根據巴斯大學米爾納進化中心的一項新研究，解開的DNA中的纏結可以在細菌的基因組中形成突變熱點。研究人員稱，這些發現將幫助我們在未來預測細菌和病毒隨着時間的推移而發生的進化，這可能有助於疫苗的設計和更好地了解抗生素的抗性。
雖然大多數進化是由自然選擇形成的，即只有那些適應環境的個體才能生存並傳遞他們的基因，但發表在《Nature Communications》上的一項新研究表明，進化還受到DNA鏈中糾結的影響。
由巴斯大學領導的一個科學家小組跟伯明翰大學合作，其研究了土壤細菌熒光假單胞菌的兩個菌株（SBW25和Pf0-1）的進化。
當科學家們刪除了一個使細菌能游泳的基因時，這兩個菌株很快又進化出了游泳的能力，但使用的途徑完全不同。
其中一個菌株（稱為SBW25）總是對一個特定基因的相同部分進行突變以重新獲得流動性。
而另一個菌株（稱為Pf0-1）在科學家們每次重複實驗時都在不同基因的不同地方發生突變。
為了了解為什麼一個菌株的進化是可預測的而另一個是不可預測的，研究人員比較了這兩個菌株的DNA序列。他們發現，在以可預測方式發生突變的SBW25菌株中，有一個區域的DNA鏈繞回自身並形成一個髮夾狀糾結。
這些纏結會破壞細胞機械，即DNA聚合酶，它會在細胞分裂期間複製基因，因此這使得突變更有可能發生。
當研究小組使用六個沉默突變（不改變產生的蛋白質序列）去除髮夾結構時，這廢除了突變熱點，細菌開始以更廣泛的方式進化以恢復其游泳能力。
米爾納進化中心的Tiffany Taylor博士表示：“DNA通常會形成一個雙螺旋結構，但是當DNA被複制時，鏈子會短暫分離。我們發現在DNA中存在一些熱點，在這些熱點中，序列導致分離的DNA鏈在自己身上扭曲–有點像你拉開繩子的鏈子–這導致了糾纏。當DNA聚合酶沿着鏈子運行以複製基因時，它撞上了糾結並可能跳過，進而導致突變。我們的實驗表明，我們能通過改變序列來創造或消除基因組中的突變熱點從而導致或防止髮夾糾結。這表明，雖然自然選擇仍是進化中最重要的因素，但也有其他因素在發揮作用。如果我們知道細菌或病毒的潛在突變熱點在哪裡，這可能有助於我們預測這些微生物在選擇壓力下如何突變。”
突變熱點已經在癌細胞中被發現，研究人員計劃在一系列細菌物種中尋找它們，其中包括重要的病原體。
這些信息可以幫助科學家更好地了解細菌和病毒是如何進化的，這可以幫助開發針對疾病新變種的疫苗。它還可以使人們更容易預測微生物可能如何發展對抗生素的抗性。
最近在米爾納進化中心完成其博士學位的James Horton表示：“像許多令人興奮的發現一樣，這也是偶然發現的。我們正在研究的突變是沉默的，因為它們不改變所產生的蛋白質序列，所以最初我們認為它們不是特別重要。然而，我們的發現從根本上挑戰了我們對沉默突變在適應中所發揮的作用的理解。”