Mobilni geni matere oblikujejo otrokov mikrobiom

Mama daje svojemu otroku vse: ljubezen, objeme, poljube … in trdno vojsko bakterij.

Te preproste celice, ki ob rojstvu in v mesecih intimnega stika, ki sledijo, potujejo od matere do otroka, tvorijo prva semena otrokovega mikrobioma – razvijajoče se skupnosti simbiotičnih mikroorganizmov, povezanih z zdravim delovanjem telesa. Raziskovalci na Inštitutu Broad Instituta za tehnologijo v Massachusettsu in Univerzi Harvard so pred kratkim izvedli prvo obsežno raziskavo o tem, kako se mikrobiomi matere in njenega dojenčka sočasno razvijajo v prvem letu življenja. Njihova nova študija, objavljeno v Celica decembra ugotovila, da ti materinski prispevki niso omejeni na celotne celice. Majhni delčki DNK, imenovani mobilni genetski elementi, skačejo od materinih bakterij do otrokovih bakterij, celo mesece po rojstvu.

Ta način prenosa, ki še ni bil viden pri gojenju mikrobioma dojenčka, bi lahko imel ključno vlogo pri spodbujanju rasti in razvoja. Razumevanje, kako se otrokov mikrobiom razvija, bi lahko pojasnilo, zakaj so nekateri otroci bolj nagnjeni k določenim boleznim kot drugi, je dejal Victoria Carr, glavni bioinformatik na inštitutu Wellcome Sanger, ki ni bil del študije.

"To je veliko vprašanje: Kako dobimo svoje mikrobe?" rekel Nikola Segata, profesor na Univerzi v Trentu v Italiji, ki prav tako ni bil del študije.

V našem telesu živi približno toliko bakterijskih celic kot človeških celic in večina jih živi v našem črevesju. Vsak od nas hrani ogromno raznolikih knjižnic bakterijskih vrst in sevov, pridobljenih skozi življenje. Toda dojenčki so na začetku skoraj sterilni. Prva večja infuzija mikrobov naj bi prišla od matere med rojstvom, ko dojenček zapusti maternico. Ta bakterijski dar ustvarja ogrodje za cvetočo mikrobno skupnost v telesu, ki nas vzdržuje do konca življenja. (Dojenčki, rojeni s carskim rezom, ne prejmejo enake začetne infuzije mikrobov, kot jih dojenčki dobijo z vaginalnim porodom, ampak jih počasi zberejo kasneje.)

Eden od učinkov mikrobioma, je pojasnil Segata, je pogojovanje gostiteljevega imunskega sistema in metabolizma v prvih nekaj letih življenja. Ti začetni dnevi usposabljanja "imajo lahko dolgotrajne posledice, ki jih je zdaj še vedno težko razumeti," je dejal.

To je zato, ker naj bi presnovki ali kemični produkti presnove, ki jih proizvaja mikrobiom, vplivali na razvoj kognitivnega in imunskega sistema otroka, zlasti v občutljivem obdobju v 1,000 dneh pred rojstvom in po njem, je dejal. Karolina Jabbar, internist in raziskovalec na Univerzi v Göteborgu, ki je soglavni avtor pri novem dokumentu.

V novi študiji, ki jo vodi Ramnik Ksaver, direktor Klarmanovega celičnega observatorija na Inštitutu Broad, so raziskovalci zbrali vzorce blata 70 parov mater in njihovih dojenčkov, začenši zgodaj v nosečnosti in nadaljevali v prvem letu dojenčka. Raziskovalci so nato pregledali mešanico mikrobov in spojin, prisotnih v vzorcih, ter opravili genetske analize, da bi ugotovili, katere vrste in kateri sevi mikrobov so bili prisotni. S temi podatki so lahko videli, kako so se v tem času soevoluirali mikrobiomi mater in dojenčkov.

Kot so pričakovali, so bili mikrobiomi dojenčkov drugačni od mikrobiomov njihovih mater, vpliv prehrane na njihove mikrobiome pa je bil jasen. Dojenčki so imeli na stotine metabolitov, ki jih njihove matere niso imele.

Veliko presenečenje za ekipo je bilo, da je otrokov mikrobiom še vedno imel delčke genov, ki pripadajo tem sevom, tudi če otroku manjkajo uporabni bakterijski sevi pri materi.

"Kako bi lahko vrsta vplivala na mikrobno sestavo dojenčka, ne da bi bila sploh del tega?" je rekel Jabbar. Ona in njeni sodelavci v laboratoriju so se začeli spraševati, ali je to mogoče razložiti s horizontalnim prenosom genov, nenavadnim procesom, pri katerem geni iz ene vrste skačejo k drugi vrsti, namesto da bi se prenesli na potomce. Horizontalni prenosi genov so pogosti v skupnostih bakterij – močno prispevajo k širjenju genov, odpornih na antibiotike, na primer pri različnih patogenih – in ugotovljeno je bilo, da se pojavljajo pri večceličnih organizmih.

Kljub temu raziskovalci niso bili pripravljeni videti na stotine genov, ki skačejo med bakterijskimi skupnostmi – od materinega mikrobioma do otrokovega. "To je ena tistih stvari, v katere sprva sam ne verjameš," je rekel Tommi Vatanen, ki je raziskovalec na Univerzi v Helsinkih in soglavni avtor prispevka.

Raziskovalci špekulirajo, da so horizontalni prenosi genov morda najbolj očitni, ko bakterije, ki uspevajo v črevesju matere, ne morejo preživeti v neznanem okolju črevesja dojenčka. Materine bakterije lahko vstopijo v telo dojenčka z materinim mlekom ali kot sproščene spore, ki jih dojenček pogoltne. Nekatere bakterije se neizogibno ne bodo uspele naseliti v otrokovem telesu in bodo izginile. Lahko pa trajajo dovolj dolgo, da določene genske sekvence preidejo v uspešnejše bakterije. Če se te genetske sekvence ukoreninijo v genomih bakterij v otrokovem črevesju, lahko prenesejo funkcije, ki jih kodirajo.

"Dejstvo, da lahko celo prehoden obstoj donorske celice tako vpliva na tiste vztrajne, je res fascinantno," je dejal Carr.

V nekaterih primerih so ta hmelj morda omogočili profagi – mirujoči virusi, ki se razmnožujejo v bakterijah. V stresnem okolju dojenčkovega črevesja lahko profagi postanejo aktivni in se začnejo premikati med bakterijami ter s seboj prenašajo vgrajene bakterijske gene.

V svoji analizi vzorcev blata dojenčkov so Vatanen, Jabbar in njihovi kolegi identificirali očiten primer: profage, ki je bil integriran v DNK ene bakterijske vrste, se je pokazal v drugi bakteriji nekaj mesecev kasneje.

"To je precej prepričljiv dokaz, da je ta določen fag skočil med dvema različnima vrstama," je dejal Vatanen. Raziskovalci so tudi ugotovili, da geni skačejo med bakterijskimi vrstami na druge načine, na primer prek neposrednega stika med celicami ali prek bakterijske celice, ki zajame DNK, sproščeno v okolje.

Ena velika skupina genov, ki je skočila, je kodirala celični stroj, ki omogoča horizontalne prenose genov. Druge mobilne sekvence so pomagale pri presnovi ogljikovih hidratov in aminokislin in so zato lahko zelo koristile bakterijam. Rezultati na primer kažejo, da bi se geni, povezani s prebavo ogljikovih hidratov v materinem mleku, lahko na ta način delili z mater na dojenčke, je dejal Jabbar. Raziskovalci ne vedo zagotovo, ali vodoravni prenosi neposredno koristijo otroku, vendar lahko s sestavljanjem bolj zmogljivega črevesnega mikrobioma pomagajo pri razvoju otrokovega imunskega sistema.

Nekatera od teh genetskih zaporedij so se pojavila v novih bakterijah mesece po rojstvu, kar nakazuje, da so se prenosi v tem času nadaljevali. Ni jasno, ali so se prenosi dogajali tudi pred rojstvom, vendar so raziskovalci ugotovili, da se je materin mikrobiom razvil med nosečnostjo. Zdelo se je, da bodo nekatere spremembe verjetno vplivale na sposobnost telesa, da prenaša glukozo. Te ugotovitve kažejo, da je sladkorna bolezen, ki jo nekateri ljudje razvijejo med nosečnostjo, lahko povezana z mikrobiomom.

Ko so raziskovalci zbrali vzorce blata dojenčkov, so vzeli tudi vzorce njihovih imunskih celic. Zdaj nameravajo uporabiti te vzorce, da bi preučili, kako bakterije, ki jih prenašajo dojenčki, vključno s tistimi bakterijami, ki vsebujejo te mobilne elemente, komunicirajo z imunskimi celicami. Vpogled v te poskuse bi lahko vodil do boljšega razumevanja, kako in zakaj nekateri ljudje razvijejo alergije ali avtoimunske bolezni.

Obstoj takšnih mobilnih elementov je znan, odkar jih je pionirska genetičarka Barbara McClintock odkrila v štiridesetih letih 1940. stoletja, za kar je prejela Nobelovo nagrado. "Toda do nedavnega ga še nikoli niso tako globoko opisali," je dejal Carr. "Zdaj, ko dobivamo več vpogledov, se zavedamo, da imajo mobilni genetski elementi dejansko večji vpliv, kot smo prej spoznali."

Izkazalo se je, da se pri nas ta vpliv začne zelo zgodaj v življenju.