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

麻省理工學院和哈佛大學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移的研究。”“我們的研究還首次整合了母親和嬰兒的腸道微生物組和代謝組資料，并發現了腸道代謝物、細菌和母乳底物之間的聯系。這項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展的獨特視角。”

腸道細菌通過產生微生物代謝物來促進免疫系統的成熟。嬰兒腸道微生物群的發育遵循可預測的模式，從出生時母親的微生物傳播開始。除了免疫系統成熟，微生物代謝產物也影響早期認知發展。圍產期是認知和免疫系統發育的關鍵窗口期，由母嬰腸道菌群及其代謝產物促進。然而，圍產期微生物群和代謝組的共同發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數據，跟蹤了從懷孕晚期到一歲的微生物群和代謝組的共同發展。他們發現了大規模的物種間移動遺傳元素的母嬰轉移，通常涉及與飲食相關的適應相關的基因。嬰兒腸道代謝組的多樣性低于母親的代謝組，但具有數百種獨特的代謝物和微生物-代謝物關聯，在母親中沒有檢測到。接受常規但非廣泛水解配方奶粉的嬰兒的代謝組和血清細胞因子特征與純母乳喂養的嬰兒不同。

“嬰兒腸道含有數千種獨特的代謝物，其中許多可能是由腸道細菌從母乳基質中修改的，”該研究的共同第一作者托米·瓦塔寧(Tommi Vatanen)說，他與麻省理工學院布羅德研究所和哈佛大學的卡洛琳娜·賈巴爾(Karolina Jabbar)共同參與了這項研究。“這些代謝物中的許多可能會影響免疫系統和認知發展。”

懷孕與類固醇化合物的增加有關，包括性激素衍生物和膽汁酸生物合成的中間產物，其中一些與糖耐量受損獨立相關。盡管嬰兒腸道代謝組的多樣性低于母親的代謝組，但研究人員發現了超過2500個嬰兒特有的代謝組特征。此外，他們還發現了許多嬰兒特有的細菌種類和糞便代謝物，包括神經遞質和免疫調節劑。

“我們驚訝地發現，在嬰兒中很少觀察到的母體腸道細菌對嬰兒腸道微生物組結構有貢獻，”Xavier說，“我們還發現了證據，證明前噬菌體——休眠的噬菌體，或駐留在細菌基因組上的病毒——有助于母體和嬰兒微生物組之間的移動遺傳元素交換。”

作者說，除了經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移來塑造嬰兒腸道微生物組。此外，嬰兒腸道中獨特的代謝組學特征和微生物-代謝物相互作用的鑒定為進一步研究微生物對嬰兒發育的貢獻提供了平臺。

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，他們計劃進一步探索細菌和代謝物之間的聯系，并利用體外分離的細菌研究菌株特異性細菌代謝輸出。

“總的來說，我們的綜合分析擴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婦和嬰兒微生物組和代謝組的發展提供了新的見解，”Xavier說。

這項工作由美國國立衛生研究院、青少年糖尿病研究基金會、微生物信息學和治療中心以及瓦倫堡基金會資助。Xavier是Jnana Therapeutics和Celsius Therapeutics的聯合創始人，MoonLake Immunotherapeutics的董事，Nestlé的顧問;這些組織在這項研究中沒有發揮作用。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