Human milk is a complex mix of nutritional and bioactive components that provide complete nourishment for the infant. However, we lack a systematic knowledge of the factors shaping milk composition and how milk variation influences infant health. Here, we characterize relationships between maternal genetics, milk gene expression, milk composition, and the infant fecal microbiome in up to 310 exclusively breastfeeding mother-infant pairs. We identified 482 genetic loci associated with milk gene expression unique to the lactating mammary gland and link these loci to breast cancer risk and human milk oligosaccharide concentration. Integrative analyses uncovered connections between milk gene expression and infant gut microbiome, including an association between the expression of inflammation-related genes with milk interleukin-6 (IL-6) concentration and the abundance of Bifidobacterium and Escherichia in the infant gut. Our results show how an improved understanding of the genetics and genomics of human milk connects lactation biology with maternal and infant health.

The establishment of the gut microbiome in early life is critical for healthy infant development. Although human milk is recommended as the sole source of nutrition for the human infant, little is known about how variation in milk composition, and especially the milk microbiome, shapes the microbial communities in the infant gut. Here, we quantified the similarity between the maternal milk and the infant gut microbiome using 507 metagenomic samples collected from 195 mother-infant pairs at one, three, and six months postpartum. We found that the microbial taxonomic overlap between milk and the infant gut was driven by bifidobacteria, in particular by

Human milk is a complex mix of nutritional and bioactive components that provide complete nutrition for the infant. However, we lack a systematic knowledge of the factors shaping milk composition and how milk variation influences infant health. Here, we used multi-omic profiling to characterize interactions between maternal genetics, milk gene expression, milk composition, and the infant fecal microbiome in 242 exclusively breastfeeding mother-infant pairs. We identified 487 genetic loci associated with milk gene expression unique to the lactating mammary gland, including loci that impacted breast cancer risk and human milk oligosaccharide concentration. Integrative analyses uncovered connections between milk gene expression and infant gut microbiome, including an association between the expression of inflammation-related genes with IL-6 concentration in milk and the abundance of Bifidobacteria in the infant gut. Our results show how an improved understanding of the genetics and genomics of human milk connects lactation biology with maternal and infant health.

Abstract Human cytomegalovirus (CMV) is a highly prevalent herpesvirus that is often transmitted to the neonate via breast milk. Postnatal CMV transmission can have negative health consequences for preterm and immunocompromised infants, but any effects on healthy term infants are thought to be benign. Furthermore, the impact of CMV on the composition of the hundreds of bioactive factors in human milk has not been tested. Here, we utilize a cohort of exclusively breastfeeding full term mother-infant pairs to test for differences in the milk transcriptome and metabolome associated with CMV, and the impact of CMV in breast milk on the infant gut microbiome and infant growth. We find upregulation of the indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) tryptophan-to-kynurenine metabolic pathway in CMV+ milk samples, and that CMV+ milk is associated with decreased Bifidobacterium in the infant gut. Our data indicate a complex relationship between milk CMV, milk kynurenine, and infant growth; with kynurenine positively correlated, and CMV viral load negatively correlated, with infant weight-for-length at 1 month of age. These results suggest CMV transmission, CMV-related changes in milk composition, or both may be modulators of full term infant development.

Abstract Human cytomegalovirus (CMV) is a highly prevalent herpesvirus that is often transmitted to the neonate via breast milk. Postnatal CMV transmission can have negative health consequences for preterm and immunocompromised infants, but any effects on healthy term infants are thought to be benign. Furthermore, the impact of CMV on the composition of the hundreds of bioactive factors in human milk has not been tested. Here, we utilize a cohort of exclusively breastfeeding full-term mother-infant pairs to test for differences in the milk transcriptome and metabolome associated with CMV, and the impact of CMV in breast milk on the infant gut microbiome and infant growth. We find upregulation of the indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) tryptophan-to-kynurenine metabolic pathway in CMV+ milk samples, and that CMV+ milk is associated with decreased Bifidobacterium in the infant gut. Our data indicate two opposing CMV-associated effects on infant growth; with kynurenine positively correlated, and CMV viral load negatively correlated, with infant weight-for-length at 1 month of age. These results suggest CMV transmission, CMV-related changes in milk composition, or both may be modulators of full-term infant development.