真核生物双向启动子的结构与功能

1、第 10 期刘石娟等: 真核生物双向启动子的结构与功能903·综述·真核生物双向启动子的结构与功能刘石娟1) * ，郑成超2) *( 1) 曲阜师范大学生命科学学院，山东曲阜273165; 2) 山东农业大学作物生物学国家重点实验室，山东泰安271018)摘要 双向启动子( bidirectional promoter) 是指位于两个相邻且转录方向相反的基因之间的一段 DNA 序列 双向启动子的双向转录机制可能是两个 RNA 聚合酶同时聚集在无核小体区的边界，然后在两个方向上起始转录 双向启动子在真核生物基因组中广泛分布，大多数的双向启动子缺少 TATA 盒，而具有较高的

2、GC 含量和丰富的 CpG 岛 本文概述了双向启动子双向起始转录的最新研究，并对其在双向转录基因对共表达和稳定性表达调控中的作用及其应用做了详细阐述关键词 双向启动子; 转录调控; RNA 聚合酶; 基因共表达中图分类号 Q344Structure and Functions of Eukaryotic Bidirectional PromotersLIU Shi-Juan1) * ，ZHENG Cheng-Chao2) *( 1) College of Life Sciences，Qufu Normal University，Qufu273165，Shandong，China;2) Stat

3、e Key Laboratory of Crop Biology，Shandong Agricultural University，Taian271018，Shandong，China)Abstract A bidirectional promoter is known as a short DNA segment between two adjacent genes transcribed in opposite directions The possible mechanism of two-way transcription at the bidirectional promoter i

4、s that two RNA polymerases are simultaneously engaged at the boundaries of the nucleosomefree region and initiate transcription in both directions Bidirectional promoters are distributed in the eukaryotic genomes，most of which are both G /C-rich as CpG islands and lack TATA boxes In this review，we s

5、ummarize current understanding on the bidirectional promoter of their architecture and the coexpression patterns or stability of their driven gene pairs We also discuss the application of bidirectional promoters in gene stacking for transgenic organisms and gene farmingKey wordsbidirectional promote

6、r; transcription regulation; RNA polymerase; gene coexpressionISSNCN1007-762611-3870 /Q中国生物化学与分子生物学报http: / /cjbmb bjmu edu cnChinese Journal of Biochemistry and Molecular Biology2011 年 10 月27( 10) : 894 900近年来的生物信息学研究表明，在人类、果蝇、拟南芥、水稻、杨树等动植物基因组中存在大量的相邻且转录方向相反的基因，称之为双向转录基因对 ( bidirectional gene pairs

7、) ，也可称之为“头对头”基因对( head-to-head gene pairs)1 3 有关研究认为，当这 两 个 相 邻 的“头 对 头”基 因 转 录 起 始 位 点 ( transcription start site，TSS) 之间的距离小于1 kb左右时，这段基因间 DNA 序列可称之为双向启动子 ( bidirectional promoter)1，4 根据相反方向基因重叠程度的不同，双向转录基因对可分为两类: 基因 5' 端不重叠的双向转录基因对( Fig. 1A) 和基因 5'端重叠的双向转录基因对( Fig. 1B)5 相应的双向启动子也分为两类: 启动子

8、序列重叠的双向启动子( Fig. 1A ) 和 启 动 子 序 列 不 重 叠 的 双 向 启 动 子( Fig. 1B)5，6 第 1 类双向启动子是真正意义上的双向启动子; 第 2 类双向启动子并不是经典的双向启动子，严格的说只是两个方向相反的启动子，称之为反 方 向 启 动 子 对 ( anti-directional or opposing收稿日期: 2011-07-04; 接受日期: 2011-08-30国家自然科学基金( No 31070240) ，山东省自然科学基金资助项目( No ZR2011CQ016) 和曲阜师范大学自然科学基金( No XJ200921)资助* 联系人Te

9、l:E-mail: sjliusj tom com，cczheng sdau edu cnReceived: July 4，2011; Accepted: August 30，2011Supported byNationalNaturalScienceFoundationofChina ( No31070240) ，Shandong Provincial Natural Science Foundation of China ( No ZR2011CQ016) ，and Natural Science Foundation of Qufu NormalUnivers

10、ity( No XJ200921)* Corresponding authorTel:E-mail: sjliusj tom com，cczheng sdau edu cnpromoter pairs) 可能更合适些7 双向启动子因为可以启动其两侧基因的表达而受到人们越来越多的关注4，8，9 深入研究该类启动子的作用模式将有助于揭示新的基因表达调控机制Fig 1 A summary illustration of bidirectional promoter organization P1 and P2 are the promoters Gene1 and Gen

11、e2 represent a divergent gene pairs Arrows represent transcription start sites and promoter directions The promoters can be arranged in two ways ( A) The promoters can overlap6 ( B) The promoters can not overlap but head-to-head gene pairs overlap51 不同生物中双向启动子的数量Trinklein 等1以双向转录基因对转录起始位点之间的距离小于1 kb

12、为标准来筛选双向启动子时，在人类基因组中确定了1 352个双向启动子 这些启动子所对应的双向转录基因对的基因占所有人类基因的大约 11% ，其中，1 037个( 77% ) 属于第 1 类双向启动子，基因 5'端不重叠，并且大约 67% 的 5'端不重叠的双向启动子长度小于300 bp 另外，315 个 ( 23% ) 双向启动子属于第 2 类双向启动子，基因 5' 端存在重叠区域Li 等5利用人类基因组注释数据分析双向转录基因对，共提取了1 262个人类基因组的双向转录基因对，占所有人类基因的 9. 4% 利用同样的方法，在小鼠基因组和大鼠基因组中分别确定了1 071

13、 和 491 个双向转录基因对，占到了各自所有基因的 8. 2% 和 4. 4% 大部分的双向转录基因对( 在人类、小鼠 和 大 鼠 中 分 别 占 到 了 62. 36% 、64. 15% 和 55. 19% ) 转录起始位点之间的距离即双向启动子长度分布在 0 到400 bp，尤其是 101 到200 bp之间在拟南芥、水稻和杨树等植物基因组中，分别确定了5 763、8 742和8 823个双向转录基因对，占各自全部基因的 24% 、30. 9% 和 39%2 利用和人类基因组双向启动子同样的筛选标准( 双向启动子长度小于1 kb) ，在以上植物基因组中搜索双向启动子，分别确定了1 242

14、、2 106和 613 个双向启动子，占到了 各 自 所 有 双 向 启 动 子 的 36. 5% 、14. 2% 和 6. 9%2，4 分析以上结果发现，小于1 kb的双向启动子的数量与基因组大小大致成负相关 例如，拟南芥的基因组大小为125 Mb，大约 1 /3 的双向启动子长度小于1 kb 水稻的基因组大小为390 Mb，大约 1 /7 的双向启动子长度小于1 kb 这种下降趋势在杨树中 表 现 更 明 显，虽 然 杨 树 具 有 更 大 的 基 因 组 ( 480 Mb) 和更多的基因 在杨树基因组中大约只有 7% 的双向启动子长度小于1 kb，约为水稻双向启动子的 1 /2 左右 当

15、以双向启动子长度小于250 bp为筛选标准时，仅搜索到 212 个水稻双向启动子，462 个拟南芥双向启动子和 141 个杨树双向启动子2杨树是继拟南芥和水稻之后的第 3 个进行全基因组测序的植物，在杨树中检测到的双向启动子少，可能是由于杨树的基因组利用了鸟枪法测序获得，其注释信息远不如基于图位克隆法测得的拟南芥和水稻全基因组序列的精细Bondino 和 Valle10 利用更新的拟南芥信息资源 网 站 ( The Arabidopsis Information Resource， TAIR) 上拟南芥基因组注释数据分析双向转录基因对，其结果与前述实验结论基本一致 一共确定了 6 438 个双

16、向转录基因对，占拟南芥基因组所有基因的 23. 7% ，长度小于1 kb 的双向启动子占 38. 4% ( 2 469个) 研究还发现，大约 98% 的“头对头”基因其 5'端是不重叠的，所对应的启动子属于第 1 类双向启动子2 双向启动子的结构特点对人类等脊椎动物的基因组研究发现，虽然也有一些双向启动子中含有 TATA 盒，如组蛋白基因的启动子11，12，但大多数的双向启动子缺少 TATA 盒1 Yang 等12研究结果亦显示，TATA 盒在双向启动子中出现的频率比较低 29% 的非双向启动子 ( non-bidirectional promoter) 具有 TATA 盒，而双向启动

17、子只有 9% 含有 TATA 盒 研究还发现，这些缺少 TATA 盒的双向启动子绝大多数都是持家基因的启动子13双向启动子不仅缺少 TATA 盒，大多数的已知转录因子结合位点在脊椎动物双向启动子中含量也较少14 不过有些转录因子结合位点( transcription factor binding sites，TFBSs) 却过量存在，这些结合位点包括 GA 结合蛋白 亚基( GA binding protein subnit，GABPA) /核呼吸因子 2 ( nuclear respiratory factor 2，NRF2) 、核呼吸因子 1 ( nuclear respiratory f

18、actor 1，NRF1) 、和核因子 Y( nuclear factor Y，NFY) 等转录因子的结合序列1，14 在拟南芥和水稻等植物基因组中，双向启动子中 TATA 盒的含量也较少，而 SORLIP2AT( 序列 GGGCC) 、SITEIIATCYTC ( 序列 TGGGCY) 和 UP1ATMSD( 序列 GGCCCAWWW) 等顺式调控元件却过量存在4 研究还表明，有些转录因子如 GABPA /NRF2 参与双向转录基因对的转录调控15，推测不含 TATA 盒的双向启动子的调控机 制 可 能 有 别 于 极 性 启 动 子 ( directional promoter) ，存在新

19、的调控手段双向启动子的另一个特点是具有较高的 GC 含量1，13，16 70. 8% 的人类双向启动子 GC 含量超过 60% ，GC 含量平均为 66% ，远高于随机抽取的启动子 53% 的 GC 含量1，12，13 水稻、拟南芥和杨树双向启动子的 GC 含量分别为 55% 、37% 和 48% ，也明显高于随机抽取的启动子的 GC 含量4 进一步研究 发 现，那 些 驱 动 基 因 对 共 表 达 ( gene pair coexpression) 的双向启动子 GC 含量显著大于其它双向启动子4 以上研究结果表明，无论是动物双向启动子还是植物双向启动子均具有较高的 GC 含量与高 GC

20、含量相对应的是，双向启动子也与 CpG 岛存在高度的相关性 90% 的人类双向启动子含有 CpG 岛，CpG 岛平均长度为 760 bp 而非双向启动子只有 45% 含有 CpG 岛，其平均长度为 557 bp，显著低于非双向启动子12，17 Yang 等12研究还发现，如果基因的启动子是双向启动子且含 CpG 岛，则基因表达水平高于那些启动子是非双向启动子且不含 CpG 岛的基因 前者有 31% 的基因表达水平高于随机选取的 79 个人类组织的 16 000 个基因的平均表达水平，而后者仅有 14% 的基因表达水平高于平均表达水平综上所述，双向启动子除了起始转录的方向有别于非双向启动子外，其

21、序列结构也大有不同 大部分的双向启动子缺少 TATA 盒，而有些调控元件却过量存在 另外，双向启动子均具有较高的 GC 含量并与 CpG 岛存在高度的相关性3 双向启动子的双向启动机制双向启动子启动基因表达的一个关键问题是，两侧基因是由 RNA 聚合酶二聚体同时转录还是由 2 个 RNA 聚合酶分别进行转录? 染色质免疫共沉淀( chromatin immunoprecipitation，ChIP) 分析结果显示，家蚕绒毛膜基因 A/B L9 表达与转录因子 IID ( transcription factor IID，TFIID) 结合在 -TATA 盒上有关，而 -TATA: TFIID

22、结合信号呈现滞后18，说明至 少 在 形 成 转 录 预 起 始 复 合 物 ( preinitiation complexes，PICs) 的最初阶段是不同步的 体外实验中，A/B L9 启动子可以在高迁移率族蛋白 A( high mobility group protein A，HMGA) 作用下弯曲19 在体内，如果将 2 个 RNA 聚合酶 II( RNA polymerase II，RNAPII) 填充到由 -和 -TATA 之间200 bp 的 DNA 弯曲回折 90 度形成的空隙里，将会形成非常紧凑的构型18 考虑到 TFIID 募集模式和空间位阻，DNA 回折过来并由 RNAP

23、II 形成二聚体同时起始转录( Fig 2A) 的可能性很低 最大的可能是，2 个 RNA 聚合酶不形成二聚体，是以单体的形式同时聚集在双向启动子两侧，在启动子两端起始转录( Fig2B) ，这一假设得到了最新研究结果的支持20 24Fig 2 Model showing two kinds of divergent transcription ( A) Both genes of the pair are simultaneously transcribed by RNA polymerase ( RNAPII ) holo-enzyme complex18 ( B ) A bidirect

24、ional promoter is simultaneously transcribed by two distinct RNAPII complexes which bind to each TATA box In this model，functional preinitiation complexes ( PICs) are formed，and two polymerases initiate transcription and enter into the productive elongation phase thereby leading to the production of

25、 an mRNA24Selia 等23分析了鼠短 RNA cDNA 文库中转录起始位点相关 RNA( transcription start site-associated RNAs，TSSa-RNAs) ，发现 TSSa-RNAs 并不是随机分布，而是双向围绕启动子 有义 TSSa-RNAs 集中分布在相关启动子转录起始位点下游 50 bp 处 反义TSSa-RNAs 分布在转录起始位点上游，在250 处出现分布高峰 考虑到 TSSa-RNAs 相对于转录起始位点的位置和方向，以及在转录起始位点的上下游也检测到大致等量的 RNA 聚合酶 II，推测双向转录 ( Fig 2B) 是大多数活性启

26、动子的特征20，23 这种双向起始转录特性与启动子的类型有关 对 665 个来自哺乳动物细胞或果蝇 S2 细胞含 TATA 盒的基因的 转 录 情 况 进 行 检 测，没 有 发 现 双 向 转 录 物 ( divergent transcripts)20 相反，那些含有 CpG 岛的启动子能够产生双向转录物，这与双向启动子的结构特点一致 并且在这些含有 CpG 岛的启动子两端发现 Ser5 磷酸化的 RNA 聚合酶 II 聚集，与启动子的双向起始转录相适应 推测 RNA 聚合酶的转录起始和延伸刺激了相反方向上的转录起始复合物的形成，使 RNA 聚合酶聚集在无核小体的 TSSs 两侧，维持染色

27、体的活性开放状态，以利于基因的转录24最终 RNA 聚合酶在具备染色质隔离功能和转录终止 功 能 的 黏 着 素 ( cohesin ) /CCCTC 结 合 蛋 白 ( CCCTC-binding factor，CTCF) 结合位点处减慢转录速度或停止下来25，26在人类基因组中，13 633 个基因( 大约占总基因 55% ，活性基因 77% ) 在有意义链启动子近端 1 kb 峰区呈现双向转录20，这一数量远超过我们目前所预测的人类含双向启动子的基因对( 占人类所有基因的 11% ) 在酵母中，若按双向转录基因对之间的 DNA 的长度为标准来筛选双向启动子，大约只有 30% 的蛋白质编码

28、基因之间的 DNA 序列为潜在的双 向 启 动 子27 然 而，当 利 用 无 核 小 体 区 ( nucleosome-free regions，NFRs ) 基 因 启 动 子 标志28，29来筛选双向启动子时，发现高达 66% 的蛋白质编码基因共享 1 个 NFRs，这些基因对之间仅有的 1 个无核小体区可认为是潜在的双向启动子30 通过上述 2 个实验可知，双向启动子的实际数量可能远远超过我们目前利用双向转录基因对转录起始位点之间的距离所估计出来的最大数量4 双向启动子结构对基因表达稳定性的影响众所周知，启动子的结构决定了基因表达的稳定性 当基因启动子中包含很多转录因子结合位点或者 T

29、ATA 盒时，基因的表达变动性就会变得相对较高31 33 基因表达的变动性与 TFBSs 的数目和 TATA 盒的存在成正相关34 对于双向启动子来说，一般不含 TATA 盒，其相应基因的表达变动性就比较低 特别是一些序列长度较短的双向启动子中转录因子结合位点数目也比较少，更降低了基因表达的变动性 可能的原因，第一是转录因子结合位点的数目比较少时，不需要长的启动子序列; 第二是较短的启动子长度限制了调控元件的复杂性，从而使基因表达变得稳定 后者可由试验证实，在芽殖酵母的基因组中，当双向启动子序列长度比较短时，头对头排列的基因表达变动性远小于预期，启动子两侧有强锚 定 的 核 小 体，而 启 动

30、 子 上 锚 定 的 核 小 体 较少34 推测双向启动子两侧强锚定核小体的存在可能消耗了核心启动子区的核小体锚定特性，从而使得基因表达变得稳定 总之，基因表达的稳定性与较短的双向启动子长度显著相关，即使排除了转录因子结合位点数目对基因表达变动性的影响对于那些编码复杂蛋白质亚基的基因来说，因为各亚基的剂量要保持平衡，高基因表达变动性对它们来说是有害，因此这些基因一般都具有较短的启动子序列35 这种现象在酵母和人类基因中都存在，这进一步证实了基因表达的稳定性与双向启动子长度之间的关系 双向启动子的长度对基因表达变动性的影响还需要进一步的实验证实，例如可以在双向启动子中插入或缺失非功能 DNA 片

31、段来研究 成功的操作启动子距离而不受转录的影响以及高精准的测算基因表达变动性将是一个严峻的挑战，也是未来研究的保证5 双向启动子结构对基因表达模式的影响利用 生 物 信 息 学 手 段 对 基 因 组 表 达 模 式 ( expression pattern) 进 行 分 析 发 现，基 因 共 表 达 ( coexpression) 现象在真核生物中普遍存在36 特别是双向转录基因对表达谱的相关性明显高于从基因组中随机选取的基因对的表达相关性的期望值5，当然也发现有少部分的双向启动子两侧基因表现出显著的表达负相关1，5 研究者提出多种模型来解释相邻基因对( neighboring gene

32、pairs) 的共表达机制，包括它们共享启动子或转录因子结合位点、居间序列的长度、转录通读( transcriptional readthrough) 和染色体重塑( chromatin remodeling) 等36 41对于双向转录基因对的共表达机制，亦有多种假设，其中直接的相互作用和共享染色体结构被人们普遍接受2，14，41 对于双向启动子来说，最重要的直接作用是共享转录调控位点，以及 RNA 聚合酶 II 从同一个启动子上进行的双向转录起始24 当双向启动子序列较短时，如果按百分比来计算染色体结构和直接的相互作用对基因共表达水平的影响，那么大约 70% 共表达信号由共享启动子区决定，而

33、共享染色体环境占 30%41 也就是说，在比较近的距离时，直接的转录水平上的相互作用变得相当重要当双向启动子序列长度超过400 bp时，共表达水平与启动子长度无关41 表明当双向启动子序列长度超过400 bp时，共表达水平主要是由共享染色体单位决定，而不是直接的转录相互作用 只要没有干扰基因，染色体调控的共表达水平不会随着启动子序列长度的增加而降低41，染色体结构单位会根据需要来调节以便这个单位延展到尽可能远，这种调节与启动子的长度无关由于双向转录基因对共享转录调控位点，而这又是双向启动子在转录水平上调控基因共表达的重要机制，因此，识别这些顺式作用元件调控特征的研究将为了解双向转录基因对共表达

34、现象提供重要的线索 顺式元件分为两类: 有的顺式调控元件是方向和位置敏感性元件，调控基因表达的能力依赖于它在调控区域上的方向和位置42，43; 有的顺式作用元件为方向和位置不敏感性元件，对基因表达水平的调控不受方向和位置的影响44，45 双向启动子序列中可能包括不同类型的顺式元件，因为不同的顺式元件在不同方向上的表现，导致双向启动子调控基因表达的方式不一，这或许可以解释双向转录基因对表达模式不尽相同的现象由于双向转录基因对的表达模式不尽相同，双向启动子启动两侧基因表达的具体机制还有待研究 双向启动子结构中除了启动子长度和转录调控元件外，也可能存在其它因素影响双向启动子的调控功能 未来的研究还需

35、要大量的转基因功能验证实验来证实双向转录基因对的表达模式，这对揭示双向转录基因对共表达机理将起到重要的辅助功能 随着研究的深入和大量可靠数据的收集，这种复杂的调控网络的原理将进一步得以阐明6 双向启动子的应用在对生物进行转基因改良的过程中，可能需要将不止一个的外源基因转入到特定的生物体内，这些外源基因需要在各自相应的启动子序列的调控下进行表达 由于用于遗传改良的启动子数量有限，所以在将多个基因转入生物体内时经常重复地使用一个特定的启动子或序列相近的启动子 这样虽然可以实现同时转入多个基因的愿望，但这种载体的构建费时费力 另一方面，因为引入的启动子序列同源，即使两个启动子之间只有90 bp的序列

36、同源，导入生物体内就会引起基因表达“共抑制”现象，导致基因转录的沉默46，这是在转基因技术中所要面临的困难和挑战由于双向启动子能够在两个方向上指导 mRNA 的生成10，47，这样在利用双向启动子进行转基因时，可以在其两端融合某生理或生化过程的两个基因或多个基因及其组合 这不仅避免了不同基因引入时的繁琐步骤，减少了引入受体生物中的启动子数目，更不必担心引入生物体内的启动子之间序列同源而导致的转基因沉默现象的发生46 目前，利用双向启动子进行转基因研究的例子并不多，并且多数为人工构建的双向启动子48 51 利用天然双向启动子进行转基因研究的重点仍然放在双向启动子的克隆与功能分析上10，51 54

37、 无论怎样，双向启动子的应用为解决转基因技术难题提供了可能，在基因工程研究和应用领域具有不可估量的作用，正成为转基因技术研究的新领域参考文献( References)1 Trinklein N D，Aldred S F，Hartman S J，et al An abundanceof bidirectional promoters in the human genome J Genome Res，2004，14( 1) : 62-662 Krom N，Ramakrishna W Comparative analysis of divergent and convergent gene pair

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56、neighboring genes in the zebrafish ( Danio rerio) genome JInt J Mol Sci，2009，10( 8) : 3658-367041Chen WH， deMeauxJ， LercherMJCo-expressionofneighbouring genes in Arabidopsis: separating chromatin effects from direct interactionsJ BMC Genomics，2010，11( 1) : 17842SmithDL， JohnsonADAmolecularmechanismforcombinatorial control in yeast: MCM1 protein sets the spacing and orientation of the homeodomains of an alpha 2 dimer JCell，1992，68( 1) : 133-14243S