啟動子
啟動子是位于結構基因5,端上游的一段DNA序列,能夠指導全酶(holoenzyme)同模板正確結合,活化RNA聚合酶,啟動基因轉錄。全酶是指酶蛋白及其輔酶構成的有功能的復合物。RNA,聚合酶的核心酶雖可合成RNA,但不能找到模板DNA上的轉錄起始位點,只有帶σ因子的全酶才能專一地同啟動子結合。RNA聚合酶沿著模板前進,直到終止子,轉錄產(chǎn)生一條RNA鏈。通常把基因轉錄起點前面即5’端的序列稱為上游(upstream),起點后面即3’端的序列稱為下游(downstream)。并把起點的位置記為十1,下游的核苷酸依次記為 2, 3,……,上游方向依次記為—1,—2,—3,……。
RNA聚合酶同啟動子結合的區(qū)域稱為啟動子區(qū)。將各種原核基因同RNA聚合酶全酶結合后,用DNase I水解DNA,最后得到與RAN聚合酶結合而未被水解的DNA片段,這些片段有一個由5個核苷酸(TATAA)組成的共同序列,以其發(fā)現(xiàn)者的名字命名為Pribnow框(Pribnowbox),這個框的中央位于起點上游10bp處,所以又稱—10序列(—10 sequence),后來在—35 bp處又找到另一個共同序列(TTGACA)。Hogness等在真核基因中又發(fā)現(xiàn)了類似Pribnow框的共同序列,即位于—25~—30 bp處的TATAAAAG,也稱TATA框(TATAbox)。TATA框上游的保守序列稱為上游啟動子元件(upstream promoter element,UPE)或上游激活序列(uptreamactivatingsequence,UAS)。另外在—70~—78 bp處還有一段共同序列CCAAT,稱為CAAT框(CAAT box)
原核生物中—10區(qū)同—35區(qū)之間核苷酸數(shù)目的變動會影響基因轉錄活性的高低,強啟動子一般為17±1 bp,當間距小于15 bp或大于20 bp時都會降低啟動子的活性。
在真核基因中,有少數(shù)基因沒有TATA框。沒有TATA框的真核基因啟動子序列中,有的富集GC,即有GC框;有的則沒有GC框。GC框位于—80~—110bp處的GCCACACCC或GGGCGGG序列。
TATA框的主要作用是使轉錄精確地起始;CAAT框和GC框則主要是控制 轉錄起始的頻率,特別是CAAT框對轉錄起始頻率的作用更大。如在TATA框同相鄰的UPE之間插入核苷酸,也會影響轉錄使之減弱。
為什么RNA聚合酶能夠僅在啟動子處結合呢?顯然啟動子處的核苷酸順序具有特異的形狀以便與RNA聚合酶結合,就好像酶與其底物的結構相恰恰適合一樣。將100個以上啟動子的順序進行了比較,發(fā)現(xiàn)在RNA合成開始位點的上游大約10bp和35bp處有兩個共同的順序,稱為-10和-35序列。這兩個序列的共同順序如下,-35區(qū)“AATGTGTGGAAT”,-10區(qū)“TTGACATATATT”。大多數(shù)啟動子均有共同順序(consensus sequence),只有少數(shù)幾個核苷酸的差別。
-10序列又稱為Pribnow盒(原核生物)。在真核生物中相應的序列位于-35bp處,稱為TATA盒,又稱為Goldberg-Hognessbox,是RNA聚合酶Ⅱ的結合部位。-10和-35這兩個部位都很重要:[1]RNA聚合酶能和-35和-10序列中的堿基和DNA主鏈中的磷酸基相接觸;[2]離開共同順序較遠的啟動子的活性亦較弱;[3]最重要的是,破壞啟動子功能的突變中有75%都是改變了共同順序中的堿基,其余25%亦為離共同順序較近的。-35和-10序列相距約20bp,即大致是雙螺旋繞兩圈的長度。因為這兩個結合區(qū)是在DNA分子的同一側面,可見此酶是結合在雙螺旋的一面。可以想像,它能"感覺到每個結合區(qū)的溝底中堿基所產(chǎn)生的特異形狀。"
原核生物亦有少數(shù)啟動子缺乏這兩個序列(-35和-10)之一。在這種情況下,RNA聚合酶往往不能單獨識別這種啟動子,而需要有輔助蛋白質(zhì)的幫助。可能是這些蛋白質(zhì)因子與鄰近序列的反應可以彌補啟動子的這個缺陷。
在真核生物中,在轉錄起始位點上游70-80bp處有CAAT順序,也稱為CAAT盒。這一順序也是比較保守的共同順序:GCCTCAATCT。RNA聚合酶Ⅱ可以識別一順序。近年來在對家兔β珠蛋白基因CAAT順序的研究中發(fā)現(xiàn),用人工方法誘導CAAT順序發(fā)生突變使家兔β珠蛋白基因的轉錄水平降低。
啟動子中的-10和-35序列是RNA聚合酶所結合和作用必需的順序。但是附近其他DNA順序也能影響啟動子的功能。例如,在核糖體RNA合成的起始位點的上游50到150核苷酸之間的順序就是對啟動子的完全活性所必需的。如果這一段DNA順序缺失并由其他外來DNA所取代(例如克隆在質(zhì)粒DNA中的rRNA基因),則轉錄起始的頻率將降低10倍。同樣,在其他情況下,遠隔部位的富有AT的DNA順序被認為能增進轉錄起始的頻率。有時候上游順序可以是某些能直接激活RNA聚合酶的"激活蛋白"的結合部位。但是,上游順序往往有另外的功能。例如上游順序可以吸引拓撲異構酶,后者可導致結合的局部產(chǎn)生有利于轉錄起始的超螺旋狀態(tài)。上游順序所引起的DNA結構的微細變化可能在雙螺旋上被傳導到相當遠的距離,因此上游順序的變化可以影響到-10和-35區(qū)的DNA結構細節(jié)。
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