Мобільні гени від матері формують мікробіом дитини

Мама дає своїй дитині все: любов, обійми, поцілунки… і міцну армію бактерій.

Ці прості клітини, які подорожують від матері до дитини під час народження та протягом наступних місяців інтимного контакту, утворюють перші зерна мікробіому дитини — розвивається спільноти симбіотичних мікроорганізмів, пов’язаних із здоровим функціонуванням організму. Дослідники з Інституту Броуда Массачусетського технологічного інституту та Гарвардського університету нещодавно провели перше масштабне дослідження того, як мікробіоми матері та її немовляти розвиваються разом протягом першого року життя. Їх нове дослідження, опублікований в Росії Осередок у грудні виявили, що ці внески матері не обмежуються повними клітинами. Маленькі фрагменти ДНК, які називаються мобільними генетичними елементами, переходять від бактерій матері до бактерій дитини навіть через кілька місяців після народження.

Цей спосіб передачі, який ніколи раніше не зустрічався при культивуванні мікробіома немовляти, може зіграти вирішальну роль у сприянні росту та розвитку. Розуміння того, як розвивається мікробіом дитини, може пояснити, чому деякі діти схильні до певних захворювань більше, ніж інші, сказав Вікторія Карр, головний біоінформатик Інституту Велкома Сенгера, який не брав участь у дослідженні.

«Це велике питання: як ми отримуємо мікроби?» сказав Нікола Сегата, професор Університету Тренто в Італії, який також не брав участь у дослідженні.

Наше тіло є домом для приблизно стільки ж бактеріальних клітин, скільки людських клітин, і більшість із них живуть у нашому кишечнику. Кожен з нас містить величезну кількість різноманітних видів і штамів бактерій, отриманих протягом життя. Але діти починають бути майже безплідними. Вважається, що перше велике вливання мікробів надходить від матері під час народження, коли дитина виходить з утроби матері. Цей бактеріальний дар створює основу для процвітаючої мікробної спільноти в організмі, яка підтримує нас протягом усього життя. (Немовлята, народжені за допомогою кесаревого розтину, не отримують такого самого початкового вливання мікробів, як немовлята, які отримують під час вагінальних пологів, але вони повільно збирають їх пізніше.)

Один із ефектів мікробіому, пояснив Сегата, полягає в тому, щоб підвищити стан імунної системи та метаболізму господаря протягом перших двох років життя. Ці початкові навчальні дні «можуть мати довгострокові наслідки, які зараз все ще важко усвідомити», сказав він.

Це пояснюється тим, що метаболіти або хімічні продукти метаболізму, які виробляє мікробіом, вважають, що впливають на когнітивний розвиток та розвиток імунної системи дитини, особливо під час чутливого періоду протягом 1,000 днів до і після народження, сказав Кароліна Джаббар, терапевт і дослідник з Університету Гетеборга, який є співавтором нової статті.

У новому дослідженні під керівництвом Рамник Ксаверій, директора Клітинної обсерваторії Клармана в Інституті Броуда, дослідники зібрали зразки калу у 70 пар матерів та їхніх дітей, починаючи з ранніх термінів вагітності та продовжуючи протягом першого року життя дитини. Потім дослідники дослідили суміш мікробів і сполук, присутніх у зразках, і провели генетичний аналіз, щоб визначити, які види і які штами мікробів присутні. За допомогою цих даних вони могли побачити, як мікробіоми матерів і немовлят еволюціонували разом протягом цього часу.

Як вони і очікували, мікробіоми немовлят відрізнялися від мікробіомів їхніх матерів, і вплив дієти на їхні мікробіоми був очевидним. У немовлят були сотні метаболітів, яких не було у їхніх матерів.

Великим сюрпризом для команди стало те, що навіть якщо у дитини відсутні корисні штами бактерій, присутні в матері, мікробіом дитини все ще містить фрагменти генів, що належать до цих штамів.

«Як цей вид міг впливати на мікробний склад немовлят, навіть не будучи його частиною?» – сказав Джаббар. Вона та її колеги по лабораторії почали задаватися питанням, чи можна пояснити це горизонтальним переносом генів, химерним процесом, у якому гени від одного виду перескакують до іншого виду замість того, щоб передаватись нащадкам. Горизонтальний перенос генів є поширеним явищем у спільнотах бактерій — наприклад, вони сприяють поширенню генів, стійких до антибіотиків, у різноманітних патогенних мікроорганізмів — і також виявлено, що вони трапляються в багатоклітинних організмах.

Тим не менш, дослідники не були готові бачити сотні генів, що стрибають між бактеріальними спільнотами — від мікробіома матері до мікробіома дитини. «Це одна з тих речей, у які ви спочатку самі не вірите», — сказав Томмі Ватанен, який є науковим співробітником Гельсінського університету та співавтором статті.

Дослідники припускають, що горизонтальні передачі генів можуть бути найбільш очевидними, коли бактерії, які процвітають у кишечнику матері, не можуть вижити в незнайомому середовищі кишечника немовляти. Бактерії матері можуть потрапити в організм немовляти через грудне молоко або у вигляді вивільнених спор, які немовля проковтує. Деякі бактерії неминуче не зможуть заселитися в організмі дитини і зникнуть. Але вони можуть існувати достатньо довго, щоб певні послідовності генів перейшли до більш успішних бактерій. Якщо ці генетичні послідовності вкорінюються в геномах бактерій у кишечнику дитини, вони можуть передавати функції, які вони кодують.

«Той факт, що навіть короткочасне існування донорської клітини може мати такий вплив на стійкі клітини, справді захоплює», — сказав Карр.

У деяких випадках цей хміль міг стати можливим завдяки профагам — сплячим вірусам, які розмножуються в бактеріях. У стресовому середовищі кишечника дитини профаги можуть стати активними і почати пересуватися між бактеріями, несучи з собою вбудовані бактеріальні гени.

У своєму аналізі зразків стільця немовлят Ватанен, Джаббар та їхні колеги виявили очевидний приклад: профаг, який був інтегрований у ДНК одного виду бактерій, з’явився в іншій бактерії через кілька місяців.

«Це досить переконливий доказ того, що цей конкретний фаг перестрибував між двома різними видами», — сказав Ватанен. Дослідники також виявили, що гени переміщуються між бактеріальними видами іншими способами, наприклад через прямий контакт клітини з клітиною або через поглинання бактеріальною клітиною ДНК, що виділяється в навколишнє середовище.

Одна велика група генів, які стрибнули, закодувала клітинний механізм, який робить можливим горизонтальне перенесення генів. Інші мобільні послідовності сприяли метаболізму вуглеводів і амінокислот і, отже, могли принести велику користь бактеріям. Наприклад, результати свідчать про те, що гени, пов’язані з перетравленням вуглеводів, які містяться в грудному молоці, можуть таким чином передаватися від матері до немовляти, сказав Джаббар. Дослідники не знають напевно, чи горизонтальні пересадки приносять безпосередню користь дитині, але, створивши більш дієвий мікробіом кишечника, вони можуть допомогти у розвитку імунної системи дитини.

Деякі з цих генетичних послідовностей виявилися в нових бактеріях через кілька місяців після народження, що свідчить про те, що перенесення продовжували відбуватися протягом цього часу. Незрозуміло, чи відбувалися перенесення ще до народження, але дослідники виявили, що мікробіом матері розвивався під час вагітності. Здавалося, що деякі зміни вплинули на здатність організму переносити глюкозу. Ці результати показують, що діабет, який у деяких людей розвивається під час вагітності, може бути пов’язаний з мікробіомом.

Коли дослідники зібрали зразки калу у немовлят, вони також взяли зразки їхніх імунних клітин. Тепер вони планують використати ці зразки, щоб дослідити, як бактерії, які переносять немовлята, включаючи бактерії, які містять ці рухливі елементи, взаємодіють з імунними клітинами. Результати цих експериментів можуть допомогти краще зрозуміти, як і чому у деяких людей розвивається алергія або аутоімунні захворювання.

Про існування таких мобільних елементів відомо з тих пір, як генетик-новатор Барбара Мак-Клінток відкрила їх у 1940-х роках, за що вона отримала Нобелівську премію. «Але донедавна це ніколи не було так глибоко охарактеризовано», — сказав Карр. «Тепер, коли ми отримуємо більше інформації, ми розуміємо, що насправді мобільні генетичні елементи мають більший вплив, ніж ми уявляли раніше».

У нас, як виявляється, цей вплив починається дуже рано в житті.