Материнские кишечные бактерии поделились генами с микробиомом детей

Американские биологи обнаружили, что кишечные бактерии матери и ребенка могут обмениваться генами. Причем для этого материнским микробам даже не нужно попадать в детский организм — кишечным бактериям младенца передаются отдельные участки их ДНК. Исследователи считают, что от такого обмена бывает польза: например, бактерии ребенка начинают лучше расщеплять углеводы грудного молока. Статья опубликована в журнале Cell.

Каждая бактерия из тех, что населяют организм человека, выделяет множество продуктов обмена — метаболитов. Они могут влиять, например, на иммунитет и работу нервной системы хозяина. Но это начинается только после родов. Пока плод находится в утробе матери, его пищеварительная система стерильна. Бактерии появляются в ней во время родов и при кормлении грудью, мигрируя из материнского организма. Однако это может быть не единственный способ, с помощью которого материнские бактерии влияют на младенца.

Среди бактерий очень распространен горизонтальный перенос генов — обмен кусочками ДНК (мобильными генетическими элементами). Этот обмен происходит при конъюгации — близком контакте через половые пили, трансдукции — через бактериофаги (вирусы бактерий), а некоторые фрагменты ДНК — транспозоны — могут перемещаться самостоятельно. Подробно о том, как происходит горизонтальный перенос генов, мы писали в тексте «Поверх барьеров».

Рамник Дж. Ксавье (Ramnik J. Xavier) и его команда из Массачусетского технологического института предположили, что материнские бактерии могут не только переселяться в организм ребенка, но и обмениваться с ним генами. Чтобы это проверить, исследователи собирали образцы кишечного микробиома у 70 пар мать-дитя в период от поздних сроков беременности до одного года после родов. Они сравнили наборы бактерий из кишечника матери и ребенка и выделили тех, что есть только у матери. А затем поискали их геномы в микробиоме детского кишечника.

Среди 22 пар мать-дитя нашлось 977 таких генов. И исследователи предположили, что они попали в микробиом младенцев через горизонтальный перенос. Донорами, судя по всему, выступили 11 видов материнских бактерий. Чаще всего (в 81 проценте случаев) это были материнские B. cellulosilyticus, B. uniformis или A. putredinis (они отдали 186, 289 и 313 мобильных элементов соответственно). При этом получатели генов принадлежали к другим видам, родам и даже более крупным группам бактерий.

Из 977 найденных мобильных генетических элементов для 373 исследователи определили функцию. Из них 80 (21 процент) составили гены, связанные с трансдукцией (n = 40, p = 0,03), транспозонами (n = 21, p = 0,0002) и конъюгацией (n = 17, p = 0,01). Этот факт подтверждает предположение о том, что перенос генов был действительно горизонтальным. А заодно указывает на то, что этот перенос мог произойти сразу несколькими путями.

Кроме того, ученые обнаружили сегмент ДНК длиной 71930 пар оснований, который достоверно (98,5 процента нуклеотидов совпали) принадлежал профагу, то есть геному бактериофага в хромосоме бактерии. Одна и та же последовательность профага нашлась у материнской B. uniformis и B. thetaiotaomicron младенца в возрасте 3 и 6 месяцев. Кроме того, исследователи заметили еще 30 сегментов, которые также могут принадлежать профагам (9 у матерей, 21 у младенцев), — а значит, здесь наверняка сработал механизм горизонтального переноса генов через бактериофаги.

Оставшиеся гены — из тех, что были общими у разных бактерий матери и ребенка, — отвечали за углеводный обмен (15 процентов), метаболизм и транспорт аминокислот (4 процента), а также приобретение и хранение железа (4 процента). Поэтому авторы работы предположили, что перенос генов может влиять на метаболизм бактерий-реципиентов.

Исследователи измерили концентрацию разных метаболитов, которые выделяли кишечные бактерии детей. И заметили ассоциацию: чем больше у матери Bacteroides cellulosilyticus, тем больше бактерии ребенка выделяют гликозидгидролаз — ферментов, которые переваривают сахара из грудного молока. При этом сами бактерии отряда Bacteroidales редко передавались от матери к ребенку. Поэтому ученые заключили, что горизонтальный перенос генов помогает материнским микробам «научить» ребенка усваивать грудное молоко.

Таким образом, авторы работы не только привели примеры генетических элементов, которые могут передаваться между микробиомами матери и ребенка, но и предположили, какие последствия могут быть у этого горизонтального переноса. Но в действительности, замечают они, случаев передачи генов может быть больше — поскольку в этой работе, чтобы быть уверенными в результатах, они учитывали только 100-процентные совпадения генетических последовательностей между бактериями детей и матерей.

Раньше мы рассказывали о том, как микробиологи связали определенный состав кишечного сообщества с депрессией. В другой работе у людей с депрессией, шизофренией и биполярным расстройством обнаружили похожий набор бактерий. А о том, как ученые пытаются увязать микробов и расстройство аутистического спектра, читайте в тексте «Кто первый начал».