Selective silencing of foreign DNA with low GC content by the H-NS protein in Salmonella

Science. 2006 Jul 14;313 (5784):236-8

隨著後基因體時代的來臨，目前已經有越來越多的細菌基因體被定序完成。而隨著序列資料越來越完整，我們也開始發現在細菌的基因體中存在許多外的基因片段。通常我們會分析DNA的GC組成，若是發現在某特定區域的GC組成低於總平均GC組成，通常這區域就是外來的DNA。

若是細菌的基因體中存在許多外來的基因，這些外來的基因若沒有被好好的控制，這些不受控制的基因表現將會很嚴重的影響細菌的能量利用以及環境適應性。所以細菌理應存在某些系統，可以辨識各式各樣不同的外來DNA，並抑制這些DNA的表現。過去的研究顯示，細菌有一家族的蛋白質屬於Nucleoid-associated protein，這家族的protein可與核酸結合，且這種結合通常不存在序列專一性。尤其是其中的一員，H-NS，過去的研究便顯示H-NS較偏好結合到彎曲的DNA位置，而容易彎曲的DNA通常也是AT含量比較高的地方。這或許就暗示了H-NS可以辨認屬於low GC content的外來基因。

作者為了證明這項假設，他們便利用Salmonella enterica sv. Typhimurium來進行實驗。首先他們先將H-NS剔除，再利用microarray比較野生株與突變株的基因表現。他們發現屬於外來基因的表現量在突變株中較高，且比較其GC content，也發現受H-NS抑制的基因通常屬於AT rich的基因（如Fig 1.所示）。但透過偵測基因表現的方式畢竟是較為間接，不能代表H-NS可以直接偵測到屬於外來基因的AT rich區域，故作者再利用chromatin immunoprecipitation偵測會與H-NS結合的DNA序列，在利用microarray偵測這些DNA是位在基因體的那個位置上。如Fig 2.所示，作者發現H-NS確實會直接與AT rich的序列結合，且若是再外送AT-rich的基因到Salmonella的基因體中表現，也會發現這些基因在H-NS突變株中表現會較高，且H-NS也比較容易與這外來基因位置結合。

故作者在這篇文章中發現H-NS這蛋白質可以做為細菌偵測並結合到外來基因上且抑制其表現的調控因子，同時在過去的研究中也顯示細菌中存在一些會與H-NS競爭AT rich位置的調控因子，故細菌也可透過控制這些”Anti-silencing agent” 來將外來基因的表現調控到最佳狀態，使對細菌有益的基因可以在適當時期表現出來（如Fig 3.所示）。故整體而言，細菌抵抗外來基因的方式，除了大家熟知的restriction enzyme系統之外，便是本篇文章中所提到的H-NS透過辨識AT rich的DNA序列，直接結合到這區域並選擇性的抑制這區域的基因表現。

Fig 1. 受H-NS抑制的基因大多屬於AT rich

Fig 2. 與H-NS結合的DNA通常屬於AT rich的區域

Fig 3. 細菌可以透過H-NS以及anti-silencing agent的調控來控制外來基因的表現，使整體的基因表現能讓細菌最適合生存下去。