编译：微科盟如风

编辑：微科盟居居、江舜尧。

文章来源《微生态》公众号。

导读  

围产期是认知和免疫系统发育的关键窗口期，由母婴肠道微生物组及其代谢物促进。本研究使用来自70对母婴的纵向多组学数据追踪了从妊娠晚期到1岁期间微生物组和代谢组的共同发育。结果发现了可移动遗传元件的大规模母婴种间转移，通常涉及与饮食相关的适应相关基因。婴儿肠道代谢组的多样性低于母体，但具有数百种未在母亲体内检测到的独特代谢物和微生物-代谢物关联。接受常规(但未广泛水解)配方奶粉的婴儿的代谢组学和血清细胞因子特征与纯母乳喂养的婴儿不同。综上所述，本研究的综合分析扩展了肠道微生物组垂直传播的概念，并为妊娠晚期和生命早期母婴微生物组和代谢组的发展提供了初步见解。

图文摘要

论文ID

原名：Mobile genetic elements from the maternal microbiome shape infant gut microbial assembly and metabolism

译名：来自母体微生物组的可移动遗传元件塑造婴儿肠道微生物的组装和代谢

期刊：Cell

IF：66.85

发表时间：2022.12

通讯作者：Ramnik J. Xavier

通讯作者单位：美国麻省理工学院-哈佛大学博德研究所

DOI号：10.1016/j.cell.2022.11.023

实验设计

结果

1婴儿微生物组和代谢组不同于母体并受饮食影响

本研究分析了来自74名婴儿和137名母亲(包括70对母婴)的纵向粪便和婴儿血清样本，这些样本是EDIA(早期饮食干预和β细胞自身免疫后期迹象)队列的一部分，以调查宿主-微生物组在生命第一年的共同发育(图1A)。这些分析包括深度宏基因组测序；非靶向粪便代谢物分析(表S1)，以及测定婴儿循环细胞因子、肠道通透性和肠道炎症标志物(图S1A-S1C)。宏基因组和代谢组谱的排序图显示，婴儿和母亲样本之间存在明显的分离(图1和1C)。

所有婴儿均在妊娠36周至42周之间出生，其中8名婴儿(10.8%)通过剖宫产分娩。婴儿经历了从纯母乳喂养或部分母乳喂养到主要由固体食物组成的饮食的典型转变(图S1D；表S2)。先前的研究发现，分娩方式和饮食(母乳喂养与婴儿配方奶粉)是影响肠道微生物组组装的主要因素。在本研究的调查中，分娩方式、母乳喂养、婴儿配方奶粉的使用和类型，以及先前使用的抗生素至少在一个采样时间点显著影响婴儿微生物组或代谢组(PERMANOVA分析；图1D和1E)。在随后的婴儿宏基因组学和代谢组学分析中，这些因素被认为是混杂因素。

(A)宏基因组学和代谢组学数据的示意图。指出了每个时间点质量控制后的样本数量(n)。

(B)基于宏基因组数据中物种水平丰度的Bray-Curtis差异的肠道微生物组的t分布随机邻域嵌入(t-SNE)排序。

(C)基于使用参考标准注释的n=858种代谢物的对数标度和Z分数归一化丰度，对肠道代谢物谱进行t-SNE排序。

(D和E)根据横截面PERMANOVA分析，因素对(D)婴儿物种水平分类组成(Bray-Curtis差异)和(E)代谢组学特征(仅限于使用标准注释的特征)的影响。

综合评估各因素，同时根据每个因素初始PERMANOVA分析的单个log10-转换p值排序。“婴儿配方奶粉”包括三类：普通配方奶粉、水解配方奶粉和无配方奶粉。另请参见图S1和表S1和S2。

2怀孕期间微生物组和代谢组的变化可能会影响孕妇的代谢健康

该研究设计允许我们检查母亲及其婴儿的宏基因组和代谢组谱随时间的变化及其之间的关联。基于对妊娠第27周、分娩和产后3个月母亲粪便样本的宏基因组分析，我们观察到围产期期间多个物种相对丰度的动态模式(图2A)。早期的婴儿定植菌Streptococcus thermophilus和Lactobacillus acidophilus在分娩前后会短暂扩增，而具有潜在免疫调节特性的Anaerotruncus colihominis短暂地减少了。与产后相比，一些物种在怀孕期间富集，包括Streptococcus salivarius和Streptococcus parasanguinis。这两个物种也在婴儿肠道微生物组中普遍存在。在我们的调查中，分别在75%和64%的婴儿样本中检测到。 为了使我们研究中的代谢组学分析空间最大化，我们使用了两种方法：除了使用参考标准注释峰值外(共产生了858个代谢组学特征)，我们还将观察到的质荷比映射到人类代谢组数据库(HMDB；表S1)，确定了代表8,209种独特化合物的52,669种代谢组学特征。对31位母亲的配对粪便样本进行代谢组学分析，发现在分娩至产后3个月期间，53种标注的代谢物发生了变化(图2B)。我们进一步观察到类固醇和类固醇衍生物(例如性腺激素代谢物和初级胆汁酸生物合成中间体)在分娩时显著增加(图S2A和S2B)。有趣的是，这些化合物中有一半(n=28/56)与妊娠期葡萄糖耐量受损独立正相关。这些代谢物始终与较高的Methanobrevibacter smithii相对丰度相关，后者与改善能量收集、肥胖、糖耐量受损和糖尿病有关(图S2B-S2D)。

胆汁酸谱在围产期发生了重大变化(图2B、2C和S2A)。在怀孕期间，与甘氨酸结合和非结合胆汁酸相比，牛磺酸结合胆汁酸相对富集，并伴有牛磺酸呼吸菌Bilophila wadsworthia的扩张，这与结肠炎和葡萄糖代谢异常有关。(图2A-2D)。与其他硫酸盐还原菌一样，B. wadsworthia在呼吸过程中通过异化亚硫酸盐还原酶产生硫化氢(H2S)。基因水平分析显示，与配对的产后样本和来自未怀孕女性对照组的样本相比，这种酶在妊娠第27周和分娩时总体上有所增加，这表明怀孕期间微生物产生H2S的能力增加(图2E)。虽然我们无法解释怀孕和产后期间饮食和生活方式可能发生的变化，但我们的分析表明，与怀孕相关的微生物组和代谢组改变可能会影响母体代谢健康，并可能影响婴儿的发育。

(A)上图：分娩时和产后3个月与妊娠第27周相比的物种差异。下图：对于每个箱线图，未显示两个高离群值(均来自S. thermophilus的分娩时间点；一个来自妊娠第27周，一个来自A. colihominis的分娩时间点)。

(B)分娩和产后3个月配对母体样本的代谢组学差异。星号表示子类标识已被更具体的标识所取代。

(C)与产后3个月相比，牛磺酸与甘氨酸结合胆汁酸在分娩时的相对扩增。在(B)和(C)中，通过Wilcoxon符号秩检验获得q值和p值。

(D) B. wadsworthia在怀孕期间扩张。一个高离群值未显示(分娩)。

(E)怀孕期间异化亚硫酸盐还原酶增加。一个高离群值未显示(妊娠第27周)。

在(D)和(E)中，未怀孕女性对照组的结果被纳入作为参考。蓝线连接来自同一参与者的数据点。另请参见图S2和表S1。

3母体菌种通过可移动遗传元件影响婴儿微生物组

一部分先驱性婴儿肠道菌株起源于母体肠道，并在出生时或出生后不久传播。我们通过频繁对婴儿进行采样，分析宏基因组数据，调查了菌株传播是否发生在婴儿后期。我们通过StrainPhlAn分析了每个物种优势菌株的SNP单倍型，以确定母亲和婴儿之间相同的菌株，然后具体列举了这些菌株在生命后期首次出现的事件(图S3A)。使用MetaPhlAn进行敏感检测，证实生命早期相应物种的缺乏(图S3B)。出生后3个月传播的母体肠道菌株包括Eubacterium、Roseburia和Blautia属。 为了进一步评估母亲对婴儿肠道微生物群发育的贡献，我们评估了母体肠道任一菌种的相对丰度是否对婴儿肠道微生物群结构有总体影响(PERMANOVA分析)。我们发现，尽管稳定传播率较低，但某些菌种的母体丰度，包括Bacteroides cellulosilyticus、Bacteroides uniformis和Alistipes putredinis，与出生后3个月的婴儿肠道微生物组结构相关(图3A)。母体B. cellulosilyticus是一种多功能碳水化合物降解菌，其相对丰度与婴儿肠道中微生物糖苷水解酶的总体丰度呈正相关，尤其是那些参与HMO降解的糖苷水解酶(图S3C和S3D)。

此外，这种母体菌种与婴儿粪便样本中的完整HMO呈负相关，与无法降解这些低聚糖的利用HMO的婴儿菌种呈正相关，例如Bifidobacterium pseudocatenulatum(图S3D和S3E)。总之，本研究的观察结果表明，某些很少传播的母体菌种可能对婴儿微生物组产生影响，并对婴儿肠道生态和功能能力产生显著影响。 基于这些观察结果，我们假设母体物种通过HGT贡献可移动元件和基因来影响婴儿肠道微生物组。为了验证这一点，我们筛选了高质量宏基因组组装基因组(MAGs)的母体宏基因组，并根据MetaPhlAn的敏感检测将其过滤到相应婴儿未观察到的物种中。然后，我们筛选了来自婴儿的宏基因组组装，以获得与母体MAG所携带基因的完全匹配(100%核苷酸同一性)(图3B)。这种方法揭示了在22对母婴和11种母体细菌中共有的977个独特基因(图3C;表S3)，表明无亲缘关系的母亲和婴儿之间的基因共享事件比基线显著增加(置换检验，p=0.01)(图S3F)。在这些共享基因中，153个(16%)位于不同属的MAGs中，22个(2%)位于母婴不同门的MAG中(表S3)。大多数(81%)的共享基因被母体肠道中的B. cellulosilyticus(n=186)、B. uniformis(n=289)或A. putredinis(n=313)所携带，这支持了我们的假设，即这些物种会影响婴儿肠道微生物组。在第一个采样时间点(0.5个月)婴儿中检测到的基因共享事件中，B. cellulosilyticus是主要的母体供体物种(贡献n=146/357个基因，41%；图S3G)，与其对婴儿肠道微生物组结构的显著影响相一致。 为了进一步证实基因转移发生在不同物种的母亲及其婴儿之间，我们对包含共享基因的母婴重叠群对进行了成对比对。我们在37%的病例(n=56/151具有共享基因的重叠群对)中鉴定出(接近)相同序列之外的重叠区域，中位长度为2,152个碱基对(bp；图S3H)。这些序列在母亲和婴儿之间表现出较差的一致性，核苷酸同源性中位数为47%(图S3I)，支持真正的种间基因转移事件。

观察到的基因传递可以用发生在母体或婴儿肠道的HGT事件来解释。在确定的基因共享事件中，30.8%(n=301/977基因)在母体肠道中具有暂定的中介基因组(即在多个代表不同细菌种类的母体MAG上检测到共享基因)。5.8%(n=57)的中介基因组与婴儿中携带该基因的基因组属于同一物种。同样，33.3%(n=325)在婴儿肠道中有一个暂定的中介基因组，但这些基因组都与母体源不同。35.9%(n=351)的基因共享事件未鉴定出中介基因组；这些基因转移的时间和位置仍然是一个悬而未决的问题。

(A)基于横断面PERMANOVA分析，3个月以下婴儿肠道微生物群的物种级分类组成(Bray-Curtis差异)与流行(>50%)母体物种的关联。针对婴儿性别、分娩方式、母乳喂养、配方奶粉使用/类型和既往使用抗生素的分析进行了校正；这些因素按每个时间点的相对显著性排序。母体物种在≥1个时间点与婴儿物种水平分类显著相关（p＜0.05），或解释> 3%的变异，p<0.10。颜色代表婴儿中物种的流行程度。星号表示与(C)共有的物种。

(B)母婴种间基因传播假说的示意图。

(C)显示已识别的977个基因传播事件中从母体(左)到婴儿(右)物种的基因流的图表。星号表示与(A)共有的物种。

(D)从组装的基因目录中随机抽取977个基因的10,000个样本中HGT相关基因的数量。已识别的977个共享基因中，HGT相关基因的数量以红色突出显示。

(E)母体B. uniformis和婴儿B. thetaiotaomicron之间传播299个基因的原噬菌体基因片段示意图。另请参见图S3和表S3和S4。

4参与膳食底物代谢的母体微生物基因水平转移可能影响婴儿肠道生态

先前的研究表明，水平转移的基因片段富含与移动基因组相关功能相关的基因。通过将977个共享基因映射到京都基因与基因组百科全书(KEGG)、uniprot和eggNOG数据库，我们对373个基因(38%)进行了功能注释。其中，80个(21%)注释为移动基因组相关功能，这代表了显著的富集(置换检验，p=0.0003)(图3D和S3J)。与转导(n=40；p=0.03)、转座子(n=21；p=0.0002)和共轭(n=17；p=0.01)相关的基因都得到了富集，表明母婴基因传递通过多种机制发生(图3D)。我们在母体B. uniformis MAG上发现了一个高质量的71,930 bp原噬菌体片段，该片段也存在于来自3个月和6个月大婴儿的两个Bacteroides thetaiotaomicron MAG中(图3E；S4)。来自母亲和婴儿的片段具有98.5%的序列相似性，包含89个相同的基因(100%核苷酸同源性)；其余基因几乎相同。

此外，我们在宏基因组重叠群中鉴定了30个暂定的低质量原噬菌体片段(9个在母亲中，21个在婴儿中)，这些片段携带婴儿和母亲之间共享的基因(表S4)。这些数据表明，在没有垂直传播的情况下，噬菌体可能介导细菌菌株之间的母婴基因转移。 除HGT外，预测传递基因的功能包括碳水化合物生物合成和利用(n=56/373 注释基因，15%)、氨基酸代谢和转运(n=15，4%)、铁的获取和储存(n=14, 4%)，表明基因转移可能对受体细菌产生重要的代谢影响(图S3J)。相对于其他共有基因(n=14/73, 19%；Fisher精确检验，p=0.007；图S3K)，源自母体的B. cellulosilyticus的注释基因在碳水化合物代谢和转运方面富集，这与我们之前的观察结果一致(图S3C-S3E)，也与该物种所描述的广泛的碳水化合物利用能力一致。通过根据底物特异性对与碳水化合物利用相关的基因进行分组，我们发现，在引入固体食物之前，与植物源性寡糖和多糖代谢相关的共享基因仅在婴儿中短暂出现，这与以牛奶为基础的饮食中缺乏这些糖类的情况相一致。

然而，与HMO聚糖半乳糖和岩藻糖代谢相关的基因在一个以上的采样时间点被保留(图S3L)。这些数据表明，母体物种可能通过共享膳食底物(包括HMOs)代谢所需的基因来影响婴儿肠道微生物组。 为了进一步评估母婴种间基因转移的生物学相关性，我们使用流行率和丰度作为替代指标；生物相关的微生物基因将在微生物组中广泛分布且高度丰富。我们估计了与共享基因相对应的非冗余基因家族(>95%相似性)的流行率和丰度，发现在宏基因组基因目录中，与所有基因的零分布(n=2.4 M[百万])相比，它们的平均流行度更高(图S3M)。当存在时，与母亲相比，婴儿中传递基因的丰度更高(Kolmogorov-Smirnov检验 p<10-10；图S3N)，进一步表明通过HGT从母亲转移到婴儿的基因在婴儿肠道微生物组中具有生物学相关功能。

5独特的婴儿肠道代谢环境与微生物组协同发展

由于代谢组谱提供了对微生物组活性的补充观点，我们接下来比较了母亲和婴儿的代谢组学特征。在使用参考标准注释的858个代谢组学特征中，有395种化合物在婴儿中更丰富，227种在母亲中更丰富(线性混合模型，q<0.01；图4A；表S5)。婴儿体内富含的代谢物包括肉毒碱、类花生酸、甘油磷酸胆碱和极长链脂肪酸，而次级胆汁酸、B族维生素和中链脂肪酸在母亲体内更为丰富(图4B)。 婴儿肠道代谢组的多样性一直较低，平均观察到的代谢组学特征略高于70,000个，而母亲则接近90,000个(图4C)。较低的分类学和代谢组学多样性可能导致特定物种-代谢物关联的显著性增加。事实上，在婴儿细菌物种和注释代谢物之间的163种显著关联中，只有5种(3%)在母亲中观察到(图4D；表S6)。独特的婴儿微生物-代谢物关联包括Enterococcus faecalis和E. coli分别与神经递质酪胺和胍丁胺呈正相关(图4E、4F、S4A和S4B)。Collinsella aerofaciens和粪便精氨酸之间存在婴儿特异性负相关，可能由精氨酸脱亚氨酶介导(arcA；图S4C)。精氨酸是早产儿和低出生体重婴儿的必需氨基酸，可调节免疫系统发育，部分作为多胺和一氧化氮生物合成的底物。

B. longum丰度与肌苷(一种具有免疫调节特性的嘌呤代谢物)呈负相关(图4G和S4D)。在178种肠道微生物菌株的体外代谢分析中，独立观察到这四种物种-代谢物关联。此外，在B. longum和含有支链氨基酸的二肽(BCAAs；图4D)之间存在婴儿特异性反向关联。含环BCAA的二肽最近被鉴定为由某些Bacilli产生的双歧因子。 本研究还检测到婴儿粪便样本特有的2,555种代谢组学特征，包括许多未知特征。其中，433个特征出现在至少50%的样本中，包括131(30%)个基于映射到HMDB进行注释的特征。这些主要包括有机氧化合物(主要是碳水化合物)和类黄酮，特别是黄酮苷类(图S4E)。28种常见(存在于>33%的样本中)注释的婴儿特异性代谢物与6月龄时的血清细胞因子水平相关(p<0.01；图S4F)。特别是，唾液酸水平与几种促炎细胞因子呈负相关，尤其是IFNγ。唾液酸是HMO成分，可以通过Siglec受体信号抑制免疫反应。在高度流行的婴儿特异性代谢组学特征中，41种(433种中的9%)与27种细菌物种显著相关，其中一些细菌物种也是婴儿样本所特有的(图S4G)。

其中包括Klebsiella michiganensis(存在于125个婴儿样本和3个母体样本中)，它缺乏其他Klebsiella菌种的致病潜力，可能有助于抗生素扰动期间的定植抗性。有趣的是，K. michiganensis在之前接受过全身性抗生素治疗的婴儿样本中更为普遍(37.1% vs. 21.1%；Fisher精确检验，p=0.002)。因此，该物种可能有助于稳定脆弱的婴儿肠道生态系统。 接下来，我们研究了婴儿特异性代谢组学特征的纵向趋势，发现287(11.2%)个特征发生了统计学上的显著变化(Kruskal-Wallis检验，FDR校正后的p<0.01；图S4H)。大多数(n=253)在出生前后高度丰富，随着时间的推移而下降，而只有34个纵向增加。固体食物或婴儿配方奶粉的引入往往会加剧观察到的减少趋势(图S4I)，表明减少的分子来源于母乳。事实上，在可以通过映射到HMDB进行注释的59个此类特征中，我们确定了已知的母乳成分，包括花生四烯酸、二十碳二烯酸和二十碳五烯酸以及乳酸，乳酸也是微生物代谢的产物和底物。

为了进一步研究婴儿特异性代谢组学特征与母乳之间的潜在联系，我们对10个婴儿样本进行了串联质谱(MS2)表征，这些样本含有大量不同的常见婴儿特异性代谢组学特征，成功获取了77个样本的谱。SIRIUS预测了30种化合物的分子式和结构(表S1)，包括唾液酸衍生物2-deoxy-2,3-dehydro-N-acetylneuraminic acid(图4H)。我们进一步使用GNPS对MS2光谱进行分子网络分析，并确定了一个包含四种SIRIUS预测的二十碳烯酸衍生物的子网络：vaccenate、linolate、8-pentadeconoic acid和QI11401，这是一种与TNFa负相关的婴儿特异性特征(图4I)。与vaccenate是母乳中重要的脂质成分一致，在人母乳MS2光谱中也发现了这一代谢组学峰值，这是我们从OriGiN研究中收集的40个混合样本中得出的。有趣的是，我们观察到许多婴儿特异性代谢组学特征与母乳代谢组学特征或参考标准(例如视黄醇)相关联(GNPS cosine> 0.7)(图S4 J–S4L)。

(A)在婴儿和母体肠道中使用参考标准注释的n= 858种代谢物的热图。

(B)按采样时间点分层的代谢物类别/亚类(由至少三个独特的代谢组学特征表示)的中位丰度。

(C)代谢组学多样性，以观察到的母亲及其婴儿的代谢组学特征的数量来衡量。

(D)在对婴儿年龄、性别、分娩方式、抗生素使用和配方奶粉使用/类型进行纵向分析和校正调整后，流行率> 25%的婴儿物种与代谢组学特征(由参考标准注释)之间的显著关联。强调了先前体外实验中独立证实的物种-代谢物关联。

(E)按婴儿年龄和Enterococcus faecalis的存在分层的粪便酪胺水平。

(F)按年龄和E. coli相对丰度分层的粪便胍丁胺水平。

(G)按年龄和Bifidobacterium longum相对丰度分层的粪便肌苷水平。

(H)用SIRIUS预测的婴儿特异性代谢组学特征QI6121的化学结构。m/z，质荷比；RT，保留时间。

(I)与婴儿特异性代谢组学特征QI11401相关的GNPS子网络。用SIRIUS预测化学结构。另请参见图S4和表S1、S5和S6。

6婴儿肠道宏基因组和代谢组的饮食调节影响免疫成熟

肠道微生物组和代谢组学特征受饮食影响并调节免疫反应和炎症。我们分析中的74名婴儿是一项随机临床试验的一部分，该试验旨在评估EHF对HLA导致的1型糖尿病易感性婴儿肠道炎症和通透性的影响。尽管存在这种遗传风险，但在我们的调查中，婴儿的基线微生物组组成与之前的观察结果基本相似。鉴于婴儿饮食影响宏基因组和代谢组谱(图1D和1E)，我们进一步研究了母乳喂养以及配方奶粉的使用和类型对婴儿宏基因组、代谢组以及肠道和全身炎症标志物的具体影响。 婴儿被随机分组，40名(54%)到普通配方奶粉组，34名(46%)到水解配方奶粉组；然而，有27名婴儿(111个样本)使用常规配方奶粉，23名婴儿使用水解配方奶粉(107个样本；表S2)。水解配方奶粉与Ruminococcus gnavus的扩增有关，而常规配方奶粉则与E. faecalis、Actinomyces radingae和S. thermophilus的富集有关(图5A)。与非配方奶粉喂养的婴儿相比，食用常规而非水解配方奶粉的婴儿血清促炎细胞因子(IL-12、IL-6、IL-9、IL-13)水平升高(图5B)。

此外，常规配方与代谢组学变化有关，包括溶血磷脂酰胆碱的消耗(图5C和5D)，这可能会调节各种白细胞亚群的免疫反应，并与促炎细胞因子呈负相关(图S5)。 与成人相比，婴儿肠道炎症的基线指标通常有所增加；然而，其意义以及与全身炎症的联系知之甚少。在研究与促炎血清细胞因子的相关性时，我们观察到一个显著的、年龄依赖性二分法：肠道和全身炎症标志物在1岁儿童中呈正相关，而在较年幼的婴儿中呈负相关(图6A)。钙卫蛋白和β-防御素2在母乳喂养的婴儿中往往会升高，与B. longum和Bifidobacterium breve等有益菌种呈正相关，而与亚油酰乙醇酰胺呈负相关，后者会促进微生物组的异常转变(图6B和S6A-S6C)。我们还观察到钙卫蛋白和类花生酸之间的正相关关系，特别是花生四烯酸衍生物，这对早期免疫和神经发育至关重要(图6C)。类花生酸与先前发现的母乳微生物组成员呈正相关，包括Streptococcus物种和Corynebacterium kroppenstedtii(图6D)。

综上，我们的观察结果表明，年幼婴儿的肠道炎症标志物可能反映了免疫成熟，这可能是由母乳喂养促进的，而不是潜在的病理导致。

肠道通透性(通过乳果糖-甘露醇[LM]比率测量)与硝酸盐还原菌Veillonella parvula和Haemophilus parainfluenzae的相对丰度呈正相关(图6B)。高LM比率婴儿的基因水平分析确定了反硝化途径的富集(Fisher精确检验，p<0.001)，该途径通过一氧化氮将硝酸盐还原为氮(图6E)。总之，本研究的观察结果为饮食和肠道微生物群如何调节免疫成熟提供了见解。

(A)随机分配（左）或接受（右）常规配方奶粉与水解配方奶粉的婴儿之间的物种差异(q<0.25)。误差条代表SE。正效应值表示在随机分配或接受常规配方奶粉的婴儿中富集的物种，而负效应值表示在随机分配或接受水解配方奶粉的婴儿中富集的物种。

(B)给予常规配方奶粉与不给予配方奶粉的婴儿促炎细胞因子的富集。通过Mann-Whitney U检验获得的p值。

(C)婴儿粪便代谢组学特征的t-SNE排序，按配方奶粉使用/类型着色。线连接来自同一婴儿的样本。

(D)左图：在至少一个时间点，使用水解配方奶粉和常规配方奶粉的婴儿之间每个亚类/类别的代谢物发生变化的百分比(q<0.25)。通过Fisher精确检验获得的p值。右图：按年龄和配方奶粉使用/类型分层的溶血磷脂酰胆碱的中值水平。线连接相同的代谢物。另请参阅图S5和表S1和S2。

(A)肠道通透性和炎症标志物在出生后的最初几个月与促炎血清细胞因子呈负相关，但在1岁时呈正相关。

(B)左图：钙卫蛋白和β-防御素2与6月龄婴儿的有益物种呈正相关。右图：母乳喂养婴儿的钙卫蛋白水平较高，并且与Bifidobacterium longum的相对丰度相关。

(C)钙卫蛋白水平与6月龄婴儿的粪便类花生酸呈正相关，尤其是花生四烯酸代谢物。(B)和(C)中散点图的R值是Kendall’s tau。

(D)婴儿粪便类花生酸代谢物的水平与先前与母乳微生物组相关的物种的相对丰度呈正相关，包括乳腺炎的致病因子。*基于以前的文献。结果(左)来自一般线性模型，已针对纵向抽样、年龄、性别、分娩方式、抗生素和配方使用/类型进行了校正。

(E) LM比率与通过一氧化氮产生的反硝化作用相关的微生物基因呈正相关。高LM比率与低LM比率的临界值为0.03。另请参阅图S6和表S1。 

讨论

通过检查母婴肠道微生物组的发展，我们发现了另一种垂直微生物组传播模式，即在细菌基因组本身没有持续传播的情况下，母体肠道细菌菌株与婴儿肠道菌株共享基因。除了与可移动遗传元件相关的功能外，977个传递的基因还编码了与碳水化合物利用、氨基酸代谢以及铁获取和储存相关的功能。因此，母婴HGT影响婴儿肠道微生物组的代谢潜力，可能对免疫系统发育产生影响。由于我们的分析仅涵盖了高质量MAG所携带的相同基因，因此HGT在婴儿期肠道微生物组组装中的全部规模和功能分支仍有待未来研究扩展。 许多参与基因传递事件的细菌物种属于拟杆菌目，这与之前关于人类肠道中拟杆菌目成员之间广泛的种间基因共享的报道一致，尽管我们也观察到了不同细菌目甚至门之间的基因共享事件。

与无亲缘关系的母亲和婴儿相比，血缘母婴之间的基因共享事件明显更为常见，与不同HGT模式相关的基因显著富集。一种有趣的可能性是，婴儿肠道的独特环境触发了无法植入的垂直传播菌株的原噬菌体诱导。 之前曾报道，在芬兰婴儿中，HMO降解主要由拟杆菌而非双歧杆菌进行。然而，并非所有拟杆菌菌株都具有利用HMO所需的糖苷水解酶，并且Bacteroides之间这些基因的水平转移可以为婴儿肠道生态系统带来重大优势。

在我们的分析中，作为基因共享事件的主要供体物种，母体B. cellulosilyticus与婴儿样本中HMO代谢糖苷水解酶和清除释放的HMO聚糖的物种呈正相关，并与完整的粪便HMO呈负相关，表明母体B. cellulosilyticus可能在没有物种传播的情况下间接影响婴儿微生物组中碳水化合物活性酶的所有组成部分。 本研究追踪了婴儿微生物组和代谢组的纵向发展，并绘制了它们与饮食、全身炎症反应和肠道通透性的关系图。与纯母乳喂养相比，使用含有完整外源蛋白的婴儿配方奶粉与促炎血清细胞因子的整体增加有关，这与表明配方奶粉喂养的婴儿患自身免疫性疾病的风险更高的数据一致。肠道通透性与V. parvula相关，该属以前与1型糖尿病有关。 

母乳喂养通过调节婴儿微生物群和提供抗体和抗菌蛋白而对免疫系统发育产生有益影响。我们将母乳喂养与肠道炎症标志物的早期增加联系起来，包括粪便钙卫蛋白和β-防御素2。这些标志物与年幼婴儿的促炎血清细胞因子呈负相关，表明它们的水平可能反映了该年龄组的免疫成熟，而不是潜在的病理。

此外，我们观察到婴儿肠道炎症介质(如类花生酸)与先前鉴定的母乳微生物组成员以及C. kroppenstedtii(一种几乎完全从临床乳腺炎样本中分离出来的物种)呈正相关，并且在我们的分析中只存在于母乳喂养婴儿的粪便中。因此，早期暴露于微生物致病菌和炎症介质可以加快免疫系统教育，可能导致对后续挑战产生更多的耐受性反应。 肠道细菌通过产生生物活性化合物影响人体生理和发育。我们的分析揭示了2,500多个婴儿特异性代谢组学特征，尽管在非靶向液相色谱-质谱(LC-MS)代谢组学中存在不同比例的冗余和伪象，但可能反映了数百种独特的化合物。

使用配对的宏基因组学和代谢组学数据，我们确定了许多微生物-代谢物关系，这些关系在婴儿中具有统计学意义，但在母亲中没有，包括B. longum和肌苷之间的负相关。据报道，肌苷具有神经保护和免疫调节特性。因此，B. longum对肌苷的利用可能存在亚种特异性变异，也可能影响婴儿的免疫和神经发育。 妊娠与粪便胆汁酸的改变有关，牛磺酸结合相对增加。这些变化反映在肠道微生物群的转变中，包括牛磺酸降解、硫酸盐还原物种B. wadsworthia和微生物H2S生产能力的扩大。肠道感染后内源性牛磺酸产量增加，并通过Bilophila衍生的H2S促进对病原体扩张的抗性。因此，在妊娠期和围产期牛磺酸诱导的Bilophila属物种的增加可能为这一脆弱时期的感染并发症提供关键保护。然而，B. wadsworthia也与不利的代谢影响有关，包括宿主葡萄糖代谢障碍，因此，该物种的短暂增加可能导致怀孕期间常见的代谢参数恶化。

本研究代表了在已知的母体和饮食因素的影响下婴儿肠道微生物组和代谢组共同发育的独特视角，对免疫和神经发育具有潜在的深远意义。母婴种间HGT事件影响婴儿微生物代谢活动的发现扩展了我们对母体对婴儿肠道微生物组影响的理解。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发育的贡献提供了平台。总之，这些观察结果为有针对性的干预措施开辟了新的前景，以确保婴儿成长和发展的最佳机会。

本研究存在一些局限性。首先，从密切相关的基因组的复杂混合物中组装宏基因组重叠群可能会导致组装和/或分箱错误。我们试图通过只研究接近完整的MAG所携带的基因来降低这种风险。其次，我们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。第三，可以使用参考标准注释的代谢组学特征的比例代表了一个普遍的难题；继续扩大这里报告的注释特征数据库的工作将为发现更多的微生物-代谢物-宿主关系提供机会。

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