跳跃基因——人类肠道细菌发生性行为分享维生素B12
人体肠道中细菌的插图。图片来源：Darryl Leja，国家人类基因组研究所，美国国立卫生研究院，NIH
必需营养素通过“跳跃基因”在细胞之间传递。
你的肠道细菌和你一样需要维生素 B12。尽管DNA通常从父母传给孩子，但新的研究表明，肠道细菌通过“性”转移基因以获取维生素。
没有维生素 B12，大多数类型的活细胞都无法发挥作用。因此，在自然界中存在着激烈的竞争。加州大学河滨分校的一项新研究表明，有益的肠道微生物具有通过一种称为细菌性行为的过程相互获取这种宝贵资源的能力。
“这个过程涉及一个细胞形成一个管子，DNA 可以通过这个管子进入另一个细胞，”UCR 微生物学家和研究负责人 Patrick Degnan 说。“就好像两个人发生了性关系，现在他们都有了红头发。”
维生素 B12 的分子模型，它对人类及其有益肠道细菌的健康至关重要。
几十年来，科学家们已经知道这个过程，以及它在生物体之间转移所谓的“跳跃基因”的能力。到目前为止，大多数研究的例子都有助于在人们摄入抗生素时帮助细菌细胞保持活力。
“我们对这项研究感到兴奋，因为它表明这一过程不仅适用于抗生素耐药性。微生物之间的水平基因交换可能用于任何增加它们生存能力的事情，包括共享维生素 B12，”德格南说。
该研究结果已发表在《细胞报告》杂志上。
此前，Degnan 参与了一个项目，在该项目中，他和他的同事确定了一种重要的转运蛋白，负责将 B12 导入肠道微生物细胞。最近，他正在研究跳跃基因，试图确定它们传递的信息类型。很快，Degnan 将维生素 B12 转运蛋白识别为货物。
拟杆菌可构成人体肠道中高达 30% 的正常微生物群。（NOAA/OpenStax 微生物学）
为了证明他们的怀疑，Degnan 和他的团队混合了可以运输 B12 的细菌和一些不能运输的细菌。一起放在盘子上让细菌有机会形成一个称为性菌毛的管子，从而促进转移。之后，他们发现以前无法运输 B12 的细菌都还活着，并获得了能够运输 B12 的基因。
“在给定的生物体中，我们可以看到类似指纹的 DNA 条带。B12 转运蛋白的接受者有一条额外的条带，显示他们从捐赠者那里获得的新 DNA，”Degnan 说。
该实验不仅在试管中成功，而且在小鼠体内也成功。
研究中使用的有益肠道细菌类型是拟杆菌属，它存在于大多数人的大肠中。他们对人类最重要的服务之一是分解复杂的碳水化合物以获取能量。
“来自红薯、豆类、全谷物和蔬菜的大而长的分子将完全在没有这些细菌的情况下通过我们的身体。他们将它们分解，这样我们就可以从它们那里获得能量，”德格南解释道。
拟杆菌属以及其他细菌也为我们的肠道提供了一层屏障，可以帮助限制病原体的入侵。例如，由加州大学河滨分校的共同作者 Ansel Hsiao 领导的先前研究表明，一些人的肠道内有微生物群落，这使他们对霍乱更具抵抗力。
鉴于他们提供的重要服务，学习如何保持这些细菌的健康也可以帮助人们造福。
“没有一种方法可以拥有健康的微生物组，但总的来说，拥有多样化的厌氧菌群落是一件健康的事情，并且可以产生有益的影响，”Degnan 说。
参考文献：“维生素 B 12转运蛋白的动员改变了人类肠道微生物的竞争动态”，Katie A. Frye、Varadh Piamthai、Ansel Hsiao 和 Patrick H. Degnan，2021 年 12 月 28 日，Cell Reports。
DOI: 10.1016/j.celrep.2021.110164