根據(jù)巴斯大學(xué)米爾納進(jìn)化中心的一項(xiàng)新研究，解開(kāi)的DNA中的纏結(jié)可以在細(xì)菌的基因組中形成突變熱點(diǎn)。 研究人員稱，這些發(fā)現(xiàn)將幫助我們?cè)谖磥?lái)預(yù)測(cè)細(xì)菌和病毒隨著時(shí)間的推移而發(fā)生的進(jìn)化，這可能有助于疫苗的設(shè)計(jì)和更好地了解抗生素的抗性。

雖然大多數(shù)進(jìn)化是由自然選擇形成的，即只有那些適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體才能生存并傳遞他們的基因，但發(fā)表在《Nature Communications》上的一項(xiàng)新研究表明，進(jìn)化還受到DNA鏈中糾結(jié)的影響。

由巴斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科學(xué)家小組跟伯明翰大學(xué)合作，其研究了土壤細(xì)菌熒光假單胞菌的兩個(gè)菌株(SBW25和Pf0-1)的進(jìn)化。

當(dāng)科學(xué)家們刪除了一個(gè)使細(xì)菌能游泳的基因時(shí)，這兩個(gè)菌株很快又進(jìn)化出了游泳的能力，但使用的途徑完全不同。

其中一個(gè)菌株(稱為SBW25)總是對(duì)一個(gè)特定基因的相同部分進(jìn)行突變以重新獲得流動(dòng)性。

而另一個(gè)菌株(稱為Pf0-1)在科學(xué)家們每次重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)都在不同基因的不同地方發(fā)生突變。

為了了解為什么一個(gè)菌株的進(jìn)化是可預(yù)測(cè)的而另一個(gè)是不可預(yù)測(cè)的，研究人員比較了這兩個(gè)菌株的DNA序列。他們發(fā)現(xiàn)，在以可預(yù)測(cè)方式發(fā)生突變的SBW25菌株中，有一個(gè)區(qū)域的DNA鏈繞回自身并形成一個(gè)發(fā)夾狀糾結(jié)。

這些纏結(jié)會(huì)破壞細(xì)胞機(jī)械，即DNA聚合酶，它會(huì)在細(xì)胞分裂期間復(fù)制基因，因此這使得突變更有可能發(fā)生。

當(dāng)研究小組使用六個(gè)沉默突變(不改變產(chǎn)生的蛋白質(zhì)序列)去除發(fā)夾結(jié)構(gòu)時(shí)，這廢除了突變熱點(diǎn)，細(xì)菌開(kāi)始以更廣泛的方式進(jìn)化以恢復(fù)其游泳能力。

米爾納進(jìn)化中心的Tiffany Taylor博士表示：“DNA通常會(huì)形成一個(gè)雙螺旋結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)DNA被復(fù)制時(shí)，鏈子會(huì)短暫分離。我們發(fā)現(xiàn)在DNA中存在一些熱點(diǎn)，在這些熱點(diǎn)中，序列導(dǎo)致分離的DNA鏈在自己身上扭曲--有點(diǎn)像你拉開(kāi)繩子的鏈子--這導(dǎo)致了糾纏。當(dāng)DNA聚合酶沿著鏈子運(yùn)行以復(fù)制基因時(shí)，它撞上了糾結(jié)并可能跳過(guò)，進(jìn)而導(dǎo)致突變。我們的實(shí)驗(yàn)表明，我們能通過(guò)改變序列來(lái)創(chuàng)造或消除基因組中的突變熱點(diǎn)從而導(dǎo)致或防止發(fā)夾糾結(jié)。這表明，雖然自然選擇仍是進(jìn)化中最重要的因素，但也有其他因素在發(fā)揮作用。如果我們知道細(xì)菌或病毒的潛在突變熱點(diǎn)在哪里，這可能有助于我們預(yù)測(cè)這些微生物在選擇壓力下如何突變。”

突變熱點(diǎn)已經(jīng)在癌細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，研究人員計(jì)劃在一系列細(xì)菌物種中尋找它們，其中包括重要的病原體。

這些信息可以幫助科學(xué)家更好地了解細(xì)菌和病毒是如何進(jìn)化的，這可以幫助開(kāi)發(fā)針對(duì)疾病新變種的疫苗。它還可以使人們更容易預(yù)測(cè)微生物可能如何發(fā)展對(duì)抗生素的抗性。

最近在米爾納進(jìn)化中心完成其博士學(xué)位的James Horton表示：“像許多令人興奮的發(fā)現(xiàn)一樣，這也是偶然發(fā)現(xiàn)的。我們正在研究的突變是沉默的，因?yàn)樗鼈儾桓淖兯a(chǎn)生的蛋白質(zhì)序列，所以最初我們認(rèn)為它們不是特別重要。然而，我們的發(fā)現(xiàn)從根本上挑戰(zhàn)了我們對(duì)沉默突變?cè)谶m應(yīng)中所發(fā)揮的作用的理解。”

關(guān)鍵詞： 研究 DNA 纏結(jié) 細(xì)菌