Mobila gener från modern formar barnets mikrobiom

En mamma ger sitt barn allt: kärlek, kramar, kyssar ... och en robust armé av bakterier.

Dessa enkla celler, som reser från mor till barn vid födseln och under månaderna av intim kontakt som följer, bildar de första fröna av barnets mikrobiom - det utvecklande samhället av symbiotiska mikroorganismer knutna till kroppens hälsosamma funktion. Forskare vid Broad Institute vid Massachusetts Institute of Technology och Harvard University genomförde nyligen den första storskaliga undersökningen av hur en mammas och hennes spädbarns mikrobiomer utvecklas tillsammans under det första levnadsåret. Deras nya studie, publicerad i Cell i december fann att dessa moderns bidrag inte är begränsade till kompletta celler. Små DNA-bitar som kallas mobila genetiska element hoppar från moderns bakterier till barnets bakterier, även månader efter födseln.

Detta sätt att överföra, som aldrig tidigare har setts vid odling av ett spädbarns mikrobiom, kan spela en avgörande roll för att främja tillväxt och utveckling. Att förstå hur ett barns mikrobiom utvecklas kan förklara varför vissa barn är mer predisponerade för vissa sjukdomar än andra. Victoria Carr, en huvudbioinformatiker vid Wellcome Sanger Institute som inte ingick i studien.

"Det är en stor fråga: Hur får vi våra mikrober?" sa Nicola Segata, en professor vid University of Trento i Italien som inte heller ingick i studien.

Våra kroppar är hem för ungefär lika många bakterieceller som mänskliga celler, och de flesta av dem lever inuti våra tarmar. Var och en av oss hyser massivt olika bibliotek av bakteriearter och stammar som förvärvats under hela livet. Men bebisar börjar nästan sterila. Den första stora infusionen av mikrober tros komma från modern under födseln när barnet lämnar livmodern. Den bakteriella gåvan skapar byggnadsställningarna för en blomstrande mikrobiell gemenskap i kroppen som försörjer oss för resten av våra liv. (Spädbarn som föds med kejsarsnitt får inte samma initiala infusion av mikrober som bebisar får från vaginal födsel, men de samlar dem långsamt senare.)

En av mikrobiomens effekter, förklarade Segata, är att konditionera dess värds immunsystem och metabolism under de första par åren av livet. Dessa inledande träningsdagar "kan få långvariga konsekvenser som just nu fortfarande är svåra att förstå", sa han.

Det beror på att metaboliterna, eller kemiska produkter av metabolism, som tillverkas av mikrobiomet tros påverka en babys kognitiva och immunsystems utveckling, särskilt under en känslig period under de 1,000 XNUMX dagarna före och efter födseln. Karolina Jabbar, en internist och forskare vid Göteborgs universitet som är medförfattare till den nya uppsatsen.

I den nya studien, ledd av Ramnik Xavier, chef för Klarman Cell Observatory vid Broad Institute, samlade forskarna avföringsprover från 70 par mödrar och deras bebisar, med början tidigt i graviditeten och fortsätter under barnets första år. Forskarna undersökte sedan blandningen av mikrober och föreningar som fanns i proverna och gjorde genetiska analyser för att bestämma vilka arter och vilka stammar av mikrober som fanns. Med dessa data kunde de se hur mödrarnas och bebisarnas mikrobiomer utvecklades tillsammans under den tiden.

Som de förväntade sig skilde sig spädbarnens mikrobiomer från deras mödrar, och kostens inverkan på deras mikrobiomer var tydlig. Spädbarnen hade hundratals metaboliter som deras mödrar inte hade.

Den stora överraskningen för teamet var att även när ett barn saknade användbara bakteriestammar som fanns hos mamman, hade barnets mikrobiom fortfarande bitar av gener som tillhörde dessa stammar.

"Hur kan arten påverka spädbarns mikrobiella sammansättning utan att ens vara en del av den?" sa Jabbar. Hon och hennes labbkamrater började undra om detta kunde förklaras av horisontell genöverföring, en egendomlig process där gener från en art hoppar till en annan art istället för att överföras till en avkomma. Horisontella genöverföringar är vanliga inom bakteriesamhällen - de bidrar i hög grad till spridningen av antibiotikaresistenta gener i en mängd olika patogener, till exempel - och de har också visat sig förekomma i flercelliga organismer.

Fortfarande var forskarna inte beredda att se hundratals gener hoppa mellan bakteriesamhällen - från moderns mikrobiom till barnets. "Det är en av de saker som du först inte tror själv," sa Tommi Vatanen, som är forskare vid Helsingfors universitet och medförfattare på uppsatsen.

Forskarna spekulerar i att horisontella genöverföringar kan vara mest uppenbara när bakterier som trivs i mammans tarm inte kan överleva i den okända miljön i barnets tarm. Moderns bakterier kan komma in i barnets kropp genom bröstmjölk eller som frigjorda sporer som barnet sväljer. Vissa bakterier kommer oundvikligen att misslyckas med att kolonisera barnets kropp och försvinna. Men de kan vara tillräckligt länge för att vissa gensekvenser ska hoppa in i mer framgångsrika bakterier. Om dessa genetiska sekvenser slår rot i genomet av bakterier i barnets tarm, kan de ta över de funktioner de kodar för.

"Det faktum att även en övergående existens av en donatorcell kan ha en sådan inverkan på dessa ihållande är verkligen fascinerande," sa Carr.

I vissa fall kan denna humle ha möjliggjorts av profeter - vilande virus som replikerar i bakterier. I den stressiga miljön i barnets tarm kan profeter bli aktiva och börja röra sig mellan bakterier och bära inbäddade bakteriegener med sig.

I sin analys av spädbarnsavföringsprover identifierade Vatanen, Jabbar och deras kollegor ett uppenbart exempel: En profet som integrerades i DNA från en bakterieart dök upp i en annan bakterie månader senare.

"Det är ganska övertygande bevis för att just den här fagen hade hoppat mellan två olika arter," sa Vatanen. Forskarna fann också att gener hoppade mellan bakteriearter på andra sätt, till exempel genom direkt cell-till-cell-kontakt eller genom en bakteriecell som uppslukar DNA som släpps ut i miljön.

En stor grupp gener som hoppade kodade för det cellulära maskineriet som gör horisontella genöverföringar möjliga. Andra mobila sekvenser hjälpte till med kolhydrat- och aminosyrametabolismen och kan därför ha gynnat bakterierna mycket. Till exempel tyder resultaten på att gener relaterade till matsmältningen av kolhydrater som finns i bröstmjölk kan delas från mödrar till spädbarn på detta sätt, sa Jabbar. Forskarna vet inte med säkerhet att de horisontella överföringarna gynnar barnet direkt, men genom att sätta ihop en mer kapabel tarmmikrobiom kan de hjälpa till med utvecklingen av barnets immunsystem.

Vissa av dessa genetiska sekvenser dök upp i nya bakterier månader efter födseln, vilket tyder på att överföringarna fortsatte att ske under den tiden. Det är inte klart om överföringar skedde före födseln också, men forskarna fann att moderns mikrobiom utvecklades under graviditeten. Vissa av förändringarna verkade sannolikt påverka kroppens förmåga att tolerera glukos. Dessa fynd tyder på att diabetes som vissa människor utvecklar under graviditeten kan kopplas till mikrobiomet.

När forskarna samlade in avföringsprover från spädbarnen tog de även prover på deras immunceller. Nu planerar de att använda dessa prover för att undersöka hur bakterierna som spädbarn bär på, inklusive de bakterier som innehåller dessa mobila element, interagerar med immunceller. Insikter från dessa experiment kan leda till en bättre förståelse för hur och varför vissa människor utvecklar allergier eller autoimmuna sjukdomar.

Förekomsten av sådana mobila element har varit känd sedan den banbrytande genetikern Barbara McClintock upptäckte dem på 1940-talet, en prestation som hon vann Nobelpriset för. "Men det har aldrig riktigt karaktäriserats så djupt förrän nyligen," sa Carr. "Nu när vi får fler insikter inser vi att faktiskt, mobila genetiska element har en större inverkan än vi tidigare insett."

Hos oss, visar det sig, att påverkan börjar väldigt tidigt i livet.