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Nature子刊：DNA缠结可以帮助预测突变的进化

时间：2021-10-20 00:00:00 来源：网络整理

根据巴斯大学米尔纳进化中心的一项新研究，解开的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。

虽然大多数进化都是由自然选择决定的，只有那些适应了环境的个体才能生存下来并将他们的基因传递下去，但发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志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。

当科学家移除一种能让细菌游泳的基因后，这两种细菌都迅速进化出了再次游泳的能力，但使用的路线截然不同。

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，从而重新获得活动能力。

然而，每次科学家重复实验时，另一种菌株(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链重新绕回自身，形成一个发夹形状的缠结。

这些缠结会破坏被称为DNA聚合酶的细胞机制，而DNA聚合酶在细胞分裂过程中复制基因，从而使突变更容易发生。

当研究小组使用6个沉默突变(不改变产生的蛋白质序列)移除发夹结构时，突变热点消失了，细菌开始以更广泛的方式进化，以恢复其游动能力。

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，这些链会短暂地分开。”

“我们发现DNA中有一些热点区域，在这些区域，序列会导致分离的DNA链重新缠绕在一起——有点像当你拉开一股绳子时，会导致缠结。

“当DNA聚合酶沿着DNA链运行复制基因时，它会撞到缠结中并跳过，导致突变。

“我们的实验表明，我们能够通过改变序列来产生或消除基因组中的突变热点，从而导致或防止发夹缠结。

“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如何在选择压力下发生突变。”

在癌细胞中已经发现了突变热点，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变异疾病的疫苗。它还可以更容易地预测微生物如何对抗生素产生耐药性。

詹姆斯·霍顿博士最近在米尔纳进化中心完成了他的博士学位，他说:“就像许多令人兴奋的发现一样，这是偶然发现的。我们观察的突变是所谓的沉默突变，因为它们不会改变产生的蛋白质序列，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起作用的理解。”

DOI

10.1038 / s41467 - 021 - 26286 - 9

文章标题

A mutational hotspot that determines highly repeatable evolution can be built and broken by silent genetic changes



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