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 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 B. longum . Infant stool samples dominated by B. longum also showed higher temporal stability compared to samples dominated by other species. We identified two instances of strain sharing between maternal milk and the infant gut, one involving a commensal ( B. longum ) and one a pathobiont ( K. pneumoniae ). In addition, strain sharing between unrelated infants was higher among infants born at the same hospital compared to infants born in different hospitals, suggesting a potential role of the hospital environment in shaping the infant gut microbiome composition. The infant gut microbiome at one month compared to six months of age was enriched in metabolic pathways associated with de-novo molecule biosynthesis, suggesting that early colonisers might be more versatile and metabolically independent compared to later colonizers. Lastly, we found a significant overlap in antimicrobial resistance genes carriage between the mother’s milk and their infant’s gut microbiome. Taken together, our results suggest that the human milk microbiome has an important role in the assembly, composition, and stability of the infant gut microbiome.

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.