无论你走到哪里，你的胃肠道中都携带着数量超过构成你身体的人类细胞的微生物群落。
这种微生物组与你的肠道、大脑和免疫系统的健康有着重要关联。一些常驻细菌会产生维生素、抗氧化剂、营养物质和其他有益化合物。即使是那些直接影响看似中性的细菌，也会占据空间，使有害微生物难以入侵。
关于肠道微生物组，仍有许多未知之处，但它与健康的关联表明，通过调控这一群落来应对疾病具有潜力。加州大学洛杉矶分校（UCLA）加州纳米系统研究所（CNSI）研究团队的新发现为此方向提供了有希望的一步。
科学家们研究了一种已知的、由被称为多样性生成逆转录元件（diversity-generating retroelements, DGRs）驱动的微生物基因改变机制。DGRs携带一组协同工作的基因，能在细菌基因组的特定热点区域产生随机突变。实际上，它们加速了宿主的进化，使微生物能够改变和适应。
DGRs在肠道微生物组中的出现频率高于地球上已测量的任何其他环境。然而，它们在肠道中的作用直到现在才被研究。
在发表于《科学》杂志的一项研究中，研究团队探索了健康消化道中常见的细菌。他们发现，这些微生物约四分之一的DGRs靶向对在新环境中附着并形成菌落至关重要的基因。研究人员还证明DGRs具有良好的转移能力：它们可以从一种细菌菌株转移到附近其他菌株，婴儿从母亲那里遗传DGRs，这些DGRs似乎有助于启动肠道微生物组。
"微生物组中真正的谜团之一是细菌究竟如何定植于我们体内，"CNSI主任、纳米系统科学Fred Kavli讲席教授、加州大学洛杉矶分校微生物学、免疫学和分子遗传学教授、资深作者杰夫·F·米勒（Jeff F. Miller）说。"这是一个与人体生理紧密相连的高度动态系统，关于DGRs的这一知识有朝一日可能被用于设计促进健康的有益微生物组。"
肠道微生物组的变化已与炎症性肠病、克罗恩病、代谢综合征、结肠癌以及更远期的焦虑、抑郁和自闭症等疾病相关联。儿童中致病细菌的增加与慢性自身免疫疾病长期风险的升高相关。
"发育中的微生物组与我们发育中的免疫系统相连，这为我们余生奠定了基础，"加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院UCLA Health新生儿科医生、儿科助理教授、第一作者兼共同通讯作者本·马卡当当（Ben Macadangdang）说。"当微生物组被破坏时，我们会在生命后期看到更高的慢性疾病发生率。这为设计婴儿肠道微生物组以预防这些风险提供了强有力的机会。"
DGRs最初是在米勒的实验室中发现的。在基因组中的一个位置（该位置因情况而异），DGRs替换了构成DNA的四字母字母表中的字母A，并在该位置添加C、G或T。
许多DGRs靶向决定结合蛋白形状的基因——即像拼图一样与其他分子契合的蛋白质。这种结合是细胞与周围世界互动的基本机制。对结合蛋白的改变可以扩展其相互作用的范围，因此DGRs以扩展微生物能力的方式加速进化。
该系统可以与生物学中更熟悉的蛋白质重组方法相比较：人类免疫系统产生新抗体以扩展其可识别的入侵者名单。但相比之下，重组抗体的每个免疫细胞仅进行一次，而DGRs可以在同一细胞中反复引入突变。
DGRs也是扩展多样性的更强大引擎。如果免疫系统产生的每种独特抗体都是一粒沙子，这些沙子将不到帝国大厦容量的0.25%。相比之下，需要2.7亿座帝国大厦才能容纳相当于DGR突变蛋白独特变异数量的沙子。
米勒和他的同事们检查了肠道微生物组中常见的拟杆菌属（Bacteroides）细菌的基因组。在这个种群中，DGRs非常丰富，平均每种菌株有一个，有些菌株携带多达五个。它们也多种多样，已识别出1,100多种独特的DGRs。
研究人员重点关注了靶向拟杆菌伸出的毛发状附属物（称为菌毛/pili）基因的DGRs子集。菌毛像魔术贴的纤维一样协同作用，使细菌能够将自己锚定在其他微生物或表面上。DGRs主要通过多样化帮助菌毛粘附的蛋白质来发挥作用。这表明DGRs在拟杆菌适应新位置（包括每个人肠道微生物组的独特环境）中起着重要作用。
"我们认为DGRs使细菌能够快速改变其菌毛可以粘附的对象，"马卡当当说。"一种细菌可能针对一个人的肠道进行了优化，但如果它出去尝试定植于另一个人，它会遇到一个非常不同的环境。找到新的结合对象给细菌带来了优势，我们认为这就是为什么我们在微生物组中看到如此多DGRs的原因。"
研究还发现，DGRs可以通过一种称为水平转移的过程从一种细菌菌株跳到另一种。通过这种方式，微生物似乎在它们周围更大的群落中分享它们的适应性超能力。
为了研究DGRs如何影响新生儿肠道微生物组的发育，团队分析了母亲和她们的孩子在出生后第一年内的微生物组。某些DGRs从母亲传递给婴儿。在后代中，研究人员确定了拟杆菌菌毛蛋白的DNA变化，表明DGRs改变了这些细菌，以帮助它们在新家中安家落户。这一发现表明DGRs是建立发育中微生物组的重要机制之一。
研究人员计划通过实验室模型和人类观察性研究更深入地研究DGRs和肠道微生物组。他们认为，当前研究的见解可能是未来改善人类健康发现的起点，甚至可能产生新的基因工程方法。
"我们正处于这个非常早期的阶段，"米勒说。"这提出了如此多的问题，我们刚刚意识到关于微生物组中的DGRs，我们有多少不知道，或者将它们用于应用可能产生什么。我从未对接下来会发生什么感到如此兴奋。"
UCLA研究助理乌梅什·阿胡亚（Umesh Ahuja）是该研究的共同通讯作者。其他共同作者包括UCLA的闫玲·王（Yanling Wang）、科拉·伍德沃德（Cora Woodward）、杰西卡·雷维拉（Jessica Revilla）、贝内特·肖（Bennett Shaw）、凯万·萨萨尼亚（Kayvan Sasaninia）、吉莉安·瓦尔纳姆（Gillian Varnum）和萨拉·马卡纳尼（Sara Makanani）；以及加州理工学院的奇亚拉·贝鲁托（Chiara Berruto）。
该研究得到了美国国立卫生研究院和Fred Kavli捐赠基金的支持。
**参考文献：**马卡当当BR，王Y，伍德沃德CL等。通过多样性生成逆转录元件在肠道微生物组中的靶向蛋白质进化。《科学》。2025；390(6769):eadv2111。doi: 10.1126/science.adv2111
本文已从相关材料转载。注：材料可能已根据长度和内容进行编辑。欲了解更多信息，请联系引用来源。
【全文结束】
