдался при культивировании микробиома младенцев, может сыграть решающую роль в стимулировании роста и развития. Понимание того, как развивается микробиом ребенка, может объяснить, почему одни дети предрасположены к определенным заболеваниям больше, чем другие. Виктория Карр, главный биоинформатик в Институте Wellcome Sanger, который не участвовал в исследовании.

«Это большой вопрос: как мы получаем наши микробы?» сказал Никола Сегата, профессор Университета Тренто в Италии, который также не участвовал в исследовании.

Наше тело является домом для примерно такого же количества бактериальных клеток, как и клетки человека, и большинство из них живет в нашем кишечнике. У каждого из нас есть огромное количество разнообразных библиотек видов и штаммов бактерий, приобретенных на протяжении всей жизни. Но дети начинают почти стерильными. Считается, что первое крупное вливание микробов исходит от матери во время рождения, когда младенец выходит из матки. Этот бактериальный дар создает основу для процветающего микробного сообщества в организме, которое поддерживает нас до конца жизни. (Младенцы, рожденные с помощью кесарева сечения, не получают того же первоначального притока микробов, что дети получают при вагинальных родах, но они постепенно накапливают их позже.)

Сегата объяснил, что одним из эффектов микробиома является адаптация иммунной системы и метаболизма хозяина в течение первых двух лет жизни. Эти первые тренировочные дни «могут иметь долгосрочные последствия, которые пока еще трудно понять», — сказал он.

Это связано с тем, что считается, что метаболиты или химические продукты метаболизма, производимые микробиомом, влияют на развитие когнитивной и иммунной системы ребенка, особенно в чувствительный период в течение 1,000 дней до и после рождения. Каролина Джаббар, терапевт и исследователь в Гетеборгском университете, который является соавтором новой статьи.

В новом исследовании под руководством Рамник Ксавьер, директора Клармановской клеточной обсерватории в Институте Броуда, исследователи собрали образцы стула у 70 пар матерей и их детей, начиная с ранних сроков беременности и продолжая в течение первого года жизни ребенка. Затем исследователи изучили смесь микробов и соединений, присутствующих в образцах, и провели генетический анализ, чтобы определить, какие виды и штаммы микробов присутствовали. С помощью этих данных они могли увидеть, как микробиомы матерей и младенцев эволюционировали вместе за это время.

Как они и ожидали, микробиомы младенцев отличались от микробиомов их матерей, и влияние диеты на их микробиомы было очевидным. У младенцев были сотни метаболитов, которых не было у их матерей.

Большим сюрпризом для команды стало то, что даже когда у ребенка не было полезных бактериальных штаммов, присутствующих в матери, в микробиоме ребенка все еще были фрагменты генов, принадлежащих этим штаммам.

«Как виды могут влиять на микробный состав младенцев, даже не будучи его частью?» — сказал Джаббар. Она и ее коллеги по лаборатории начали задаваться вопросом, можно ли это объяснить горизонтальным переносом генов, причудливым процессом, при котором гены от одного вида переходят к другому виду, а не передаются потомству. Горизонтальные переносы генов распространены в сообществах бактерий — например, они в значительной степени способствуют распространению генов, устойчивых к антибиотикам, у различных патогенов — и, как было обнаружено, они также происходят. в многоклеточных организмах.

Тем не менее, исследователи не были готовы увидеть, как сотни генов перескакивают между бактериальными сообществами — от микробиома матери до микробиома ребенка. «Это одна из тех вещей, в которые поначалу сам не веришь, — сказал Томми Ватанен, научный сотрудник Хельсинкского университета и соавтор статьи.

Исследователи предполагают, что горизонтальный перенос генов может быть наиболее очевидным, когда бактерии, которые процветают в кишечнике матери, не могут выжить в незнакомой среде кишечника младенца. Материнские бактерии могут попасть в организм младенца через грудное молоко или в виде высвобождаемых спор, которые младенец проглатывает. Некоторые бактерии неизбежно не смогут заселить организм ребенка и исчезнут. Но они могут просуществовать достаточно долго, чтобы определенные последовательности генов перешли в более успешные бактерии. Если эти генетические последовательности укоренятся в геномах бактерий в кишечнике ребенка, они смогут передать функции, которые кодируют.

«Тот факт, что даже временное существование донорской клетки может иметь такое влияние на постоянные клетки, действительно впечатляет», — сказал Карр.

В некоторых случаях эти прыжки стали возможными благодаря профагам — спящим вирусам, которые размножаются в бактериях. В стрессовой среде кишечника ребенка профаги могут стать активными и начать перемещаться между бактериями, неся с собой встроенные бактериальные гены.

В своем анализе образцов детского стула Ватанен, Джаббар и их коллеги выявили очевидный пример: профаг, который был интегрирован в ДНК одного вида бактерий, через несколько месяцев обнаружился в другой бактерии.

«Это довольно убедительное доказательство того, что этот конкретный фаг прыгнул между двумя разными видами», — сказал Ватанен. Исследователи также обнаружили, что гены перескакивали между видами бактерий другими способами, например, посредством прямого межклеточного контакта или через поглощение бактериальной клеткой ДНК, высвобождаемой в окружающую среду.

Одна большая группа генов, которые совершили скачок, кодировала клеточный механизм, делающий возможным горизонтальный перенос генов. Другие мобильные последовательности помогали метаболизму углеводов и аминокислот и, следовательно, могли принести большую пользу бактериям. Например, результаты показывают, что гены, связанные с перевариванием углеводов, содержащихся в грудном молоке, могут таким образом передаваться от матерей к младенцам, сказал Джаббар. Исследователи не знают наверняка, что горизонтальные переносы приносят прямую пользу ребенку, но, создавая более способный кишечный микробиом, они могут помочь в развитии иммунной системы ребенка.

Некоторые из этих генетических последовательностей обнаруживались в новых бактериях через несколько месяцев после рождения, что позволяет предположить, что перенос продолжал происходить в течение этого времени. Неясно, происходили ли переносы до рождения, но исследователи обнаружили, что микробиом матери эволюционировал во время беременности. Некоторые из изменений, вероятно, повлияли на способность организма переносить глюкозу. Эти результаты показывают, что диабет, который развивается у некоторых людей во время беременности, может быть связан с микробиомом.

Когда исследователи собрали образцы стула у младенцев, они также взяли образцы их иммунных клеток. Теперь они планируют использовать эти образцы для изучения того, как бактерии, переносимые младенцами, в том числе бактерии, содержащие эти мобильные элементы, взаимодействуют с иммунными клетками. Результаты этих экспериментов могут привести к лучшему пониманию того, как и почему у некоторых людей развиваются аллергии или аутоиммунные заболевания.

О существовании таких мобильных элементов стало известно с тех пор, как генетик-новатор Барбара МакКлинток открыла их в 1940-х годах, за что она получила Нобелевскую премию. «Но до недавнего времени он никогда не был охарактеризован с такой глубиной», — сказал Карр. «Теперь, когда мы получаем больше информации, мы понимаем, что на самом деле мобильные генетические элементы оказывают большее влияние, чем мы предполагали ранее».

Оказывается, у нас это воздействие начинается очень рано.