母体肠道菌群通过水平转移遗传元件调控婴儿肠道菌群

撰文 | 雪月

围产期是婴儿认知和免疫系统发育的关键窗口，由母婴肠道微生物及其代谢物促进发展。婴儿肠道菌群的形成从出生时的垂直传播开始，并且遵循可以预测的模式，同时也会受到独特的生理、饮食和环境因素的影响。母乳喂养为利用母乳中复合糖（人乳低聚糖）的菌株定植提供了优势，如双歧杆菌和拟杆菌。北美和西欧的婴儿双歧杆菌丰度较低，与过敏和自身免疫性疾病高发相吻合。有研究发现双歧杆菌通过吲哚抑制婴儿肠道Th2和Th17。婴儿配方奶粉使婴儿早期接触外源性蛋白也与自免性疾病和过敏有关。除了与免疫成熟相关外，肠道菌群还通过代谢物促进认知发展。但是围产期肠道菌群以及代谢物发展过程的决定因素尚不清楚。

2022年12月22日，来自Broad研究所的Ramnik J. Xavier团队在Cell上发表题为Mobile genetic elements from the maternal microbiome shape infant gut microbial assembly and metabolism的文章。本文通过深入分析70对母婴肠道菌群的发展，发现了母婴之间通过水平基因转移方法来转移遗传基因元件到婴儿肠道菌群这一垂直菌群传播模式。

作者首先收集了包含有74个婴儿和137个母体，其中70对为母婴关系组成的队列样本，并分析了妊娠晚期和婴儿不同阶段的肠道微生物组和代谢组。对比也发现怀孕期间母体肠道菌群和代谢组发生变化并影响母体和婴儿的代谢健康。作者对比妊娠27周和产后3个月的母体粪便样本，相较于产后，多种细菌的丰度在怀孕期间增加，包括唾液链球菌和副血链球菌，这两个细菌也是婴儿肠道菌群的重要组成部分，可以在75%和64%的婴儿中检测到。通过不断的对婴儿肠道菌群采样，作者探究了菌群传播是否发生在婴儿后期。通过StrainPhlAn作者分析了每个物种的优势菌株的SNP单倍型，来确定母体和婴儿之间相同的菌株。分析发现在前三个月传播到婴儿的肠道菌群包括Eubacterium Roseburia 和Blautia。作者又检测了母体肠道菌群的相对丰度是否会对婴儿肠道菌群的结构产生影响。作者发现一些物种在母体中的丰度与婴儿出生后前三个月的肠道菌群结构相关。

基于以上结果，作者假设母体肠道菌群通过水平基因转移（horizontal gene transfer HGT）方法来贡献移动遗传基因元件到婴儿肠道菌群从而影响婴儿肠道菌群组成和功能。作者通过母体宏基因组和MetaPhlAn检测对婴儿肠道菌群进行精准匹配。通过分析揭示了22名母婴共享977个独特基因，跨越11个母体细菌物种。977个传输的基因与碳水化合物利用、氨基酸代谢以及铁获取和储存功能相关。但是移动基因转移的时间和位置还未知。

进一步分析发现参与膳食底物代谢的母体肠道菌群基因的水平转移会影响婴儿肠道菌群生态。作者检测了婴儿肠道菌群和代谢物，发现尽管婴儿肠道代谢物的多样性低于母体，还是能够检测到了超2500个婴儿特有的代谢物。独特的肠道代谢环境与肠道菌群协调发展，协同饮食调节影响婴儿免疫系统成熟。作者收集发现27名婴儿喂普通配方奶粉，23名为水解配方奶粉。水解配方奶与Ruminococcus gnavus扩增有关，而常规配方奶与粪肠球菌、辐射放线菌和嗜热链球菌富集有关，婴儿血清促炎细胞因子（IL-12、IL-6、IL-9、IL-13）水平升高。常规配方奶也与代谢组变化相关，与调节各种免疫细胞反应相关。如代谢物溶血磷脂酰胆碱的消耗与促炎因子呈负相关。

本研究通过深入分析母婴肠道菌群的发展，作者发现了母婴之间通过水平基因转移方法来转移基因元件到婴儿肠道菌群这一垂直菌群传播模式。但是水平基因转移在婴儿肠道菌群结构中更为全面的规模和功能分析还有待进行拓展。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.023

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