人类母体微生物组和婴儿肠道微生物组之间水平基因转移的证据

研究人员发现了一种母婴垂直微生物群传播的新模式，在围产期，从出生前开始，一直延续到出生后的前几周，母体肠道中的微生物与婴儿肠道中的微生物共享基因。这种水平基因转移使母体微生物菌株能够在微生物菌株本身没有持续传播的情况下影响婴儿微生物组的功能能力。这种大规模的综合分析发表在12月22日的《细胞》杂志上，提供了一系列高分辨率的肠道定植动态快照，这些动态影响婴儿出生前和出生后的发育。

麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的资深研究作者Ramnik Xavier说:“这是第一个描述母亲和婴儿微生物群之间移动遗传元素转移的研究。”“我们的研究还首次整合了母亲和婴儿的肠道微生物组和代谢组资料，并发现了肠道代谢物、细菌和母乳底物之间的联系。这项研究代表了在已知母亲和饮食因素影响下婴儿肠道微生物群和代谢组的共同发展的独特视角。”

肠道细菌通过产生微生物代谢物来促进免疫系统的成熟。婴儿肠道微生物群的发育遵循可预测的模式，从出生时母亲的微生物传播开始。除了免疫系统成熟，微生物代谢产物也影响早期认知发展。围产期是认知和免疫系统发育的关键窗口期，由母婴肠道菌群及其代谢产物促进。然而，围产期微生物群和代谢组的共同发育以及这一过程的决定因素尚不清楚。

为了解决这一知识鸿沟，Xavier和他的同事们使用来自70对母婴的纵向多组学数据，跟踪了从怀孕晚期到一岁的微生物群和代谢组的共同发展。他们发现了大规模的物种间移动遗传元素的母婴转移，通常涉及与饮食相关的适应相关的基因。婴儿肠道代谢组的多样性低于母亲的代谢组，但具有数百种独特的代谢物和微生物-代谢物关联，在母亲中没有检测到。接受常规但非广泛水解配方奶粉的婴儿的代谢组和血清细胞因子特征与纯母乳喂养的婴儿不同。

“婴儿肠道含有数千种独特的代谢物，其中许多可能是由肠道细菌从母乳基质中修改的，”该研究的共同第一作者托米·瓦塔宁(Tommi Vatanen)说，他与麻省理工学院布罗德研究所和哈佛大学的卡洛琳娜·贾巴尔(Karolina Jabbar)共同参与了这项研究。“这些代谢物中的许多可能会影响免疫系统和认知发展。”

怀孕与类固醇化合物的增加有关，包括性激素衍生物和胆汁酸生物合成的中间产物，其中一些与糖耐量受损独立相关。尽管婴儿肠道代谢组的多样性低于母亲的代谢组，但研究人员发现了超过2500个婴儿特有的代谢组特征。此外，他们还发现了许多婴儿特有的细菌种类和粪便代谢物，包括神经递质和免疫调节剂。

“我们惊讶地发现，在婴儿中很少观察到的母体肠道细菌对婴儿肠道微生物组结构有贡献，”Xavier说，“我们还发现了证据，证明前噬菌体——休眠的噬菌体，或驻留在细菌基因组上的病毒——有助于母体和婴儿微生物组之间的移动遗传元素交换。”

作者说，除了经典的菌株和物种的垂直传播外，母体微生物组可能通过水平基因转移来塑造婴儿肠道微生物组。此外，婴儿肠道中独特的代谢组学特征和微生物-代谢物相互作用的鉴定为进一步研究微生物对婴儿发育的贡献提供了平台。

研究的一个局限性是，研究人员没有考虑怀孕和产后期间饮食和生活方式的变化，这可能会影响微生物组和代谢组的变化。在未来的研究中，他们计划进一步探索细菌和代谢物之间的联系，并利用体外分离的细菌研究菌株特异性细菌代谢输出。

“总的来说，我们的综合分析扩展了肠道微生物组垂直传播的概念，并为怀孕晚期和生命早期孕产妇和婴儿微生物组和代谢组的发展提供了新的见解，”Xavier说。

这项工作由美国国立卫生研究院、青少年糖尿病研究基金会、微生物信息学和治疗中心以及瓦伦堡基金会资助。Xavier是Jnana Therapeutics和Celsius Therapeutics的联合创始人，MoonLake Immunotherapeutics的董事，Nestlé的顾问;这些组织在这项研究中没有发挥作用。所有其他作者声明没有竞争利益。

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