どこへ行くにも、私たちは消化管にヒトの細胞数を上回る数の微生物集団を抱えています。このマイクロバイオームは、腸、脳、免疫システムの健康と重要なつながりを持っています。常在する微生物の中には、ビタミン、抗酸化物質、栄養素、その他の有用な化合物を生産するものもいます。直接的な影響が中立的と思われる微生物でさえ、有害な微生物が侵入しにくくするためのスペースを占有しています。腸内マイクロバイオームについてはまだ理解されていないことが多いですが、健康との関連性は、病気に対処するためにこのコミュニティをキュレートする可能性を示唆しています。UCLAのカリフォルニア・ナノシステム研究所（CNSI: California NanoSystems Institute at UCLA）の研究チームによる新たな発見は、その方向への有望な一歩を示しています。
科学者たちは、多様性生成逆行性エレメント（DGRs: diversity-generating retroelements）と呼ばれるものによって駆動される、微生物の遺伝子を変化させる既知のメカニズムを調査しました。DGRsは、バクテリアのゲノムの特定のホットスポットにランダムな変異を作り出すために協働する遺伝子の集まりを運びます。事実上、DGRsは宿主の進化を加速させ、微生物が変化し適応することを可能にします。
DGRsは、これまで測定された地球上の他のどの環境よりも、腸内マイクロバイオームでより一般的に見られます。しかし、腸内での彼らの役割はこれまで調査されていませんでした。
2025年10月9日に『Science』誌に掲載された研究で、チームは健康な消化管で一般的に見られるバクテリアを調査しました。彼らは、これらの微生物のDGRsの約4分の1が、新しい環境でコロニーを成長させるために付着するのに不可欠な遺伝子を標的にしていることを発見しました。研究者たちはまた、DGRsがうまく移動することも実証しました。DGRsはバクテリアのある株から近くの他の株に移ることができ、乳児は母親からDGRsを受け継ぎ、それが腸内マイクロバイオームの立ち上げを助けているように見えます。この『Science』誌の記事は「「Targeted Protein Evolution in the Gut Microbiome by Diversity-Generating Retroelements（多様性生成逆行性エレメントによる腸内マイクロバイOムでの標的タンパク質進化）」」と題されています。
「マイクロバイオームにおける真の謎の一つは、バクテリアが私たちにどのようにして定着するかです」と、CNSIのディレクターであり、ナノシステム科学のフレッド・カヴリ講座教授、UCLAの微生物学・免疫学・分子遺伝学の教授である、上級著者のジェフ・F・ミラー博士（Jeff F. Miller, PhD）は述べています。「それは人間の生理機能と密接に関連した非常に動的なシステムであり、DGRsに関するこの知識は、いつの日か健康を促進する有益なマイクロバイオームを設計するために応用できるかもしれません。」
腸内マイクロバイオームの変化は、炎症性腸疾患、クローン病、メタボリックシンドローム、結腸がん、そしてより遠くには不安、うつ病、自閉症などの状態と関連づけられてきました。子供における病原性バクテリアの増加は、慢性的な自己免疫疾患の長期的なリスク上昇と関連しています。
「発達中のマイクロバイオームは、私たちの発達中の免疫システムとつながっており、それが残りの人生の基盤となります」と、筆頭著者であり共同責任著者であるベン・マカダンダン医師（Ben Macadangdang, MD）は述べています。彼はUCLA Healthの新生児専門医であり、UCLAデビッド・ゲフェン医学部の小児科助教授です。「マイクロバイオームが乱されると、後年になって慢性疾患の発生率が高くなります。これは、これらのリスクを防ぐために乳児の腸内マイクロバイオームを設計する強力な機会を示しています。」
DGRsは、ミラー博士の研究室で最初に発見されました。ゲノム内のある一点（ケースごとに異なります）で、DGRsはDNAを構成する4文字のアルファベットからAの文字を置き換え、その場所にC、G、またはTを追加します。
多くのDGRsは、結合タンパク質（つまり、パズルのピースのように他の分子と適合するタンパク質）の形状を決定する遺伝子を標的にします。このタイプの結合は、細胞が周囲の世界と相互作用するための基本的なメカニズムです。結合タンパク質の変化は、相互作用のレパートリーを拡大する可能性があり、そのためDGRsは微生物の能力を拡大する方法で進化を加速させます。
このシステムは、生物学がタンパク質をリミックスする、より馴染みのある方法、すなわち、認識できる侵入者の名簿を拡大するためにヒトの免疫システムが新しい抗体を生産することと比較できます。しかし対照的に、抗体を組み換える各免疫細胞はそれを一度しか行いませんが、DGRsは同じ細胞内で何度も変異を導入できます。
DGRsはまた、多様性を広げるための非常により強力なエンジンでもあります。免疫システムによって作られるユニークな抗体の一つひとつが砂粒だとしたら、それらの粒はエンパイア・ステート・ビルディングの0.25%未満しか満たせません。対照的に、DGRsによって変異したタンパク質のユニークなバリエーションに匹敵する砂粒を収容するには、2億7000万個のエンパイア・ステート・ビルディングが必要になります。
ミラー博士と同僚たちは、腸内マイクロバイオームで頻繁に見られるバクテロイデス属のバクテリアのゲノムを調査しました。この集団ではDGRsが豊富で、平均して1株あたり1つあり、中には5つも持つ株もありました。それらは多様でもあり、1,100を超えるユニークなDGRsが特定されました。
研究者たちは、バクテロイデスから突き出た線毛（pili）と呼ばれる毛のような付属器官の遺伝子を標的とするDGRsのサブセットに焦点を当てました。線毛はベルクロの繊維のように協働し、バクテリアが他の微生物や表面に自身を固定することを可能にします。DGRsは主に、線毛が付着するのを助けるタンパク質を多様化するために機能しました。これは、DGRsが、一人ひとりの腸内マイクロバイオームというユニークな環境を含む、新しい場所に適応するバクテロイデスにおいて重要な役割を果たしていることを示唆しています。
「DGRsは、バクテリアが線毛の接着先を迅速に変更できるようにすると考えています」とマカダンダン医師は述べました。「あるバクテリアは、ある人の腸に最適化されているかもしれませんが、それが外に出て他の誰かに定着しようとすると、非常に異なる環境に遭遇します。結合する新しい何かを見つけることはバクテリアに利点をもたらし、それが私たちがマイクロバイオーム内で非常に多くのDGRsを見る理由だと考えています。」
この研究はまた、DGRsが水平伝播と呼ばれるプロセスを通じて、バクテリアのある株から別の株へ飛び移ることができることも発見しました。そのようにして、微生物は彼らの適応的な超能力を、周囲のより大きなコミュニティ内で共有しているようです。
DGRsが新生児の腸内マイクロバイオームの発達にどのように影響するかを調べるために、チームは母親とその子供たちの生後1年間のマイクロバイオームを分析しました。特定のDGRsが母親から乳児へと伝達されていました。子孫において、研究者たちはバクテロイデスの線毛タンパク質のDNAの変化を特定し、DGRsが新しい家で店を構えるのを助けるためにバクテリアを変化させたことを示しました。この発見は、DGRsが発達中のマイクロバイオームを確立するために重要なメカニズムの一つであることを示唆しています。
研究者たちは、実験室モデルやヒトでの観察研究を用いて、DGRsと腸内マイクロバイオームについてさらに深く掘り下げることを計画しています。彼らは、現在の研究での洞察が、人間の健康を改善する将来の発見や、さらには遺伝子工学の新しい方法を生み出すための出発点になるかもしれないと信じています。
「私たちはまだ本当に初期段階にいます」とミラー博士は言いました。「これが提起する疑問は非常に多く、私たちはマイクロバイオームにおけるDGRsについて、あるいはそれを応用して何が得られるかについて、どれほど知らないかを認識し始めたばかりです。次に何が来るかについて、これほど興奮したことはありません。」
UCLAのリサーチ・アソシエイトであるウメシュ・アフジャ氏（Umesh Ahuja）は、この研究の共同責任著者です。他の共著者は、いずれもUCLAのヤンリン・ワン氏（Yanling Wang）、コーラ・ウッドワード氏（Cora Woodward）、ジェシカ・レビーラ氏（Jessica Revilla）、ベネット・ショー氏（Bennett Shaw）、ケイヴァン・ササニニア氏（Kayvan Sasaninia）、ギリアン・ヴァーナム氏（Gillian Varnum）、サラ・マカナニ氏（Sara Makanani）、およびカルテックのキアラ・ベルート氏（Chiara Berruto）です。
