巴斯大学米尔纳进化中心(Milner Centre for Evolution at University of Bath)的一项新研究表明，解开后的DNA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着时间的推移的进化，这可能有助于疫苗设计和更好地理解抗生素耐药性。
虽然大多数进化是由自然选择塑造的，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》(Nature Communications)上的一项新研究表明，进化也受到DNA链缠结的影响。
由巴斯大学和伯明翰大学合作领导的一个科学家小组观察了两种土壤细菌荧光假单胞菌(SBW25和Pf0-1)的进化。
当科学家们移除使这种细菌能够游泳的基因后，这两种细菌很快又进化出了游泳的能力，但它们使用的是完全不同的路线。
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，以恢复流动性。
然而，另一种菌株(称为Pf0-1)在每次科学家重复实验时，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是可预测的，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链回环自身形成了一个发夹状的纠结。
这些缠结可以破坏被称为DNA聚合酶的细胞机制，DNA聚合酶在细胞分裂时复制基因，从而使突变更容易发生。
当研究小组使用六种无声突变(不改变产生的蛋白质的序列)去除发夹结构时，突变热点消失了，细菌开始以更广泛的方式进化，以恢复其游泳能力。
来自米尔纳进化中心的蒂凡尼·泰勒博士说:“DNA通常形成双螺旋结构，但当DNA被复制时，这些链会短暂分离。
“我们发现DNA中有一些热点，在那里，序列会导致分离的DNA链自己扭回去——有点像当你拉开一根绳子时——这会导致一团乱。”
当DNA聚合酶沿着DNA链复制基因时，它会撞到缠结处，并跳过，导致基因突变。
“我们的实验表明，我们能够通过改变序列来引起或防止发夹缠结，来创造或消除基因组中的突变热点。
“这表明，虽然自然选择仍然是进化过程中最重要的因素，但还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，这可能有助于我们预测这些微生物在选择压力下如何发生突变。”
已经在癌细胞中发现了突变热点，研究人员计划在一系列细菌物种中寻找突变热点，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，这有助于开发针对新型疾病的疫苗。它还可以让我们更容易预测微生物是如何对抗生素产生耐药性的。
詹姆斯·霍顿博士最近刚在米尔纳进化中心完成他的博士学位，他说:“像许多激动人心的发现一样，这是偶然发现的。我们所研究的突变被称为沉默突变，因为它们不会改变最终的蛋白质序列，所以最初我们并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发挥作用的理解。”
参考:
James S. Horton, Louise M. Flanagan, Robert W. Jackson, Nicholas K. Priest, Tiffany B. Taylor。一个mutatio 决定高度可重复进化的热点可以被沉默的基因变化所建立和打破。自然通讯,2021;12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-26286-9
