无论你身处何地，你的胃肠道中都携带着一个微生物群落，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。即使是那些直接影响似乎中性的细菌，也会占据空间，使有害微生物更难进入。
关于肠道微生物组，还有很多需要了解的地方，但它与健康的联系表明，通过管理这个微生物群落来应对疾病是有可能的。来自加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所(CNSI)的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，这种机制由所谓的多样性生成逆转录元件(Diversity-Generating Retroelements，简称DGRs)驱动。DGRs携带的基因集合在一起工作，在细菌基因组的特定热点中创建随机突变。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普遍性超过了地球上任何其他已测量环境。然而，直到现在，它们在肠道中的作用还没有被研究过。
在发表在《科学》杂志上的一项研究中，该团队研究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针对的是在新环境中附着生长菌落所必需的基因。研究人员还证明DGRs具有很好的传播性：它们可以从一种细菌菌株转移到附近的其他菌株，而婴儿则从母亲那里继承DGRs，这些DGRs似乎有助于启动肠道微生物组。
"微生物组中真正神秘的是细菌究竟如何在我们体内定植，"资深作者、CNSI主任、纳米系统科学凯维里讲席教授、加州大学洛杉矶分校微生物学、免疫学和分子遗传学教授杰夫·F·米勒(Jeff F. Miller)说。
"这是一个与人类生理学密切相关的高度动态系统，关于DGRs的知识有一天可能被应用于设计有益的微生物组，以促进健康。"
杰夫·F·米勒，加州大学洛杉矶分校微生物学、免疫学和分子遗传学教授
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、结肠癌以及更远的焦虑、抑郁和自闭症等疾病联系起来。儿童中致病细菌的增加与长期慢性自身免疫疾病风险的升高相关。
"发育中的微生物组与我们发育中的免疫系统相关，这为我们余生打下了基础，"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、该研究的第一作者兼共同通讯作者本·马卡当当(Ben Macadangdang)说。"当微生物组受到干扰时，我们会在以后的生活中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一个强有力的机会。"
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，并在该位置添加C、G或T。
许多DGRs针对的是决定结合蛋白形状的基因——即与其他分子像拼图一样契合的蛋白质。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大它们的互动能力，因此DGRs以扩展微生物能力的方式加速进化。
这个系统可以与生物学中更熟悉的一种蛋白质重组方式相比较：人类免疫系统产生新的抗体，以扩大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一种独特抗体都是一粒沙子，那么这些沙粒将填不满帝国大厦的四分之一百分之一。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粒数量。
米勒和他的同事们研究了在肠道微生物组中常见的细菌基因组，这些细菌来自拟杆菌属(Bacteroides)。在这个群体中，DGRs非常丰富，平均每种菌株有一个，有些菌株携带多达五个。它们也各不相同，已识别出超过1,100种独特的DGRs。
研究人员专注于一组针对拟杆菌突出的毛发状附肢（称为菌毛）基因的DGRs。菌毛像魔术贴的纤维一样共同作用，使细菌能够将自己锚定在其他微生物或表面上。DGRs主要作用于使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）中发挥着重要作用。
"我们认为DGRs允许细菌快速改变其菌毛可以粘附的对象，"马卡当当说。"一种细菌可能对一个人的肠道进行了优化，但如果它外出试图在别人身上定植，它就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这么多DGRs。"
该研究还发现，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的更大社区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展，该团队分析了母亲及其子女在生命第一年的微生物组。某些DGRs从母亲传给了婴儿。在后代中，研究人员确定了拟杆菌(Bacteriodes)菌毛蛋白的DNA变化，表明DGRs改变了这些细菌，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研究，更深入地研究DGRs和肠道微生物组。他们相信，目前研究中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。"有这么多问题由此产生，我们才刚刚意识到我们对微生物组中的DGRs了解多少，或者利用它们进行应用可能产生什么。我从未对接下来会发生什么感到如此兴奋。"
加州大学洛杉矶分校研究助理乌梅什·阿胡贾(Umesh Ahuja)是该研究的共同通讯作者。其他共同作者包括加州大学洛杉矶分校的严玲·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基亚拉·贝鲁托(Chiara Berruto)。
该研究得到了美国国立卫生研究院和凯维里捐赠基金的支持。
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