研究人員發(fā)現(xiàn)了一種母嬰垂直微生物群傳播的新模式，在圍產(chǎn)期，從出生前開始，一直延續(xù)到出生后的前幾周，母體腸道中的微生物與嬰兒腸道中的微生物共享基因。這種水平基因轉(zhuǎn)移使母體微生物菌株能夠在微生物菌株本身沒有持續(xù)傳播的情況下影響嬰兒微生物組的功能能力。這種大規(guī)模的綜合分析發(fā)表在12月22日的《細(xì)胞》雜志上，提供了一系列高分辨率的腸道定植動態(tài)快照，這些動態(tài)影響嬰兒出生前和出生后的發(fā)育。

麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)布羅德研究所的資深研究作者Ramnik Xavier說:“這是第一個描述母親和嬰兒微生物群之間移動遺傳元素轉(zhuǎn)移的研究?！薄拔覀兊难芯窟€首次整合了母親和嬰兒的腸道微生物組和代謝組資料，并發(fā)現(xiàn)了腸道代謝物、細(xì)菌和母乳底物之間的聯(lián)系。這項(xiàng)研究代表了在已知母親和飲食因素影響下嬰兒腸道微生物群和代謝組的共同發(fā)展的獨(dú)特視角?！?/p>

腸道細(xì)菌通過產(chǎn)生微生物代謝物來促進(jìn)免疫系統(tǒng)的成熟。嬰兒腸道微生物群的發(fā)育遵循可預(yù)測的模式，從出生時母親的微生物傳播開始。除了免疫系統(tǒng)成熟，微生物代謝產(chǎn)物也影響早期認(rèn)知發(fā)展。圍產(chǎn)期是認(rèn)知和免疫系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵窗口期，由母嬰腸道菌群及其代謝產(chǎn)物促進(jìn)。然而，圍產(chǎn)期微生物群和代謝組的共同發(fā)育以及這一過程的決定因素尚不清楚。

為了解決這一知識鴻溝，Xavier和他的同事們使用來自70對母嬰的縱向多組學(xué)數(shù)據(jù)，跟蹤了從懷孕晚期到一歲的微生物群和代謝組的共同發(fā)展。他們發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模的物種間移動遺傳元素的母嬰轉(zhuǎn)移，通常涉及與飲食相關(guān)的適應(yīng)相關(guān)的基因。嬰兒腸道代謝組的多樣性低于母親的代謝組，但具有數(shù)百種獨(dú)特的代謝物和微生物-代謝物關(guān)聯(lián)，在母親中沒有檢測到。接受常規(guī)但非廣泛水解配方奶粉的嬰兒的代謝組和血清細(xì)胞因子特征與純母乳喂養(yǎng)的嬰兒不同。

“嬰兒腸道含有數(shù)千種獨(dú)特的代謝物，其中許多可能是由腸道細(xì)菌從母乳基質(zhì)中修改的，”該研究的共同第一作者托米·瓦塔寧(Tommi Vatanen)說，他與麻省理工學(xué)院布羅德研究所和哈佛大學(xué)的卡洛琳娜·賈巴爾(Karolina Jabbar)共同參與了這項(xiàng)研究?！斑@些代謝物中的許多可能會影響免疫系統(tǒng)和認(rèn)知發(fā)展?！?/p>

懷孕與類固醇化合物的增加有關(guān)，包括性激素衍生物和膽汁酸生物合成的中間產(chǎn)物，其中一些與糖耐量受損獨(dú)立相關(guān)。盡管嬰兒腸道代謝組的多樣性低于母親的代謝組，但研究人員發(fā)現(xiàn)了超過2500個嬰兒特有的代謝組特征。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了許多嬰兒特有的細(xì)菌種類和糞便代謝物，包括神經(jīng)遞質(zhì)和免疫調(diào)節(jié)劑。

“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，在嬰兒中很少觀察到的母體腸道細(xì)菌對嬰兒腸道微生物組結(jié)構(gòu)有貢獻(xiàn)，”Xavier說，“我們還發(fā)現(xiàn)了證據(jù)，證明前噬菌體——休眠的噬菌體，或駐留在細(xì)菌基因組上的病毒——有助于母體和嬰兒微生物組之間的移動遺傳元素交換?！?/p>

作者說，除了經(jīng)典的菌株和物種的垂直傳播外，母體微生物組可能通過水平基因轉(zhuǎn)移來塑造嬰兒腸道微生物組。此外，嬰兒腸道中獨(dú)特的代謝組學(xué)特征和微生物-代謝物相互作用的鑒定為進(jìn)一步研究微生物對嬰兒發(fā)育的貢獻(xiàn)提供了平臺。

研究的一個局限性是，研究人員沒有考慮懷孕和產(chǎn)后期間飲食和生活方式的變化，這可能會影響微生物組和代謝組的變化。在未來的研究中，他們計(jì)劃進(jìn)一步探索細(xì)菌和代謝物之間的聯(lián)系，并利用體外分離的細(xì)菌研究菌株特異性細(xì)菌代謝輸出。

“總的來說，我們的綜合分析擴(kuò)展了腸道微生物組垂直傳播的概念，并為懷孕晚期和生命早期孕產(chǎn)婦和嬰兒微生物組和代謝組的發(fā)展提供了新的見解，”Xavier說。

這項(xiàng)工作由美國國立衛(wèi)生研究院、青少年糖尿病研究基金會、微生物信息學(xué)和治療中心以及瓦倫堡基金會資助。Xavier是Jnana Therapeutics和Celsius Therapeutics的聯(lián)合創(chuàng)始人，MoonLake Immunotherapeutics的董事，Nestlé的顧問;這些組織在這項(xiàng)研究中沒有發(fā)揮作用。所有其他作者聲明沒有競爭利益。

Journal Reference:

1. Tommi Vatanen, Karolina S. Jabbar, Terhi Ruohtula, Jarno Honkanen, Julian Avila-Pacheco, Heli Siljander, Martin Stražar, Sami Oikarinen, Heikki Hyöty, Jorma Ilonen, Caroline M. Mitchell, Moran Yassour, Suvi M. Virtanen, Clary B. Clish, Damian R. Plichta, Hera Vlamakis, Mikael Knip, Ramnik J. Xavier. Mobile genetic elements from the maternal microbiome shape infant gut microbial assembly and metabolism. Cell, 2022; 185 (26): 4921 DOI: 10.1016/j.cell.2022.11.023