夏斌課題組綜述細菌外源基因沉默因子的DNA識別機制及其在細菌進化過程中的重要作用
??? ? ? 基因水平轉(zhuǎn)移幫助細菌從環(huán)境中獲取外源基因，是細菌進化的重要推動力，亦是毒力基因和耐藥基因在不同細菌中傳播的主要途徑。但新獲取的外源基因不受調(diào)控的表達往往會對細菌造成不利影響。為此，細菌利用外源基因沉默因子識別外源基因并抑制其表達，這一機制被稱為“外源基因沉默”。在適當條件下，這種抑制作用可被解除，外源基因發(fā)揮功能，提升細菌的生存競爭力。目前，研究者已經(jīng)在不同種類的細菌中發(fā)現(xiàn)了幾類不同的外源基因沉默因子，包括分布于γ-變形菌綱的H-NS和MvaT，在α、β、γ-變形菌綱均有分布的Bv3F，在放線菌門細菌中廣泛存在的Lsr2，以及主要存在于芽孢桿菌屬的Rok（圖1）。它們均利用其C-端DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域識別富含AT堿基的外源基因，并通過N-端結(jié)構(gòu)域自聚合，改變DNA結(jié)構(gòu)，抑制轉(zhuǎn)錄，調(diào)控大量外源基因特別是許多毒力基因和耐藥基因的表達。
圖1. 外源基因沉默因子H-NS、Bv3F、MvaT、Rok和Lsr2在不同細菌中的分布
?過去十余年來，夏斌教授課題組與加拿大多倫多大學的Jun Liu教授和William Wiley Navarre教授，以及美國哈佛大學的Simon Dove教授等課題組合作，系統(tǒng)地闡明了目前已知的細菌外源基因沉默因子Lsr2、H-NS、Bv3F、MvaT和Rok等的三維空間結(jié)構(gòu)和選擇性識別DNA的分子機制。相關(guān)研究工作發(fā)表在Proc Natl Acad Sci U S A (2010, 107: 5154-9; 2011, 108: 10690-5)、Curr Opin Microbiol (2012, 15: 175-81)、PLoS Pathog (2015, 11: e1004967)、及Nucleic Acids Res (2018, 46: 10514-29)等學術(shù)雜志上。近期，課題組在Molecular Biology and Evolution雜志上發(fā)表綜述文章“Xenogeneic Silencing and Bacterial Genome Evolution: Mechanisms for DNA Recognition Imply Multifaceted Roles of Xenogeneic Silencers”，對前期工作進行了全面總結(jié)，深入比較分析了不同的外源基因沉默因子的DNA結(jié)合特性，并對相應的結(jié)構(gòu)特征和分子機制進行了詳細闡述（圖2）。
圖2. 細菌外源基因沉默因子Lsr2、H-NS、Bv3F、MvaT及Rok 的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的三維空間結(jié)構(gòu)及其DNA識別機制
?同時，文章對外源基因沉默因子的分布及所在細菌的基因組特征進行了進一步的分析，發(fā)現(xiàn)不同的外源基因沉默因子的DNA結(jié)合特性與其所在細菌基因組的堿基組成特征密切相關(guān)，使得外源基因沉默因子可以有效地區(qū)分基因組中的外源基因與自身基因。本研究還發(fā)現(xiàn)，含有同類外源基因沉默因子的不同細菌，其基因組AT堿基含量相近；與含有外源基因沉默因子的細菌相比，不含外源基因沉默因子的同類其他細菌的基因組AT堿基含量普遍更高（圖3）。這些發(fā)現(xiàn)揭示了外源基因沉默因子在基因組進化過程中發(fā)揮著多方面的重要作用。其基因沉默功能既提升了細菌通過基因水平轉(zhuǎn)移獲得新基因的能力，又作為一種選擇性壓力淘汰進化過程中的不利突變，在促進細菌進化的同時幫助維持細菌基因組的穩(wěn)定性。
圖3. 外源基因沉默因子H-NS、Bv3F、MvaT、Lsr2和Rok所在細菌的基因組AT堿基含量分布比較
?夏斌教授課題組長期致力于研究蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子的結(jié)構(gòu)和相互作用、及其發(fā)揮生理功能的分子機制。課題組博士后段博為本論文的第一作者及共同通訊作者，夏斌教授為本論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發(fā)計劃和北京分子科學國家研究中心的資助。
原文鏈接：
https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msab136/6277736
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