真核生物的启动子

1、真核生物的启动子由于真核生物中有三种不同的 RN臊合酶，因此也有三种不同的启动子，其 中以启动子II最为复杂，它和原核的启动子有很多不同：（1）有多种元件：TATA 框，GCf, CATT!, OCT?; （2）结构不恒定。有的有多种框盒如组蛋白 HB; 有的只有TATAM和GCH,如SV4W期转录蛋白，（3）它们的位置、序列、距 离和方向都不完全相同，（4）有的有远距离的调控元件存在，如增强子；（5） 这些元件常常起到控制转录效率和选择起始位点的作用；（6）不直接和RNApol结合。转录时先和其它转录激活因子相结合，再和聚合酶结合。（一）II类基因的启动子和调控区II类基因的启动子由核心元件

2、和上游元件组成。核心元件包括TATA框和转录起始位点附近的启始子（initiator , Inr ）。在起始点一般没有同源序列，但 mRNA勺第一个碱基倾向A,另一侧翼由Py 组成（在原核启动子的CAT起始序列也有这种情况），称为起始子（initiator ）, 一般由PY2CAP5构成，位于-3+5,可能提供RNA pol II识别。无论TATA是否 存在，Inr对于启动子的强度和起始位点的选择都是十分重要的。现已分离纯化了与Inr特异结合的蛋白质因子。1 .核心元件TATAM合又称Hogness框，Goldberg-Hogness框，俚语称为金砖（Goldbrick ）,其一致序列是：T8

3、5A9T93A5A33A83A50,常在起始位点的上游-25左 右，相当于原核的-10序列。但-10是不可缺少的，而真核启动中也有的缺乏 TATA 框。其作用是：（1）选择正确的转录起始位点，保证精确起始，故也称为选择子（selector ）,当有的基因缺少TATA®时，可能由Inr来替代它的这一作用， 如鼠的脱氨核甘转移酶（Tdt）基因就没有TATA框，1有17bp的Inr ; （2）影 响转录的速率。TATA框的8bp的保守序歹一般者B是由A.T对组成，少数情况在 其中的两个位点上由G.C对取彳t了 A.T,可见它是较容易打开。当它的序列因发 生突变和缺失而改变时就会影响它和酶的

4、结合能力，从而影响转录的能力。在伴 清蛋白基因中，当TATAlf突变为TAGAt,转录效率大大降低。兔的珠蛋白基因 当TATA框的保守序列ATAAA欣工突变为ATGTAA寸转录效率会下降80%人的P 珠蛋白基因的ATAAA?列变为ATGAA或ATAG/CAA珠蛋白产量也会大大降低而 出现地中海贫血症。2 . 上游启动子元件（UPE）上游元件包括CAATbox、GCbox、等，它们的保守序列和结合的蛋白质因子 也各不相CAAT box的保守序列是GGCTCAATC广股位于上游-75bp左右紧靠-80 ,其 功能是控制转录起始活性。能和 CTF （识别CATT勺转录因子）相结合。GCbox的保守序

5、列是 GTGGGCGGGGCAAT多拷贝形式存在-90处。在真生 物和病毒的一些启动子中常存在 GCI,如鼠二氢酸叶酸还原酶启动子，猴基因 组中的双向启动子，SV40， 疱疹病毒等基因的启动子中， 可被转录因子 SPI 所识别。它的作用也是控制转录效率。还有其它的一些 UPE如八聚体（Octamer） , KB, ATF等3 远端调控区（1） 增强子远端调控区较常见的是增强子（enhomcer）。至少在有时候增强子的存在可以增强启动子的转录活性。它是在1981 年由 Benerji,Rusconi 小组和 Chambom等发现的，又称远上游序列（far upstream seguence）。其

6、特点是： 具有远 距离效应。常在上游-200bp 处，但可增强远处启动子的转录，即使相距十几 Kb也能发挥其作用； 无方向性。无论在靶基因的上游，下游或内部都可发挥增 强转录的作用； 顺式调节。只调节位于同一染色体体上的靶基因，而对其它 染色体上的基因无作用； 无物种和基因的特异性，可以接到异源基因上发挥 作用，如将SV40的增强子接到兔&珠蛋白基因前，引入Lela细胞，此珠蛋白 基因转录增强200倍。 具有组织的特异性。SV40的增强子在3T3细胞中比 多瘤病毒的增强子要弱，但在 Hela细胞中SV40的增强子比多瘤病毒的要强5 倍， 抗体基因的增强子只有在B 淋巴细胞中才起作用。

7、增强子的效应需特定的蛋白质因子参与。 有相位性。其作用和DNA勺构象有关。 有的增强子可以对 外部信号产生反应。 如热体克基因在高温下才表达。 编码重金属蛋白的金属硫蛋白基因在镉和锌存在下才表达。某些增强子可以被固醇类激素所激活。病毒SV40的增强子是最先被描述的，它由2个72bp的重复序列组成。位于 上游-200bp处。每个72bp的单元中都有A B两个功能域。它们在一起共含有5 个序列元件（GTI , GTI, Sph.11,sphI和P）,这5个元件对转录来说是很重要 的。 不同的序列模块是作为特殊转录因子识别序列。 增强子的某些结构特征和启 动子相似：如它们都是被反式一作用因子（ rt

8、ams-acting factors ）所识别的顺 式-作用序列（ cis-acting seguence ），只不过增强子的作用距离比启动子长。增强子为什么具有远距离作用呢？为了解这个问题前后曾有三种不同的假设：（ 1）拓朴效应；（2）滑动模型；（3）成环模型。拓朴效应说认为增强子的作用是诱导染色质结构变化，使核小体产生DNasel敏感区。SV40的增强子区和免疫球蛋白基因的增强子区都发现存在DNasel的高敏感区。增强子区域核小体常不能很好装配，结构松驰；在 SV40的增强子区域存在左旋的Z-DNA区，也 有助于双螺旋的打开，使和转录有关的蛋白质因子和DNA吉合，然后再延着DNA滑向启动子

9、； 成环模型认为增强子通一些蛋白质因子的介导可与远距离的启动子结合，使DNA成了一个环，从而促使远距离的启动子的转录。这一模型已得到普遍的认可。一些实验的证据表明免疫球蛋白 K链基因的增强子可以作用两个距 离不同的启动子 （分别为440bp 和 2.7Kb） ， 而作用是相同的。 若是按滑动模型，对距离的启动子的作用应高于远距离的启动子。 但事实并非如此。 从消耗能量的 角度来说， 这距离的滑动对生物是不利的， 在进化中会受到选择的压力。 成环模 型也符合染色体的侧环模型和核基质的调控理论（见第十七章）也就是说DNA的特殊序列可以和核基质结合形成侧环， 在某些细胞中某些基因通过环的形成命 名样

10、强子区和启动子区相互靠近， 使这些基因能得以表达， 而另一些基因， 显示 了基因表达的组织特异性。看来环的形成主要是两种因素：（a）某些蛋白质因子的介导； （b） 和核基质特异的结合图。 （ 2）减弱子（dehancer ）在某些基因的上游远端或下游远端具有负调节序列， 其作用不受距离和方向的影响，叫做减弱子。如 C-mos基因上游0.8或1.8Kb处有一序列，使C-mos 不易被反转录病毒的长末端重复序列（LTR）所激?So在C-myc基因的3'端也 存在着减弱子。(3) 静息子( sisencer )在酵母交配型转换的盒式模型中，左右两个沉默框(HM你口 HMFR1 17, 23章

11、)都不表达，此是由于在这两个框盒上游1.5Kb处都有一个E片段，它可和阻 遏沉默框盒表达的蛋白 SIR (1-4) ( silent mating tyne information regulation )结合，起抑制作用，故称静息子，可作用 2.5Kb远的启动子。(4) 上游激活序歹U ( upstream activating seguences UASs )UAS加酵母中远上游序列类似于增强子。 它仅影响转录程度，对位点选择不 起作用。和增强子不同的是它有方向性， 不能在启动子的下游起作用。它结合的 转录因子是GCN本口 GAL4识另1J位点为ATGACTCAT(二)RNA pol II

12、的转录起始第一步是原称为TFH D的转录启动因子和TATAI1结合形成复物体，为 RNA pol II指明结合位置。现在已和 TFH D含有种蛋白，一种是识别TATA®的TBP (TATA-binding protein ),是 30KDa的小蛋白。另一些亚基称为 TAFs (TBP 结合因子，TBP-associated factors )。有的TAFs是和TBP等当量的。而另一 些TAFs存在量较少。很可能TFH Ds含有不同的TAFs来识别不同的启动子。这种观点认为TB可口不同的TAFs结合可以使其它的聚合酶识别启动子。TFIHB是用于内部polm启动子，SLi是用于polI启

13、动子，但这两者都被分成 TBP 和特殊TATs结合的一种成份。任何单个的TBP分子，其本身并不是对所有启动 子都是必需的。但实际是和TAFs结合，不断地用于特殊的启动子。TBP必需具 备在各种启动子上和这种因子或聚合酶相互作用结合的能力。在酵母中TBP基因 突变性会影响到不同类型启动子的转录。人类口型基因的转录因子因子分子量功能RNAPoln>10K依赖模板合成RNATFU A12, 19, 35K稳定TFn D和DNA的结合，激活 TBP亚基TFU B33K结合模板链(-10+10),起始Pol n结合，和TFn E/F相互作用TFU D(TBP, 30K)TBP亚基识别TATA将聚合

14、酶组入复合体中，TAFs识别特殊启动子TFU E34K(曲57K( a)结合在Pol n的前部，使复合体的保护区延伸到下游TFU F38, 74K大亚基具解旋酶活性(RAP74，小亚基和Pol n结合，介导其加入复合体TFU H具激酶活性，可以磷酸化 Pol n C端的CTQ使Pol n逸出，延伸TFU I120K识别Inr ,起始TFn F/D结合TFU JTFn S在TFn F后加入复合体，不改变DNA的结合方式RN蛤成延伸TBP作为第一个和DN肱触的因子十分引人注目，有是它被看成是一种“束缚”因子(commitment factor )其实是和 RNA pol II结合，使启动子转录，它

15、 起到介导的作用。由于TATAI1离转录起始位点的距离是固定的，识别它对RNA聚合酶来说是重要的。TBP在启动上对各种聚合酶所起的一个相同的作用是将它 们组入转录复合体中。TFH A含有几个亚基(在酵母中有2个，在哺乳动物中有3个)，当它加入 复合体中时，TFII D所保护的DNAK域就延伸更上游的区域。它可能通过解除TAFs 的阻遏作用而激活TBP，它的参与使TFII D和TATAI1结合得更稳定TFII B分子量为33Kda,它在起始点邻近区域，从-10至"10可以部分地保护 模板链在TATAI下游与DNA公散结合。形成复合物，和 DN敬链结合是不对称 的，它还可以使TFII日H

16、F相互作用。TFn F含有2个亚基，大亚基RAP74具有ATp -依赖性DNAB旋酶活性，它 和起始时DNA!的熔解有关。它的小亚基是RAP38和细菌的6因子有部分同源， 紧密地和RNApol II结合。介导pol II和其它蛋白结合转录成复合体。TFII F-pol II和复合体连接时，与TFII B的相互作用是重要的。RNA Polll结合位点在模板链上达到下游+15,在非模板链上达到+20,其长 度贯穿了整个复合体，上游也被其保护了。TRU E结合在pol的前部，使复合体的保护区延伸到下游双链的 +30处。TRU H和TRHJ在TRU F之后也加入复合体中，但并不改变DNA勺结合方式。T

17、FII H具有激酶活性，可以磷酸化RNAool II尾巴上的CTD CTD的磷酸化使pol II从转录因子中释放出来，这样就能离开启动子开始延伸。这一起始过程和细菌RNA pol催化的反应是相似的。RNA pol的结合产生了 闭合复合体。在最后阶段双链打开产生开放复合体。这种转变是和下游位点复合 体体影响的增加有关。多半是由于 TFR因子的释放有关。起始反应的双链分离阶段是需水平解ATP的，可能要释放某些转录因子。在基本的因子和pol R的相互作用中看来TBP和酶尾部的CTD之间的作用也是重要的。在没有TATAI1的启动子上起始何发生呢？这种起始同样需要一些基本的转 录因子，其中也包括TFH

18、Do TFH D可能带有一个或多个TAFs来直接识别Inr , 并与之结合。现在还不清楚在和 TATA吉合中TFH D怎样发挥其作用。Inr序列 可能作为一种位置元件，让转录因子结合于其上，且锚这种复合体。TFn D看来必须以某种其它方式进入复合体而不结合在TATA框上。在这些启动子上TBP的功能很象在pol的启动子上和polm的内部启动子上。很多的基本因子含有多种亚基，所以多数的分子量是很大的，可能涉及到约20多种肽，总分子量达到500KDa pol II约有10个亚基分子量也有约500Kda, 看来 RNA Pol 的起始是涉及到非常大的复合体。Pol II起始复合体提供了一个和原核转录有

19、趣的对照。细菌的RNA pol很容易和DNAg合；6因子对于起始于必要的，但无助于延伸，因起始后它就被释放 出来了。真核的pol R只有在起始因子和DN阁合后才和启动子结合。这些因子 的作用类似6因子，使聚合酶识别启动子上的特殊序列。但已进化得比较独立。 (三)RNA pol I启动子RNA pol I的启动子变化最小，RNA pol仅从单一类型的启动子转录rRNAX 因，转录本含有大rRNAs和小rRNAs的序列，经过加工再将它的释放出来。这种启动子描述得最清楚的是人类细胞中的，它由两部分序列构成，一是核心启动子( core promoter )或核心元件( core element )，位

20、一起始位点的前后， 从-45 到+20， 负责转录的起始。另一部分是上游控制元件( upstream,controlelement UCE) ， 它从 -180 延伸到 -107 ， 此区可增加核心元件的转录起始的效率。这两个区域都有一个特殊的成份，就是 G.C丰富区(G.C含量达85%。RNA pol I需要2种辅助因子：UBF1(上游结合因子1)结在核心动子相关 的特异序列中和UCELk。SL1因子，它本身对这种启动子来说并非是特异的，但 一旦UBF1和DN阁合了，那么聚合酶才能和核心启动子结合起始转录。很可能 是这些因子结合在核心启动子上直接与 RNA poll相互作用，但还不清楚在 U

21、CE 上的因子如何刺激核心启动子的起始。在 RNApol II启动子中远距离作用是一 个重要的特点，研究得较为深入，但不知道RNApol I是否具有相同的机制。UBF1是一个单链多肽，它可以和核心区UCE勺G.C丰富区结合。UBF1和RNApol可在异源模板上发挥功能，如鼠的这种蛋白质因子和pol I能识别人类的基因。但 SL1 在起始转录时具有种的特异性。LS1含有4个蛋白，其中之一称TBP；也是pol II和polm起始时所需的一种 蛋白质因子。 可能在聚合酶起始后不久就发挥作用。 这一和 pol 有关的重要特点 是TBP在种间是保守的，但似乎并不具有种的特性，也并不一定要特异地和G.C丰

22、富区结合。因此可能和DNA勺结合的种白特异性是SL1另一些组分的功能。TBP 可能和 RNA pol 相互作用，和RNA pol 的一个共同的亚基或一个功能域相结合。SL1 的行为与细菌的因子相似，作为复合体的一个成员，若分开来的话，它单独是不能和启动子特异结合的。 但和其它组分结合起来就可以结合在启动子的特异区域。其初步功能可能是保证RNA5合酶能位于起始位点的合适位置上。简 而言之其功能是使TBP和其它蛋白质结合，为pol II和polm提供转录因子。三种 聚合酶起始的共同特点是依赖 TBP和蛋白质结合构成的一种“位置”因子，这种 位置因子对不同类型的启动子来说是特异的。非洲爪蟾的 pol

23、 I 启动子并不分两个区域，它从+1 到-141 ，其序列具备高度的种的特性，RNApol I在体外只能从密切相关的转录系统中转录rRNA基因。种的特异性是由转录因子决定的。(四)Pol m启动子的结构及起始人们通过转录起始区不同位点的缺失或突变来研究各种启动子的结构和功能。RNApolm启动子一般分成基因内启动子和基因外启动子两类它们是由不同 的转录因子以不同的方法来识别的。5s RN所口 tRNA都属于RNA pollH启动子，但它们比较特殊，位于起始位点的下游的转录区内，因此也称为下游启动子( downwtreampromoter )或基因内启动子( intragenenic promo

24、ter )或称为内 部控制区(internal contron regin ,ICR )。snRNA基因的启动子和常见的启 动子一样位于起始位点的上游， 在以上两种不同的情况中都有特序列存在， 这些 序列由转录因子识别而并不直接和 RNA合酶结合。正是这些构成了特殊的pol m启动子。在非洲爪蟾的5s RNA基因启动子在未鉴别出前，人们都以为它在起始位点 的上游，缺失分析表明，当上游序列全部被切除后5SRNA勺产物仍照样合成。当 缺失在基因内发生时仍可转录，只不过产物也缺少一段。但缺失发生在+55 区域时，就不再转录。因此可以推测启动子位于起始点下游 +55,可能由于pol加起 始转录要有一个

25、固定的距离。当缺失发生在基因末端，但保留80bp序列时转录不受影响。但当缺失发生在80bp区域转录就会停止，表明启动子的下游分界域 在+80。因此5SRNA勺启动子是在基因中的+55+80之间。含有这个区域的DNAt段 就可在其上起始转录，起始点在+55的更上游的位置。用突变分析表明有两种类型的内部启动子，每一种都由两部分构成。这是两 个短的序列元件中问问隔着一个可变化的序列。比较一下这两种类型的内部启动子表明：I型内部启动子含有两个分开的 boxA (口 G G C N N AG T - G句) 和boxC (C G G T C G A-N N C C )序列。而II型内部启动子含有两个分开

26、的 boxA和boxB。II型内部启动子中boxA和boxB之间的距离较宽。通常有功能的 此类启动子中的两个box就不能紧紧连在一起。但上游启动子正是这样。内部启动子中的起始的各个阶段，需要涉及 3个起始因子，TF m A已被克 隆，是一种合9个锌指的蛋白(Zinc finger protein )。TF m B含有TB可口 两个其它的蛋白。TFmC是一种大分子蛋白复合物，至少有 5个亚基，分为两个 功能域r A (300KRNA pol m启动子的转录因子的结构和功能因子结构TF m A38Kda,有9个锌指结合于1型内部启动子(5sRNA基因)的C框，使mC结合在C框下游，辅助m B定位结

27、合TF m B含TBP和另外二种蛋白定位因子,使Pol结合在起始位点上TF m C含t A和只有5个亚基cB结合n型内部启动子 (tRNA基因)的B框，起增强子的作用。TA结合A框，起启动子的作用；辅助W B定位结合TBP是m B, n D, SL1的亚基和特异DNA序歹U及RNA Pol结合，使 Pol结合在正确的位占土八、-1-Tn D含TBP亚基结合TATA框，确定选择 Pol mPBP次近端结合蛋白可能和口 D一道辅助mB定位结合的另一途径和pB,分别和2型内部启动子(tRNA基因启动子)的A框和B框结合。B框相 当于增强子的作用，A框相当于启动子的作用。在I型内部启动子中(5sRNA

28、S 因启动子)TFIH A结合在C框上，使TFIH C结合在C框下游。在II型内部启动子 中TF m C的结合使TFm B依次结合在起始位点的近上游。TF m B结合在起 始位点上并和TF m C相连。这些因子作用的突出特点是当将 TFmA和m C从启动子上除去(在体外 用高浓度的盐)不影响起始反应。只要 TFm B仍结合在起始点的附近就能使 RNA poi正确地结合在转录起始点。因此只有 TF m b才是poi m所必需的起始因 子。TF m A和TF m C仅是一种装配因子(assembly factor ),它们的作用 是辅助TF田B结合到正确的位置上。这样就解释了下游启动子怎样使聚合酶结 合到上游位点。TF m B的功能是作为一个“定位因子” (positioning factor )负责RNApol 结合正确位置上。就像pol I中的SL1那样。功能类似于原核的 因子。它本身 缺乏和DNA勺结合能力，但可以和结合在 DNA±的其它蛋白结合。前面已说过 TF m B含有TBP；而SL1也含有TBP；它可能作为 TFmB的一个亚基，直接 和RNAf目互作用。内启动子虽然赋