研究：DNA链中的“缠结”可以帮助预测突变的演变

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的基因组中形成突变热点。研究人员称，这些发现将帮助我们在未来预测细菌和病毒随着时间的推移而发生的进化，这可能有助于疫苗的设计和更好地了解抗生素的抗性。

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虽然大多数进化是由自然选择形成的，即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《Nature Communications》上的一项新研究表明，进化还受到DNA链中纠结的影响。

由巴斯大学领导的一个科学家小组跟伯明翰大学合作，其研究了土壤细菌荧光假单胞菌的两个菌株（SBW25和Pf0-1）的进化。

当科学家们删除了一个使细菌能游泳的基因时，这两个菌株很快又进化出了游泳的能力，但使用的途径完全不同。

其中一个菌株（称为SBW25）总是对一个特定基因的相同部分进行突变以重新获得流动性。

而另一个菌株（称为Pf0-1）在科学家们每次重复实验时都在不同基因的不同地方发生突变。

为了了解为什么一个菌株的进化是可预测的而另一个是不可预测的，研究人员比较了这两个菌株的DNA序列。他们发现，在以可预测方式发生突变的SBW25菌株中，有一个区域的DNA链绕回自身并形成一个发夹状纠结。

这些缠结会破坏细胞机械，即DNA聚合酶，它会在细胞分裂期间复制基因，因此这使得突变更有可能发生。

当研究小组使用六个沉默突变（不改变产生的蛋白质序列）去除发夹结构时，这废除了突变热点，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Tiffany Taylor博士表示：“DNA通常会形成一个双螺旋结构，但是当DNA被复制时，链子会短暂分离。我们发现在DNA中存在一些热点，在这些热点中，序列导致分离的DNA链在自己身上扭曲--有点像你拉开绳子的链子--这导致了纠缠。当DNA聚合酶沿着链子运行以复制基因时，它撞上了纠结并可能跳过，进而导致突变。我们的实验表明，我们能通过改变序列来创造或消除基因组中的突变热点从而导致或防止发夹纠结。这表明，虽然自然选择仍是进化中最重要的因素，但也有其他因素在发挥作用。如果我们知道细菌或病毒的潜在突变热点在哪里，这可能有助于我们预测这些微生物在选择压力下如何突变。”

突变热点已经在癌细胞中被发现，研究人员计划在一系列细菌物种中寻找它们，其中包括重要的病原体。

这些信息可以帮助科学家更好地了解细菌和病毒是如何进化的，这可以帮助开发针对疾病新变种的疫苗。它还可以使人们更容易预测微生物可能如何发展对抗生素的抗性。

最近在米尔纳进化中心完成其博士学位的James Horton表示：“像许多令人兴奋的发现一样，这也是偶然发现的。我们正在研究的突变是沉默的，因为它们不改变所产生的蛋白质序列，所以最初我们认为它们不是特别重要。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发挥的作用的理解。”

关键词： 科学探索 研究：DNA链中的“缠结”可以帮助预测突变的演变