无论身处何地，你的消化道都携带着数量超过人体细胞的微生物群落。
这一微生物组与肠道、大脑和免疫系统的健康密切相关。部分常驻菌群能产生维生素、抗氧化剂、营养物质及其他有益化合物，即使看似中性的菌种也会占据空间，阻碍有害微生物入侵。
尽管肠道微生物组仍有诸多未解之谜，但其健康关联性暗示着通过调控该群落治疗疾病的潜力。加州大学洛杉矶分校纳米系统研究所（CNSI）研究团队的新发现为此提供了重要突破方向。
科学家们深入研究了名为"多样性生成逆转录元件"（DGRs）的已知基因变异机制。DGRs携带一组协同作用的基因，能在细菌基因组特定热点区域产生随机突变，有效加速宿主进化，使微生物得以快速改变和适应。
DGRs在肠道微生物组中的丰度远超地球上任何其他已测环境，但其在肠道中的作用此前从未被探究。
发表在《科学》杂志的这项研究中，团队分析了健康消化道中常见的细菌。他们发现，约四分之一微生物的DGRs靶向关键基因——这些基因对在新环境中锚定并形成菌落至关重要。研究还证实DGRs具有高度传播性：它们能从一种细菌菌株转移到邻近菌株，婴儿则会继承母亲的DGRs，这些元件似乎有助于启动肠道微生物组建立。
"微生物组中真正的谜题在于细菌如何定植人体，"CNSI主任、纳米系统科学卡夫里讲席教授兼加州大学洛杉矶分校微生物学教授杰夫·F·米勒表示，"这是一个与人类生理紧密相连的高度动态系统，关于DGRs的认知未来或可用于构建促进健康的有益微生物组。"
肠道微生物组变化已被证实与炎症性肠病、克罗恩病、代谢综合征、结肠癌，乃至焦虑、抑郁和自闭症等远期健康问题相关。儿童体内致病菌增多更与慢性自身免疫疾病长期风险升高有关。
"发育中的微生物组与免疫系统同步发展，这决定了我们一生的健康基础，"加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院新生儿科医师兼儿科助理教授、论文第一作者兼共同通讯作者本·马卡当当指出，"当微生物组失衡时，我们会在后期观察到更高的慢性疾病发生率。这为工程化改造婴儿肠道微生物组以预防健康风险提供了重大机遇。"
DGRs最初在米勒实验室被发现。在基因组特定位置（因案例而异），DGRs会替换构成DNA四字母密码中的"A"，代之以"C"、"G"或"T"。
许多DGRs靶向决定结合蛋白形状的基因——这些蛋白如同拼图般与其他分子契合，是细胞与外界互动的基础机制。结合蛋白的改变能扩展其交互能力，因此DGRs通过扩大微生物功能实现进化加速。
该系统可类比生物学中更熟悉的蛋白质重组方式：人类免疫系统通过生成新抗体扩展可识别的入侵者范围。但不同的是，每个重组抗体的免疫细胞仅操作一次，而DGRs能在同一细胞内反复引入突变。
DGRs更是强大的多样性引擎：若将免疫系统产生的每种独特抗体比作一粒沙，这些沙粒仅能填满帝国大厦不到0.25%的空间；而DGR突变蛋白的独特变体所需的沙粒，则需要2.7亿座帝国大厦才能容纳。
米勒团队分析了肠道微生物组中常见的拟杆菌基因组。在此菌群中，DGRs极为丰富，平均每株细菌携带一个，部分菌株甚至多达五个。研究共识别出1100多种独特DGRs。
研究人员聚焦于靶向拟杆菌表面毛发状附属物（称为"菌毛"）的DGR子集。菌毛如同魔术贴纤维协同作用，使细菌能锚定其他微生物或表面。DGRs主要使辅助菌毛附着的蛋白质多样化，这表明DGRs在拟杆菌适应新环境（包括每个人独特的肠道微生物组）中发挥关键作用。
"我们认为DGRs让细菌能快速改变菌毛的附着对象，"马卡当当解释道，"某种细菌可能已优化适应某个人的肠道，但若试图定植他人身体，便会遭遇截然不同的环境。找到新附着点赋予细菌优势，这正是微生物组中存在大量DGRs的原因。"
研究还发现，DGRs能通过"水平转移"在细菌菌株间跳跃。微生物似乎借此在周边群落中共享其适应性超能力。
为探究DGRs对新生儿肠道微生物组发育的影响，团队分析了母婴在生命第一年的微生物组。某些DGRs从母亲传给婴儿，后代拟杆菌菌毛蛋白的DNA变化表明，DGRs改造了这些微生物以助其在新环境中立足。这一发现提示DGRs是建立发育中微生物组的重要机制之一。
研究团队计划通过实验室模型和人类观察性研究深入探索DGRs与肠道微生物组。他们认为当前发现或是未来改善人类健康甚至开创新型基因工程技术的起点。
"我们正处于非常早期的阶段，"米勒强调，"这些发现引发无数问题，我们才刚意识到对微生物组中DGRs的认知多么有限，以及开发利用它们可能带来的突破。我从未对未来的可能性如此期待。"
加州大学洛杉矶分校研究助理乌梅什·阿胡贾担任共同通讯作者。其他作者包括王艳玲、科拉·伍德沃德、杰西卡·雷维拉、本尼特·肖、凯万·萨萨尼尼亚、吉莉安·瓦鲁姆和萨拉·马卡纳尼（均来自加州大学洛杉矶分校），以及加州理工学院的基亚拉·贝鲁托。
本研究获得美国国立卫生研究院和弗雷德·卡夫里基金支持。
参考文献： Macadangdang BR, Wang Y, Woodward CL, et al. 肠道微生物组中多样性生成逆转录元件驱动的靶向蛋白质进化. 科学. 2025;390(6769):eadv2111. doi: 10.1126/science.adv2111
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