真核生物双向启动子的结构与功能(10页).doc
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1、-真核生物双向启动子的结构与功能-第 901 页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 GC 含量和丰富的 CpG 岛 本文
2、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) State Key Laboratory o
3、f 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 is that two RNA pol
4、ymerases 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 summarize current u
5、nderstanding 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 promoter; transcription r
6、egulation; 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) ,也可称之为“头对头”基因对(
7、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: 启动子序列重叠的双向启动子( Fig. 1A ) 和 启 动
8、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Tel: 0537-4456415;E-mail: sjli
9、usj 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 NormalUniversity( No XJ200921)* Correspon
10、ding authorTel: 0537-4456415;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 Gene2 represent a divergent gen
11、e 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为标准来筛选双向启动子时,在人类基因组中确定了1 352
12、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 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
13、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、2 106和 613 个双向启动子,占到了 各 自 所 有 双 向 启 动 子 的
14、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,46
15、2 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
16、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
17、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 factor 1,NRF1) 、和核因子 Y( nuclear factor Y,NFY) 等转录
18、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
19、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 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
20、 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
21、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 结合信号呈现滞后18,说明至 少 在 形 成 转 录 预 起 始 复 合 物 ( preinit
22、iation 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 RNAPII 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
23、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 bidirectional promoter is simultaneously transcribed by
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