无论你身处何处，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、大脑及免疫系统的健康密切相关。部分常驻菌可产生维生素、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能占据空间，阻碍有害微生物入侵。
尽管肠道微生物组仍有许多未解之谜，但其与健康的关联预示着通过调控该群落治疗疾病的可能性。加州纳米系统研究所（CNSI）研究团队的新发现为此提供了重要突破。
科学家深入研究了由"多样性生成逆转录元件"（DGRs）驱动的微生物基因突变机制。DGRs携带功能协同的基因群，可在细菌基因组特定热点区域引发随机突变，从而加速宿主进化使微生物快速适应环境变化。
DGRs在肠道微生物组的分布密度超过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》期刊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靶向关键基因——这些基因决定其在新环境中建立菌落的附着能力。研究还证实DGRs具有强大传播性：可在不同菌株间横向转移，且婴儿能从母亲遗传DGRs，这些元件似乎有助于启动肠道微生物组的构建。
"微生物组中真正的谜团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，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。"
杰夫·F·米勒（Jeff F. Miller），CNSI主任、纳米系统科学卡夫里讲席教授、加州大学洛杉矶分校微生物学与免疫学教授
肠道微生物组的异常变化已与炎症性肠病、克罗恩病、代谢综合征、结肠癌以及焦虑症、抑郁症和自闭症等远期疾病相关联。儿童体内致病菌增加更会显著提升慢性自身免疫疾病长期风险。
"发育中的微生物组与免疫系统共同成长，这决定了我们终生的健康基础，"研究第一作者兼共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院儿科副教授兼UCLA Health新生儿科医生本·麦克丹加丹（Ben Macadangdang）指出，"当微生物组被破坏，我们会在后期观察到慢性疾病发病率上升。这为通过工程化改造婴儿肠道菌群预防健康风险提供了重要契机。"
DGRs最早在米勒实验室被发现。其作用机制是在基因组特定位置（因案例而异）替换DNA四碱基中的A，代之以C、G或T。
多数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精密契合。此类结合是细胞与外界互动的基础机制，结合蛋白的改变能拓展其交互能力，因此DGRs通过扩展微生物功能实现进化加速。
该系统可类比人类免疫系统产生新抗体的经典机制，但存在关键差异：每个重组抗体的免疫细胞仅操作一次，而DGRs能在同一细胞中反复引入突变。
DGRs更是更强大的多样性引擎。若将免疫系统产生的每种独特抗体比作一粒沙，所有沙粒仅能填满不足0.25%的帝国大厦；而DGR突变产生的独特蛋白质变体，其沙粒总量需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的拟杆菌属细菌基因组，发现DGRs数量丰富（平均每菌株1个，部分达5个）且高度多样化（识别出超1100种独特DGRs）。他们重点研究了靶向菌毛基因的DGR子集——菌毛是拟杆菌表面类似魔术贴纤维的毛发状附属物，使细菌能锚定其他微生物或表面。DGRs主要作用于增强菌毛黏附蛋白的多样性，表明其在拟杆菌适应新环境（包括每个人独特的肠道生态系统）中扮演关键角色。
"我们认为DGRs使细菌能快速改变菌毛的黏附对象，"麦克丹加丹解释道，"某种细菌可能适应某个人的肠道，但若试图定植他人，将面临截然不同的环境。找到新的结合目标赋予细菌竞争优势，这正是微生物组中存在大量DGRs的原因。"
研究还发现DGRs可通过"水平转移"在不同菌株间跳跃，使微生物在群落内共享这种适应性超能力。
为探究DGRs对新生儿肠道微生物组发育的影响，团队追踪分析了母婴在生命第一年的微生物组。特定DGRs从母亲传递给婴儿，后代中拟杆菌菌毛蛋白的DNA变异表明：DGRs改造微生物以助其在新环境中立足。这一发现揭示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研究深入探索DGRs。米勒表示："我们正处于早期阶段，这些发现引发诸多问题，我们才意识到对微生物组中DGRs的认知何其有限，更不知其应用潜力。我从未对未来如此期待。"
除麦克丹加丹外，共同通讯作者包括UCLA研究助理乌梅什·阿胡贾（Umesh Ahuja），其他合著者为UCLA的严凌王（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）。研究获美国国立卫生研究院和弗雷德·卡夫里捐赠基金支持。
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