第三章 第二节 启动子与增强子
教学目标：
教学重、难点：
教学内容：
一、原核生物启动子
1 启动子：是一段位于结构基因 5 '端上游区的 DNA 序列，在转录起始之前被 RNA 聚合酶结合的 DNA 部位称为启动子；启动子的结构影响它与 RNA 聚合酶的亲和力，决定基因表达强度。 转录单元：是一段从启动子开始到终止子（ terminator ）结束的 DNA 序列， RNA 聚合酶从转录起点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条 RNA 链；在细菌中，一个转录单元可以是一个基因，也可以是几个基因。
2 转录起点：指与新生 RNA 链第一个核苷酸相对应 DNA 链上的碱基，研究证实通常为一
个嘌呤。
上游：常把起点前面，即 5 '末端的序列称为（ upstream ）上游;
下游：起点后面即 3 '末端的序列称为下游（ downstream ）。
在描述碱基的位置时，起点为＋ 1 ，下游方向依次为＋ 2 ，＋ 3 ……，
上游方向依次为－ 1 ，－ 2 ，－ 3 ……。
3 启动子结构：
Pribnow框：在起始点上游，几乎在所有启动子都存在一个6 bp富含A/T区域TATAAT。通常位于－18位到－9位，称为Pribnow框。该区域是RNA聚合酶牢固结合位点，RNA聚合酶结合后，这一富含A/T的DNA双链解开。
Sextama框：位于－35区附近有一TTGACA还春序列，是RNA聚合酶中的σ因子识别位点。 以上这两个位点
对于转录起始都是非常重要的。σ因子识别－35区并与之结合。由于RNA聚合酶分子覆盖面积能达到70bp，因此酶分子上的一个合适部位能接触－10区。酶分子一旦与－10区结合以后，就从识别位点上解离下来。此外，－35序列的重要性还在于在很大程度上决定了启动子的强度。。
－ 10 区和－ 35 区的最佳距离 ：
伴热管线在原核生物中，－ 35 区和－ 10 区的距离大约是 16 ～ 19bp ，小于 15bp 或大于 20bp 都会降低启动子的活性；保持启动子这两段序列以及它们之间的距离是十分重要的，否则就会改变它所控制的基因表达水平。
在细菌中常见两种启动子突变：
下降突变：如果把 Pribnow 其从 TATAAT 变成 AATAAT ，就会大大降低其结构基因的转录水平；
上升突变:：即增加 Pribnow 区共同序列的同一性。
突变后的 -10 区和 -35 区越接近共同序列，转录的 RNA 就越多；越远离共同序列，转录的 RNA 就越少。
例如，在乳糖操纵子的启动子中，将其 Pribnow 区从 TATGTT 变成 TATATT ，就会提高启动子的效率，提高乳糖操纵子基因的转录水
4 启动子区的识别
一般认为， RNA 聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。
在启动子区 DNA 双螺旋结构中，腺嘌呤分子上的 N6 、鸟嘌呤分子上的 N2 、胞嘧啶分子上的 N4 都是氢键供体，而腺嘌呤分子上的 N7 、 N3 ，胸腺嘧啶分子上的 O4 、 O2 ，鸟嘌呤分子上的 N7 、 O6 、 N3 和胞嘧啶分子上的 O2 都是氢键受体。
由于它们分别处于 DNA 双螺旋的大沟和小沟内，因此都具有特定方位，而酶分子中也有处于特定空间构象的氢键受体与供体，当它们与启动子中对应的分子在一定距离内互补时，就形成氢键，相互结合。这种氢键互补学说较为圆满地解释了启动子功能既受 DNA 序列的影响，又受其构象影响这一事实。
二、真核生物启动子
真核生物启动子有三类，分别由RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ进行转录。
类别Ⅰ（class Ⅰ）启动子：
只控制rRNA前体基因的转录，转录产物经切割和加工后生成各种成熟rRNA。
类别Ⅰ启动子由两部分保守序列组成：
核心启动子（core promoter）：位于转录起点附近，从-45至+20；
上游控制元件（upstream control element，UCE）：位于-180至-107；
RNA聚合酶Ⅰ对其转录需要2种因子参与：
UBF1：一条M为97000的多肽链，结合在上述两部分的富含GC区；
1个TBP，即TATA结合蛋白（TATA-binding protein，TBP）；
SL1：一个四聚体蛋白，含有 3个不同的转录辅助因子TAFⅠ；
在SL1因子介导下RNA聚合酶Ⅰ结合在转录起点上并开始转录。
类别Ⅱ（class Ⅱ）启动子：
类别Ⅱ启动子涉及众多编码蛋白质的基因表达的控制。
该类启动子包含4类控制元件：
基本启动子（basal promoter）：序列为中心在-25至-30左右的7 bp保守区，TATAAAA/T，称为TATA框或Goldberg-Hogness 框。与RNA聚合酶的定位有关，DNA双链在此解开并决定转录的起点位置。失去TATA框，转录将在许多位点上开始。
起始子（initiator）：转录起点位置处的一保守序列，共有序列为：PyPyANT(A)PyPy
Py为嘧啶碱（C或T），N为任意碱基，A为转录的起点。DNA在此解开并起始转录。
上游元件（upstream factor）：普遍存在的上游元件有CAAT框、GC框和八聚体（octamer）框等。CAAT框的共有序列是GCCAATCT，GC框的共有序列为GGGCGG和CCGCCC，八聚体框含有8bp，共有序列为ATGCAAAT；
应答元件（response element）：诱导调节产生的转录激活因子与靶基因上的应答元件结合。如热休克效应元件HSE的共有序列是CNNGAANNTCCNNG，可被热休克因子HSF识别和作用；血清效应元件SRE的共有序列CCATATTAGG，可被血清效应因子SRF识别和作用。
电子表单系统参与RNA聚合酶Ⅱ转录起始的各类因子数目很大，可分为3类：
通用因子（general factor）：作用于基本启动子上的辅助因子称为通用（转录）因子（GTF），或基本转录因子（basal transcription），为任何细胞类别Ⅱ启动子起始转录所必需，以TFⅡⅩ来表示，其中Ⅹ按发现先后次序用英文字母定名，如TFⅡA、TFⅡD、TFⅡH。
上游因子（upstream factor）：或转录辅助因子（transcription ancillary factor），是指识别上游元件的转录因子。
可诱导因子（inducible factor）：在真核生物中，与细胞类型和发育阶段相关的基因表达，主要通过转录因子的重新合成伸缩式雨棚来进行调节的，是长期的过程。对外界刺激的快速反应则主要通过转录激活物（transcription activator）的可诱导调节。这些诱导的转录激活因子与靶基因上所谓应答元件相结合。
类别Ⅲ（class Ⅲ）启动子：
类别Ⅲ启动子为RNA聚合酶Ⅲ所识别，他涉及一些小分子RNA的转录。
RNA聚合酶Ⅲ的启动子有3种类型结构：
类型1基因内启动子：如5S rRNA基因的启动子，位于转录起点下游，即在基因内部，是下游启动子，有两个框架序列，被3种辅助因子所识别。5S rRNA基因的启动子包括框架A（box A）、中间元件（intermediate element）和框架C（box C）3个元件组成。TFⅢA结合在框架A上，然后促使TFⅢC结合，后者结合导致TFⅢB结合到转录起点附近，并引导RNA聚合酶Ⅲ结合在起点上。TFⅢB使RNA聚合酶Ⅲ正确定位，起“定位因子”（positioning factor）作用。
类型2基因内启动子：如tRNA基因的启动子，有两个控制元件，分别为框架A和框架B。TF
ⅢC结合框架B，其结合区域包括框架A和框架B，然后导致TFⅢB结合到转录起点附近，并引导RNA聚合酶Ⅲ结合在起点上。
上游启动子：如snRNA基因的启动子，位于转录起点上游。有3个上游元件：OCT（八聚体基序 octamer motif）、PSE（邻近序列元件 proximal sequence element）、TATA元件。在RNA聚合酶Ⅲ的上游启动子中，只有靠近起点存在TATA元件，就能起始转录。然而PSE和OCT元件的存在将会增加转录效率。
三、增强子及其功能
增强子（ enhancer ）：能强化转录起始的序列称为增强子或强化子
（1）在 SV40 的转录单元上存在增强子，它位于转录起始位点上游约 200bp 处，为两段 72bp 的重复序列，它们不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始，除去这两段序列会大大降低这些基因的转录水平，若保留其中一段或将其取出插在 DNA 分子的任何部位，就能保持基因的正常转录；除 SV40 外，还在反转录病毒基因、免疫球蛋白基因、胰岛素基因、胰麋蛋白酶基因等许多基因的启动子区中陆续发现了增强子的存在。增强子很
可能通过影响染质DNA- 蛋白质结构或改变超螺旋的密度而改变模板的整体结构，从而使得 RNA 聚合酶更容易与模板 DNA相结合，起始基因转录。
（2）增强子的作用特点：
蛋托①增强效应非常明显；
②增强子提高同一条 DNA 链上基因转录效率，可以远距离作用，通常可距离1 ～ 4kb 、个别情况下离开所调控的基因 30kb 仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用；
③增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用；
④增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性；
⑤但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录；
⑥增强子必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用；
⑦增强子一般具有组织或细胞特异性；电子鱼竿
⑧大多为重复序列。
沉默子 最早在酵母中发现，以后在 T 淋巴细胞的T 抗原受体基因的转录和重排中证实这种负调控顺式元件的存在。目前对这种在基因转录降低或关闭中起作用的序列研究还不多，但从已有例子看到：沉默子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。
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