关于RNA聚合酶Ⅱ核心启动子的概述

《分子生物学》作业

姓名：班级：学号：日期：2013年12月21日

关于RNA聚合酶Ⅱ核心启动子的概述

Perspectives On The RNA Polymerase II Core Promoter

Biochemical Society Transactions, 2006, 34(Pt 6): 1047-1050.

摘要：

RNA聚合酶Ⅱ核心启动子是一个在转录过程中关键的但又容易被忽略的元件。核心启动子被定义为DNA 的延伸，它涵盖了RNA的起始位点，典型的核心启动子大约有40到50核苷酸的长度，它指导基因转录的起始。在过去，人们推测核心启动子在功能上是通用的，转录起始是通过一种共享通用的机制进行的。最近的研究表明，各种核心启动子在结构和功能上都存在相当多的差异。存在大量的DNA元件作用于核心启动子的活性，给定核心启动子的特定性能是由这些核心启动子修饰因子的有无决定的。已知的核心启动子元件包括TA TA盒子、Inr（起始子）、BRE u｛A TA盒子的上游的BRE [TFⅡB（RNAⅡ聚合酶的转录因子）识别元件]｝和BRE d（TATA盒子下游的BRE）、MTE（十基序元件）、DCE（下游核心元件）和DPE（下游核心启动子元件）。在这这篇文章中，我们将要提供一些关于RNA聚合酶Ⅱ核心启动子的当前的和未来的问题的概述。

前言：

核心启动子是转录的入口

许多生物学现象取决于合适的转录调控。在真核生物中，在已知的核酸RNA聚合酶中，RNA聚合酶Ⅱ对编码蛋白质的基因的转录的贡献最大。在这个过程中最重要的步骤是是否决定起始转录。包括一些作用因子在内的许多复合事件引导转录起始。然而，是否开始基因转录最终决定于核心启动子。因此，在一些方面，核心启动子是转录过程的入口。

集中式与分散式转录起始

聚合酶Ⅱ的核心启动子通常被定义为引导

转录起始的DNA延伸。这个定义可能看似简单。

在实践中，尤其是在脊椎动物中，两种不同的转

录起始策略已经被观察到。首先是集中式转录，

它的转录起始发生在单核苷酸或几个核苷酸的

一个狭窄的区域内。集中转录发生核心启动子，

它包含TATA盒子、Inr（起始子）和PDB（下游

核心启动子元件）等序列基元。值得注意的是,

这些核心启动子基序位于相对于+ 1开始的不同位置。第二种是分散的转录，它发生在多个弱的启动位点上，这些位点广泛分布在大约50到150个核苷酸残基的范围里。典型的分散式转录发生在CpG岛上，CpG岛是富含GC的DNA延伸（典型的长度是0.5k到2k个碱基对），它通常和看家基因有关。分散式转录的起始可能取决于多个弱的核心启动子的存在。尽管我们估计大约三分之一的人类启动子都包含CpG岛，但分散式转录的机制还有待研究。

在本文的其余部分,我们将描述集中式转录起始的研究，集中式转录远比分散式转录研究得彻底。在简单的有机体，如果蝇和酵母，转录主要通过集中式起始来发生的。然而，在未来，弄懂用于分散式起始转录的因素和机制是非常重要的。

结果：

通用/基础的转录因子

纯化的RNA聚合酶Ⅱ本身没有能力识别和精确起始转录。聚合酶需要额外的辅助因子，它们通常被称为GTFs（通用转录因子）或“基础转录因子”，以起始转录（对于综述，见[5]）。介导TA TA依赖的转录的GTFs 已被纯化和鉴定。这些因子被称为TFIIA（RNA聚合酶Ⅱ的转录因子A）、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF和TFIIH。TFⅡD是一种多亚基蛋白复合物，它包含TBP（TA TA盒子结合蛋白）和超过10个TAF（TBP相关因子）。TBP和TAP一样都涉及核心启动子的识别。TFⅡB也和核心启动子上的著名基序BREs（TFⅡB识别元件）相互作用。值得注意的是，通用转录因子并不是在所有的核心启动子上都起作用。例如，基于TATA盒子的GTFs不会介导从DPE依赖的核心启动子开始的转录。通用的基础转录因子很可能是不存在的。

核心启动子

一个典型的核心启动子包含RNA起始位点并扩展到相对于+1位置的上下游的大约35个核苷酸残基的区域。所以核心启动子通常大约有40到50个核苷酸长度，尽管有时候它们有70到80个核苷酸的长度。核心启动子的活性是由招募像THⅡD和THⅡB的GTFs的序列基序的有无赋予的。这些核心启动子基序定位在相对+1转录起始位点的特定位点，如图1所示。

最先发现和最知名的核心启动子元件是TATA盒子，它是在果蝇组蛋白基因测序的过程中发现的[7]。Inr 基序是在比较包含启动子位点的序列时确定的[8]，然后它在功能上被定义为一种分散式的核心启动子元件[9]。在分析纯化的TPⅡD和缺少TATA的基因结合的过程中，PDE被发现[10、11]。MTE（十基序元件）实在一项计算和功能分析的组合研究中被发现的[12、13]。另外，DCE（下游核心元件）实在β珠蛋白的分析中被确定的[14、15]。TATA、Inr、MTE、DPE和DCE都是多亚基TFⅡD复合物的识别位点。所以，TFⅡD是在核心启动子结合过程中的关键性因子。存在两种BRE，分别为BREu和RBEd（他们分别是在TA TA盒子上游和下游的BRE）[16、17]。如上所述，BRE基序和TFⅡD基础转录因子相互作用。

下面是核心启动子的一些性质。TATA盒子可以通过自身或者与其他诸如Inr的核心作用元件协作来促进转录。所以，TATA盒子可以独自赋予启动子活性。有Inr加入的TATA盒子有时可以专注于包含Inr的一个或

一些位点的转录起始。Inr围绕着转录起始位点，似乎最通常出现的是核心启动子元件。Inr自身可以很弱地引导转录，但是它通常和其他核心启动子元件一起被发现。PDE和Inr合作下起作用，MTE也需要和Inr协作起作用，无论DPE还是MTE在Inr缺失的情况下都不能使核心启动子显示活性。大多数含有DPE或者MTE的核心启动子缺乏TATA盒子，反之亦然。当然，有一些启动子同时包含MTE和TATA盒子基序。另外，MTE 和DPE之间、MTE和TA TA盒子孩子间的协作已经被观察到。BREu和BREd基序是TATA盒子的扩展。已经观察到，BRE基序根据上下文，对核心启动子的活性有积极或消极的作用[16-18]。有趣地注意到，Inr可以和序列特异的例如Sp1（特异蛋白1）等激活子发生作用[19]。鉴于CpG岛通常包含多种Sp1结合位点，我，在缺少TATA的CpG岛上的分散式转录起始可能是通过Sp1位点与Inr或者弱的Inr相似序列的协作来实现的。

实际上，不存在通用的核心启动子元件。相反，每一种基序仅存在于核心启动子的一个子集里。例如，尽管TA TA盒子广为人知，但是最近的研究标明人类核心启动子中只有10%到15%中存在TATA盒子[20-22]。此外，在未来极有可能有许多其他的核心启动子基序将被发现。

核心启动子元件的显著特点是什么？

一个核心启动子元件和其他影响转录活性的DNA序列有什么不同？我们有理由这样问。下面的一些指导，对确定DNA序列基序是否是一个核心启动子元件可能有用有用。首先，在几个不同的核心启动子里确定和表征任何推定的核心启动子基序是重要的，也就是说，标明该序列确实是一个基序（即重复序列）而不是一段孤立的序列是必要的。第二，DNA序列对于转录活性应该是重要的。有一个尤其有用的方法，通过一系列的突变来扫描整个推定的核心启动子元件。以这种方式，可以判断这个基序是否是一个离散的序列。也就是说，基序里的突变应该影响转录活性，而侧翼的突变应该是中性的（除非侧翼序列包含另一个核心启动子的基序）。第三，如果DNA基序是一个TFIID或TFIIB等基础/通用转录因子的识别位点，那么它可能是一个核心启动子元件。此外，通过突变分析等阐明基序与基础/通用转录因子的结合会影响转录活性也是重要的。第四，核心启动子基序在相对于转录起始位点（或者到Inr基序）的特定位置可以达到最佳的效果。例如，MTE和DPF 基序相对Inr有一个严格的间距要求。Inr与MTP、Inr与DPE之间间距的一个核苷酸的增加或减少会造成核心启动子活性的数倍下降[12,23]。TATA盒子在相对与起始位点的位置上也展示出独特但是缺少刚性的偏好。（具体地说，TA TA盒子上游的T大多数情况下在相对于有义序列的A的-31的位置。）所以，如果潜在的核心启动子基序展示出相对于RNA起始位点的位置偏好这个基序就很有可能和基础转录过程有关。第五，当把推定的核心启动子基序加入到分离的核心启动子中去时观察转录活性能否增加是非常有用的。例如，DPE被发现能够重新激活失去TA TA盒子的突变序列[10]。此外，MTE可以重新激活失去DPE或者TATA盒子的突变序列[13]。这些实验表明，功能的获得取决于基序的增加，基序突变可能导致功能的完全丧失。最后，值得注意的是，这些指导规则对所有核心启动子元件不是全部必要的。相反，这些问题是验证新的推定的核心启动子基序的研究的全面考虑。

讨论：

核心启动子是一个调控元件

核心启动子功能的多样性标明了核心启动子结构的多样性。不同的核心启动子表现出对基础/通用转录因子[ 6,24 ]不同的要求。此外，一些转录增强子对含有DPE或TATA基序的核心启动子有功能[25,26]。这些实验表明，核心启动子不仅对转录起始位点的特化很重要，对调控元件也很重要。这个问题已经在最近的一些其他综述上广泛讨论了[1-4]。对于本文的目的，让读者体会到核心启动子结构和活性的多样性及用这些知识设计和解释实验是有益的。例如，转录增强子的研究通常也包括带有TA TA依赖核心启动子的标准报告基因。这样的报告基因不存在，但是可以检测DPE特异性的增强子的存在或活性。因此，在转录增强子的研究，最好使用与其同源的核心启动子。

结论

核心启动子是是一个吸引人的组件，它拥有的结构和功能的多样性大大超出了我们的预料。基础转录中有许多新的作用因子和机制需要被确定。此外，核心启动子对于增强子的特异性的基础仍有待阐明。在RNA 聚合酶Ⅱ核心启动子的研究中，将会有许多有趣的重要研究途经被探索。