无论你走到哪里，你的胃肠道中都携带着大量微生物，其数量超过了构成你身体的人类细胞。这个微生物组与你的肠道、大脑和免疫系统的健康有着重要联系。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。即使是那些直接效果看似中性的细菌，也会占据空间，使有害微生物难以入侵。
关于肠道微生物组，我们还有很多需要了解的地方，但它与健康的联系表明，有可能通过管理这个群落来应对疾病。加州大学洛杉矶分校（UCLA）加州纳米系统研究所（CNSI）的一个研究团队的新发现，为此提供了一个有希望的步骤。
科学家们研究了一种已知的改变微生物基因的机制，即所谓的多样性生成逆转录元件。DGRs携带一组共同作用的基因，能在细菌基因组的特定热点区域创造随机突变。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在肠道微生物组中比在地球上任何其他已测量的环境中更为常见。然而，它们在肠道中的作用直到现在才被研究。
在发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究团队探索了在健康消化道中常见的细菌。他们发现，大约四分之一的这些微生物的DGRs靶向对在新环境中生长菌落至关重要的基因。研究人员还证明，DGRs可以很好地转移：它们可以从一种细菌菌株转移到附近其他菌株，婴儿从母亲那里继承的DGRs似乎有助于启动肠道微生物组。
CNSI主任、纳米系统科学Fred Kavli讲席教授、UCLA微生物学、免疫学和分子遗传学教授、资深作者杰夫·F·米勒说："微生物组中真正的谜团之一是细菌究竟如何在我们体内定植。这是一个与人体生理学密切相关的高度动态系统，关于DGRs的这些知识有朝一日可能被应用于设计促进良好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、抑郁和自闭症等状况相关联。儿童中致病细菌的增加与长期慢性自身免疫疾病风险升高相关。
UCLA Health新生儿科医生、David Geffen医学院儿科助理教授、第一作者兼共同通讯作者本·马卡当当说："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。当微生物组被破坏时，我们会在以后的生活中看到更高比例的慢性疾病。这为工程化婴儿肠道微生物组以预防这些风险提供了强有力的机遇。"
DGRs最初是在米勒的实验室中发现的。在基因组中的一个特定位置（因情况而异），DGRs替换了构成DNA的四字母字母表中的字母A，添加C、G或T中的一个。
许多DGRs靶向决定结合蛋白形状的基因——也就是说，与其它分子像拼图一样配合的蛋白质。这种类型的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它们的互动能力，因此DGRs以扩展微生物能力的方式加速进化。
这一系统可以通过生物学中更熟悉的一种重新组合蛋白质的方法进行比较：人类免疫系统产生新的抗体以扩展其能识别的入侵者名单。但相比之下，每个重组抗体的免疫细胞只这样做一次，而DGRs可以在同一个细胞中反复引入突变。
DGRs也是扩大多样性的更强大引擎。如果免疫系统制造的每种独特抗体都是一粒沙子，那么这些沙子将不到帝国大厦容量的四分之一。相比之下，需要2.7亿座帝国大厦才能容纳相当于DGR突变蛋白独特变化的沙子数量。
米勒和他的同事检查了在肠道微生物组中经常看到的细菌基因组，这些细菌属于拟杆菌属。在这个种群中，DGRs很丰富，平均每株一个，有些菌株携带多达五个。它们也很多样，已识别出1100多种独特的DGRs。
研究人员重点关注了DGRs的一个子集，这些DGRs靶向从拟杆菌伸出的毛发状附属物的基因，称为菌毛。菌毛像魔术贴的纤维一样共同作用，使细菌能够锚定在其他微生物或表面上。DGRs主要作用是使帮助菌毛粘附的蛋白质多样化。这表明DGRs在拟杆菌适应新位置（包括每个人独特的肠道微生物组环境）中起着重要作用。
马卡当当说："我们认为DGRs使细菌能够快速改变其菌毛可以粘附的对象。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了细菌优势，我们认为这就是为什么我们在微生物组中看到这么多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，微生物似乎在其周围更大的社区内共享其适应性超能力。
为了研究DGRs如何影响新生儿肠道微生物组的发育，研究团队分析了母亲及其孩子在生命第一年内的微生物组。某些DGRs从母亲转移到婴儿。在后代中，研究人员确定了拟杆菌菌毛蛋白质的DNA变化，表明DGRs改变了细菌，以帮助它们在新家中安顿下来。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，当前研究中的见解可能是改善人类健康的未来发现的起点，甚至可能产生新的基因工程方法。
米勒说："我们正处于这个非常早期的阶段。这引发了如此多的问题，我们才刚刚意识到我们对微生物组中DGRs的了解有多么少，或者利用它们进行应用可能会产生什么。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·阿胡贾是该研究的共同通讯作者。其他合著者包括UCLA的阎玲王、科拉·伍德沃德、杰西卡·雷维拉、贝内特·肖、凯万·萨萨尼尼亚、吉莉安·瓦尔纳姆和萨拉·马卡纳尼；以及加州理工学院的基亚拉·贝鲁托。
更多信息：Benjamin R. Macadangdang等人，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)。DOI: 10.1126/science.adv2111
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