一項(xiàng)新研究描述了染色體上蛋白質(zhì)機(jī)器之間正面碰撞如何破壞DNA復(fù)制并提高基因突變率，幫助細(xì)菌在惡劣環(huán)境中生存，抵抗抗生素，以及通過免疫防御進(jìn)行鈍性攻擊。該研究發(fā)表在Cell雜志上。西雅圖華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)助理教授Houra Merrikh領(lǐng)導(dǎo)該研究小組。

她說，研究結(jié)果表明這些正面碰撞是細(xì)菌控制其進(jìn)化的過程的一部分，通過加速參與應(yīng)對(duì)新條件的關(guān)鍵基因的突變。

“這些碰撞可以作為一種機(jī)制，在細(xì)菌生命中至關(guān)重要的條件下促進(jìn)適應(yīng)，例如適應(yīng)環(huán)境壓力，或者在致病細(xì)菌的情況下，適應(yīng)感染期間宿主細(xì)胞內(nèi)的條件”Merrikh說。

研究人員研究了兩種類型的分子機(jī)器之間發(fā)生的碰撞，這些分子機(jī)器是沿著染色體爬行的大型蛋白質(zhì)復(fù)合物，因?yàn)樗鼈?ldquo;讀取”染色體DNA序列中編碼的遺傳指令。

其中一種稱為RNA聚合酶的機(jī)器使用基因編碼的指令來組裝RNA鏈，稱為信使RNA(稱為mRNA)。細(xì)胞將使用該鏈作為模板來合成蛋白質(zhì)，這一過程稱為轉(zhuǎn)錄。

另一臺(tái)機(jī)器的工作，稱為replisome，是在細(xì)胞分裂過程中制作染色體的副本，這個(gè)過程稱為復(fù)制。這使得細(xì)胞的后代都有自己的染色體。在這些過程的每一個(gè)過程中，必須打開雙鏈DNA的兩條鏈，以便可以讀取含有遺傳密碼的DNA序列。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)基因都面向復(fù)制，所以這些機(jī)器通常沿著染色體的方向行進(jìn)。由于replisomes運(yùn)行得更快，它們有時(shí)會(huì)超過較慢的RNA聚合酶并導(dǎo)致追尾碰撞。

雖然這些沖突可能會(huì)干擾復(fù)制，但中斷通常很小。在這些情況下，細(xì)胞具有快速解決這些問題的機(jī)制。

然而，有些基因在染色體內(nèi)“向后”編碼。當(dāng)需要表達(dá)這些基因時(shí)，RNA聚合酶必須以與通常方向相反的方向行進(jìn)，并且發(fā)生RNA聚合酶和復(fù)制體之間的正面碰撞。

這些正面碰撞對(duì)復(fù)制和轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生了更大的影響。它們還增加了這些“倒退”基因中遺傳錯(cuò)誤的頻率。

之前的研究表明，兩臺(tái)機(jī)器因?yàn)樗鼈儗?shí)際上直接接觸而停止，或者當(dāng)它們彼此接近時(shí)，它們之間的DNA會(huì)扭曲成緊密的線圈，從而檢查它們的進(jìn)展。

雖然這些可能是因素，但在新研究中，威斯康星大學(xué)的研究人員證明了另一種機(jī)制可以解釋為什么正面碰撞是如此具有破壞性以及它們?nèi)绾卧黾幽承┗蛲蛔兊男纬伞?/p>

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些碰撞發(fā)生時(shí)，由RNA聚合酶組裝的信使RNA鏈實(shí)際上與其后面的一條DNA鏈結(jié)合。該鏈在轉(zhuǎn)錄過程中被打開了。這種結(jié)合產(chǎn)生RNA：DNA雜合體，稱為R-環(huán)(用于RNA環(huán))，其有效阻斷復(fù)制。

研究人員發(fā)現(xiàn)封鎖非常有效，如果沒有去除R環(huán)的酶，細(xì)菌就會(huì)死亡。

但是，如果它們構(gòu)成這樣的威脅，為什么這些落后的正面基因存在呢?事實(shí)證明，這些正面基因中的大多數(shù)是在細(xì)菌處于壓力下時(shí)被打開的基因，例如，當(dāng)它們暴露于惡劣環(huán)境時(shí)。

Merrikh和她的同事們假設(shè)在這些高壓力情況下，正面碰撞會(huì)增加這些應(yīng)激反應(yīng)基因的突變。這些突變中的一些可以增加細(xì)菌的后代在未來類似條件下存活和繁殖的機(jī)會(huì)。

Merrikh實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Kevin Lang和該研究的第一作者表示，這種機(jī)制似乎是一種權(quán)衡：細(xì)菌接受了正面碰撞破壞復(fù)制并增加有害突變的同時(shí)，它們也促進(jìn)了潛力關(guān)鍵基因的有益突變，使他們能夠在困難的條件下生存。

“我們研究的細(xì)菌之一，單核細(xì)胞增生李斯特氏菌，可以生活在各種環(huán)境中，如冰箱里的咸味食物，或者，當(dāng)你被感染時(shí)，在你的細(xì)胞中，”他解釋說“為了在如此眾多的生態(tài)環(huán)境中生存，你有能夠迅速發(fā)展和進(jìn)化。“