Сборка микробиома кишечника происходит по предсказуемым схемам, начиная с вертикальной передачи при рождении.
Тем не менее, микробиом младенца и матери формируется под влиянием различных физиологических, диетических и экологических факторов. Грудное вскармливание дает конкурентное преимущество штаммам, которые используют сложные сахара в грудном молоке (олигосахариды человеческого молока - ОЧМ), таким как Bifidobacterium и Bacteroides. Новорожденные в Северной Америке и Западной Европе имеют сравнительно низкую численность бифидобактерий, что коррелирует с высокой частотой аллергических и аутоиммунных заболеваний. Недавно было показано, что ранний колонизатор Bifidobacterium longum subspecies infantis сдерживает Th2 и Th17 реакции в кишечнике новорожденных посредством производства индол-3-молочной кислоты, что является важным примером трехсторонней связи между микробиомом кишечника, метаболитами и развивающейся иммунной системой.
Раннее воздействие экзогенных белков через молочные смеси также было связано с аутоиммунными и аллергическими заболеваниями, и для новорожденных, подверженных риску развития этих заболеваний, была предложена экстенсивно гидролизованная молочная смесь. Использование молочных смесей, содержащих интактные экзогенные белки, было связано с глобальным повышением уровня провоспалительных цитокинов в сыворотке крови по сравнению с исключительно грудным вскармливанием, что согласуется с данными, указывающими на то, что у детей, вскармливаемых молочными смесями, выше риск развития аутоиммунных заболеваний. В дополнение к иммунному созреванию, кишечные бактерии поддерживают когнитивное развитие отчасти через производство микробных метаболитов. В экспериментальных моделях метаболиты, производимые микробиомом материнского кишечника, включая гиппурат и имидазол пропионат, способствовали аксоногенезу у эмбрионов мышей. Тем не менее, совместное развитие микробиомов и метаболитов в перинатальный период и детерминанты этого процесса изучены недостаточно хорошо.
В данном исследовании, в когорте, состоящей из 70 пар мать-ребенок, мы профилировали фекальный микробиом и метаболом на поздних сроках беременности и на разных стадиях младенчества. Беременность была связана с увеличением содержания стероидных соединений, включая производные гонадальных гормонов и промежуточные продукты биосинтеза желчных кислот, некоторые из которых были независимо связаны с нарушением толерантности к глюкозе. Хотя метаболомы кишечника новорожденных были менее разнообразны, чем материнские, мы обнаружили более 2500 уникальных для младенцев метаболомных особенностей. Более того, мы выявили многочисленные специфические для новорожденных ассоциации видов бактерий и фекальных метаболитов, включая нейротрансмиттеры и иммунные модуляторы.
Мы использовали долгосрочную выборку для изучения вертикальной передачи видов, штаммов и отдельных генов. Поразительно, но мы обнаружили сотни случаев передачи генов от матери к младенцу при отсутствии материнских штаммов-носителей в кишечнике ребенка. Ключевые материнские виды-доноры в этих событиях принадлежали к порядку Bacteroidales. Хотя эти виды редко передавались новорожденным, их относительная численность в материнских образцах оказывала значительное влияние на микробную структуру и функциональный потенциал кишечника новорожденных, включая способность утилизировать ОЧМ.
Таким образом, помимо классической вертикальной передачи, материнский микробиом также формирует микробиом кишечника младенца посредством горизонтального переноса генов (ГПГ). Помимо функций, связанных с мобильными генетическими элементами, 977 переданных генов кодировали функции, связанные с утилизацией углеводов, метаболизмом аминокислот, получением и хранением железа. Таким образом, ГПГ от матери к ребенку влияет на метаболический потенциал микробиома кишечника младенца, что может иметь последствия для развития иммунной системы.
Наше исследование представляет собой уникальный взгляд на совместное развитие микробиомов и метаболомов кишечника новорожденных под влиянием известных материнских и диетических факторов, с потенциально глубокими последствиями для иммунного и нейроразвития. Открытие того, что межвидовой ГПГ между матерью и младенцем формирует метаболическую активность микроорганизмов младенца, расширяет наше понимание материнского влияния на микробиом кишечника ребенка. Более того, выявление отличительных метаболомных профилей и взаимодействий между микробами и метаболитами в кишечнике младенца представляет собой платформу для дальнейшего изучения вклада микроорганизмов в развитие. В совокупности эти наблюдения открывают новые перспективы для целенаправленного вмешательства, чтобы обеспечить оптимальные возможности для роста и развития в младенчестве.
