真核生物双向启动子的结构与功能

·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(bidirectionalpromoter)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Q344StructureandFunctionsofEukaryoticBidirectionalPromotersLIUShi-Juan1)*，ZHENGCheng-Chao2)*(1)CollegeofLifeSciences，QufuNormalUniversity，Qufu273165，Shandong，China;2)StateKeyLaboratoryofCropBiology，ShandongAgriculturalUniversity，Taian271018，Shandong，China)AbstractAbidirectionalpromoterisknownasashortDNAsegmentbetweentwoadjacentgenestranscribedinoppositedirections．Thepossiblemechanismoftwo-waytranscriptionatthebidirectionalpromoteristhattwoRNApolymerasesaresimultaneouslyengagedattheboundariesofthenucleosomefreeregionandinitiatetranscriptioninbothdirections．Bidirectionalpromotersaredistributedintheeukaryoticgenomes，mostofwhicharebothG/C-richasCpGislandsandlackTATAboxes．Inthisreview，wesummarizecurrentunderstandingonthebidirectionalpromoteroftheirarchitectureandthecoexpressionpatternsorstabilityoftheirdrivengenepairs．Wealsodiscusstheapplicationofbidirectionalpromotersingenestackingfortransgenicorganismsandgenefarming．Keywordsbidirectionalpromoter;transcriptionregulation;RNApolymerase;genecoexpression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(bidirectionalgenepairs)，也可称之为“头对头”基因对(head-to-headgenepairs)［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(transcriptionstartsite，TSS)之间的距离小于1kb左右时，这段基因间DNA序列可称之为双向启动子ISSNCN1007-762611-3870/Q中国生物化学与分子生物学报．bjmu．edu．cnChineseJournalofBiochemistryandMolecularBiology2011年10月27(10):894～900第10期刘石娟等:真核生物双向启动子的结构与功能895(bidirectionalpromoter)［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-directionaloropposing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:[e-mail]，[e-mail]:July4，2011;Accepted:August30，2011SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No．31070240)，ShandongProvincialNaturalScienceFoundationofChina(No．ZR2011CQ016)，andNaturalScienceFoundationofQufuNormalUniversity(No．XJ200921)*CorrespondingauthorTel:0537-4456415;E-mail:[e-mail]，[e-mail])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．1AsummaryillustrationofbidirectionalpromoterorganizationP1andP2arethepromoters．Gene1andGene2representadivergentgenepairs．Arrowsrepresenttranscriptionstartsitesandpromoterdirections．Thepromoterscanbearrangedintwoways．(A)Thepromoterscanoverlap［6］．(B)Thepromoterscannotoverlapbuthead-to-headgenepairsoverlap［5］1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1kb为标准来筛选双向启动子时，在人类基因组中确定了1352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，1037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300bp．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1262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1071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896中国生物化学与分子生物学报第27卷点之间的距离即双向启动子长度分布在0到400bp，尤其是101到200bp之间．在拟南芥、水稻和杨树等植物基因组中，分别确定了5763、8742和8823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1kb)，在以上植物基因组中搜索双向启动子，分别确定了1242、2106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1kb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125Mb，大约1/3的双向启动子长度小于1kb．水稻的基因组大小为390Mb，大约1/7的双向启动子长度小于1kb．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(480Mb)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1kb，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250bp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Valle［10］利用更新的拟南芥信息资源网站(TheArabidopsisInformationResource，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6438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1kb的双向启动子占38.4%(2469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-bidirectionalpromoter)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(transcriptionfactorbindingsites，TFBSs)却过量存在，这些结合位点包括GA结合蛋白α亚基(GAbindingproteinαsubnit，GABPA)/核呼吸因子2(nuclearrespiratoryfactor2，NRF2)、核呼吸因子1(nuclearrespiratoryfactor1，NRF1)、和核因子Y(nuclearfactorY，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GGCCCA)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(directionalpromoter)，存在新的调控手段．第10期刘石娟等:真核生物双向启动子的结构与功能897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