来自母亲的移动基因塑造婴儿的微生物组

一位母亲把她的一切都给了她的孩子：爱、拥抱、亲吻……还有一支强大的细菌大军。

这些简单的细胞在出生时以及随后几个月的亲密接触中从母亲传给婴儿，形成了儿童微生物组的第一颗种子——与身体健康功能相关的不断进化的共生微生物群落。 麻省理工学院 Broad 研究所和哈佛大学的研究人员最近对母亲及其婴儿的微生物组在生命的第一年如何共同进化进行了首次大规模调查。 他们的新研究， 出版于 手机 XNUMX 月发现这些母体贡献并不局限于完整细胞。 称为移动遗传元素的小 DNA 片段从母亲的细菌跳到婴儿的细菌，甚至在出生后几个月。

这种在婴儿微生物组培养中从未见过的转移方式，可能在促进生长发育方面发挥关键作用。 了解儿童的微生物组是如何进化的可以解释为什么有些儿童比其他儿童更容易患某些疾病，说 维多利亚·卡尔，威康桑格研究所的首席生物信息学家，他没有参与这项研究。

“这是一个大问题：我们如何获得微生物？” 说 尼古拉·塞加塔，意大利特伦托大学的一位教授，他也没有参与这项研究。

我们的身体是和人类细胞一样多的细菌细胞的家园，其中大部分生活在我们的肠道内。 我们每个人都拥有一生中获得的大量不同的细菌物种和菌株库。 但婴儿一开始几乎是不育的。 人们认为，当婴儿离开子宫时，第一次主要的微生物注入来自母亲。 这种细菌礼物为体内蓬勃发展的微生物群落创造了脚手架，为我们的余生提供支持。 （通过剖宫产出生的婴儿不会像顺产婴儿那样得到相同的初始微生物注入，但他们会在以后慢慢收集它们。）

Segata 解释说，微生物组的作用之一是在生命的最初几年调节宿主的免疫系统和新陈代谢。 这些最初的训练日“可能会产生目前仍难以理解的长期影响，”他说。

这是因为微生物组产生的代谢物或新陈代谢的化学产物被认为会影响婴儿的认知和免疫系统发育，特别是在出生前后 1,000 天的敏感期， 卡罗琳娜·贾巴尔，哥德堡大学的内科医生和研究员，他是这篇新论文的共同主要作者。

在这项新研究中，由 拉姆尼克泽维尔作为 Broad 研究所 Klarman 细胞天文台的主任，研究人员收集了 70 对母亲及其婴儿的粪便样本，从怀孕早期开始，一直持续到婴儿出生后的第一年。 然后，研究人员调查了样本中存在的微生物和化合物的混合物，并进行了遗传分析以确定存在哪些微生物种类和菌株。 有了这些数据，他们就可以了解母亲和婴儿的微生物组在此期间是如何共同进化的。

正如他们所预料的那样，婴儿的微生物群与其母亲不同，而且饮食对其微生物群的影响是显而易见的。 婴儿有数百种代谢物，而他们的母亲则没有。

令该团队大吃一惊的是，即使婴儿缺乏母亲体内存在的有用细菌菌株，婴儿的微生物组仍然含有属于这些菌株的基因片段。

“物种如何影响婴儿的微生物组成而不是它的一部分？” 贾巴尔说。 她和她的实验室伙伴开始怀疑这是否可以通过水平基因转移来解释，这是一种古怪的过程，其中一个物种的基因跳到另一个物种而不是传递给后代。 水平基因转移在细菌群落中很常见——例如，它们极大地促进了抗生素抗性基因在各种病原体中的传播——而且它们也被发现发生 在多细胞生物中.

尽管如此，研究人员仍未准备好看到数百个基因在细菌群落之间跳跃——从母亲的微生物组到婴儿的。 “这是你一开始不相信自己的事情之一，”说 托米·瓦塔宁，他是赫尔辛基大学的研究员，也是该论文的共同主要作者。

研究人员推测，当在母亲肠道中茁壮成长的细菌无法在婴儿肠道的陌生环境中生存时，水平基因转移可能最为明显。 母体细菌可能通过母乳或婴儿吞咽释放的孢子进入婴儿体内。 有些细菌不可避免地无法在孩子体内定植而消失。 但它们可能会持续足够长的时间，让某些基因序列跳入更成功的细菌中。 如果这些基因序列在婴儿肠道内的细菌基因组中扎根，它们就可以带来它们编码的功能。

“事实上，即使供体细胞的短暂存在也会对那些持久存在的细胞产生如此大的影响，这真是令人着迷，”卡尔说。

在某些情况下，这些啤酒花可能是由噬菌体——在细菌中复制的休眠病毒——实现的。 在婴儿肠道的压力环境中，噬菌体可能会变得活跃并开始在细菌之间移动，并携带嵌入的细菌基因。

在对婴儿粪便样本的分析中，Vatanen、Jabbar 和他们的同事发现了一个明显的例子：整合到一种细菌 DNA 中的原噬菌体在几个月后出现在另一种细菌中。

“这是非常有说服力的证据，表明这种特殊的噬菌体在两个不同的物种之间跳跃，”Vatanen 说。 研究人员还发现，基因以其他方式在细菌物种之间跳跃，例如通过直接的细胞间接触或通过细菌细胞吞噬释放到环境中的 DNA。

一大群跳跃的基因编码了使水平基因转移成为可能的细胞机制。 其他移动序列有助于碳水化合物和氨基酸的代谢，因此可能对细菌大有裨益。 例如，结果表明，与母乳中碳水化合物消化相关的基因可能以这种方式从母亲传给婴儿，Jabbar 说。 研究人员不确定水平转移是否直接有益于婴儿，但通过组装功能更强大的肠道微生物组，他们可能有助于婴儿免疫系统的发育。

其中一些基因序列在出生数月后出现在新细菌中，这表明转移在此期间继续发生。 目前尚不清楚转移是否也在出生前发生，但研究人员确实发现母亲的微生物组在怀孕期间发生了进化。 一些变化似乎可能会影响身体耐受葡萄糖的能力。 这些发现表明，一些人在怀孕期间患上糖尿病可能与微生物组有关。

当研究人员从婴儿身上收集粪便样本时，他们还采集了他们的免疫细胞样本。 现在他们正计划使用这些样本来检查婴儿携带的细菌，包括那些含有这些移动元素的细菌，如何与免疫细胞相互作用。 这些实验的见解可能会导致更好地了解一些人如何以及为什么会患上过敏或自身免疫性疾病。

自从先驱遗传学家芭芭拉·麦克林托克 (Barbara McClintock) 在 1940 年代发现它们以来，这种可移动元素的存在就为人所知，她因此获得了诺贝尔奖。 “但直到最近，它才真正被如此深入地描述，”卡尔说。 “现在我们获得了更多的见解，我们意识到实际上，移动遗传元素的影响比我们之前意识到的要大。”

事实证明，对我们来说，这种影响很早就开始了。