无论你身处何地，你的胃肠道都携带着数量超过人体细胞的微生物群落。
该微生物组与肠道、大脑和免疫系统的健康密切相关。部分常驻菌种能产生维生素、抗氧化剂、营养物质及其他有益化合物，即便看似中性的菌种也占据空间，阻碍有害微生物入侵。尽管肠道微生物组与健康的关系仍待深入研究，但其健康关联性暗示了通过调控该群落治疗疾病的潜力。加州纳米系统研究所（CNSI）研究团队的最新发现为此提供了重要突破。
科学家研究了由"多样性生成逆转录元件"（DGRs）驱动的微生物基因突变机制。DGRs通过协同作用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，使微生物快速适应环境。DGRs在人类肠道微生物组中的丰度远超地球其他已测量环境，但其在肠道中的作用此前从未被探究。
发表在《科学》杂志的研究聚焦健康消化道常见细菌，发现约四分之一微生物的DGRs靶向控制菌落定植的关键基因。研究者还证实DGRs具有高度迁移能力：可在邻近菌株间横向转移，婴儿还能从母亲继承DGRs，这些元件似乎有助于启动肠道微生物群建立。
"微生物组真正的谜题在于细菌如何定植人体。这是与人类生理紧密相连的高度动态系统，DGRs的认知未来或可用于设计促进健康的有益微生物群。"
杰夫·米勒（Jeff F. Miller），资深作者、CNSI主任、纳米系统科学弗雷德·卡夫利讲席教授
肠道微生物组变化已与炎症性肠病、克罗恩病、代谢综合征、结肠癌乃至焦虑症、抑郁症和自闭症等远期疾病相关联。儿童致病菌增加更预示慢性自身免疫疾病长期风险升高。
"发育中的微生物组与免疫系统共同成长，为终身健康奠定基础，"第一兼共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院儿科助理教授兼UCLA Health新生儿科医生本·马卡丹丹（Ben Macadangdang）指出，"当微生物组紊乱时，后期慢性疾病发生率显著上升。这为工程化改造婴儿肠道微生物组以预防疾病风险提供了重要机遇。"
DGRs最初由米勒实验室发现。其在基因组特定位置（因案例而异）将DNA四字母编码中的"A"替换为"C"、"G"或"T"。多数DGRs靶向决定结合蛋白形状的基因——这类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。结合蛋白的改变可扩展其交互能力，因此DGRs通过增强微生物功能加速进化。
该系统可类比免疫系统生成新抗体的机制，但存在关键差异：每个免疫细胞仅重组一次抗体，而DGRs可在单个细胞内反复引入突变。DGRs的变异能力更为强大——若免疫系统产生的每种独特抗体相当于一粒沙，所有沙粒仅能填满不足0.25%的帝国大厦；而DGR突变蛋白的变异量需要2.7亿座帝国大厦才能容纳。
研究团队分析了肠道微生物组中常见拟杆菌属细菌基因组。该菌群DGRs极为丰富，平均每菌株携带1个，部分达5个，且鉴定出超1100种独特DGRs。研究人员重点关注靶向拟杆菌毛状附属物（菌毛）的DGRs子集。菌毛如同魔术贴纤维，使细菌能锚定其他微生物或表面。DGRs主要促进菌毛黏附蛋白多样化，表明其在拟杆菌适应新环境（包括个体独特的肠道微生物组）中发挥关键作用。
"我们认为DGRs使细菌快速改变菌毛黏附对象，"马卡丹丹解释道，"某细菌可能适应特定人体肠道，但若试图定植他人，将面临截然不同环境。发现新结合目标给予细菌优势，这正是微生物组中DGRs高丰度的原因。"
研究还发现DGRs可通过"横向转移"在不同菌株间跳跃，使微生物在群体内共享适应性超能力。为探究DGRs对新生儿微生物组发育的影响，团队分析了母婴一年内的微生物组。特定DGRs由母亲传递至婴儿，后代拟杆菌菌毛蛋白的DNA变化表明DGRs帮助细菌在新环境中定植，证实DGRs是建立发育中微生物组的重要机制。
研究团队计划通过实验室模型和人类观察研究深入探索DGRs。他们认为当前发现或将成为改善人类健康乃至开发新型基因工程技术的起点。
"我们正处于早期阶段，"米勒表示，"这些发现引发众多问题，我们刚意识到对微生物组中DGRs的认知多么有限，其应用潜力更令人期待。我从未对即将发生的事如此兴奋。"
本研究由加州大学洛杉矶分校研究助理乌梅什·阿胡贾（Umesh Ahuja）共同通讯，合作者包括王艳玲、科拉·伍德沃德等UCLA团队成员及加州理工学院奇亚拉·贝鲁托。研究获得美国国立卫生研究院和弗雷德·卡夫利捐赠基金支持。
【全文结束】
