DNA缠结可以帮助预测突变的进化

根据巴斯大学米尔纳进化中心的一项新研究，解开的 DNA 中的缠结可以在细菌基因组中产生突变热点。该研究的作者说，这些发现将帮助我们在未来预测细菌和病毒随时间的进化，这有助于疫苗设计和更好地了解抗生素耐药性。

虽然大多数进化是由自然选择形成的，只有那些适应环境的个体才能生存并传递他们的基因，但发表在《自然通讯》上的一项新研究表明，进化也受到 DNA 链缠结的影响。

由巴斯大学与伯明翰大学合作领导的一组科学家研究了两种土壤细菌荧光假单胞菌(SBW25 和 Pf0-1)的进化。

当科学家们去除了一个使细菌能够游泳的基因时，两种细菌菌株都迅速进化出再次游泳的能力，但使用的路线完全不同。

其中一种菌株(称为 SBW25)总是使特定基因的同一部分发生突变以重新获得移动性。

然而，每次科学家重复实验时，另一种菌株(称为 Pf0-1)在不同基因的不同位置发生突变。

为了理解为什么一种菌株的进化可以预测而另一种是不可预测的，他们比较了两种菌株的 DNA 序列。他们发现，在以可预测的方式发生突变的 SBW25 菌株中，有一个区域的 DNA 链在其自身上回环，形成一个发夹状的缠结。

这些缠结会破坏细胞机器，称为 DNA 聚合酶，它在细胞分裂过程中复制基因，因此更有可能发生突变。

当该团队使用六个沉默突变(不改变产生的蛋白质的序列)去除发夹结构时，这消除了突变热点，细菌开始以更广泛的方式进化以恢复其游泳能力。

米尔纳进化中心的蒂芙尼·泰勒博士说：“DNA 通常形成双螺旋结构，但当 DNA 被复制时，链会短暂分离。

“我们发现 DNA 中存在热点，其中序列导致分离的 DNA 链重新扭曲——有点像拉开绳子的链——这会导致缠结。

“当 DNA 聚合酶沿着链运行以复制基因时，它会碰到缠结并跳过，导致突变。

“我们的实验表明，我们能够通过改变序列以引起或防止发夹缠结来创建或去除基因组中的突变热点。

“这表明，虽然自然选择仍然是进化中最重要的因素，但也有其他因素在起作用。

“如果我们知道细菌或病毒中潜在的突变热点在哪里，它可能有助于我们预测这些微生物如何在选择压力下发生突变。”

已经在癌细胞中发现了突变热点，研究人员计划在包括重要病原体在内的一系列细菌物种中寻找它们。

这些信息可以帮助科学家更好地了解细菌和病毒的进化方式，从而有助于开发针对新疾病变种的疫苗。它还可以更容易地预测微生物如何对抗生素产生抗药性。

James Horton 博士，他最近完成了他的博士学位。在米尔纳进化中心，他说：“像许多令人兴奋的发现一样，这是偶然发现的。我们正在研究的突变是所谓的无声突变，因为它们不会改变产生的蛋白质序列，所以最初我们不认为它们特别重要。

“然而，我们的发现从根本上挑战了我们对沉默突变在适应中所起作用的理解。”

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