启动子—基因表达的发动机

众所周知，一段基因从转录开始，最终形成蛋白质执行功能，离不开一个高效、匹配的启动子。启动子的一般结构包括核心启动子元件和上游调控元件。核心启动子元件又包括转录起始点和TATA框，主要作为RNA聚合酶结合并起始转录的位点，上游调控元件能够通过与对应的反式作用因子相结合改变转录的效率，如图1。

图1. 启动子示意图

启动子由于元件和位置不同，转录的能力也不同。好的启动子就像好的发动机，响应各种调控，起始各种生命活动。基因编辑技术更是离不开形形色色的启动子，来实现组织特异性表达。今天我们就盘点一下基因编辑中常见的启动子。

1. CMV启动子

CMV启动子顾名思义，是人们从人巨细胞病毒（Cytomegalovirus, CMV）中发现的强启动子。因此，只要CMV病毒能够感染的细胞，该启动子都能起始转录过程。CMV启动子有多强呢？同样是从病毒中发现的启动子，CMV启动子的转录活性比SV40启动子还高，见图2。

图2. CMV启动子与其他启动子比较^[1]‍

究其原因，人们发现CMV病毒IE1、IE2基因上游调节区复合体集中了多个转录因子结合位点，形成增强子影响病毒蛋白表达，如图3。增强子的存在使CMV启动子被认为是真核生物中最强的启动子之一。

图3. CMV启动子‍
 

利用CMV的强启动能力，人们构建了CMV-Cre小鼠，作为全身表达的Cre鼠，用于得到条敲flox小鼠的全敲后代。不过CMV启动子虽强，却有一个缺点：由CMV启动子转录的基因可能在某些细胞（如HESC、HiPS等）中被沉默，导致没有蛋白表达。具体的沉默机制暂不明确。因此人们迫切需要一种强启动、广泛表达、不受沉默机制干扰的启动子。

2. CAG启动子

人们认识到CMV启动子的不足后，通过将不同物种的启动子“复制粘贴”到一起，构建了一系列人工启动子，比如所CAG、CBA等等启动子。CAG启动子包含CMV病毒启动子的增强子序列，鸡β-actin的启动子以及兔β-Globin的剪接受体，如图4。

图4. CAG启动子‍

分析来看，CAG启动子保留了CMV病毒的增强子，因此转录能力与CMV启动子不相上下，鸡β-actin启动子则为它提供了更加广泛的表达谱，因此CAG启动子可以用于大多数基因编辑策略。举个栗子，mT/mG小鼠就是通过CAG启动子驱动ACTB-tdTomato.-EGFP在膜上表达，无Cre重组酶时表达tdTomato，有Cre重组酶时表达GFP，指示Cre鼠的特异性，如图5。

图5. mT/mG小鼠与Cre小鼠交配后荧光成像^[2]‍

3. 特异性启动子

CMV和CAG启动子都是组成型启动子，而基因编辑能在科研领域大放异彩，很重要的一点是能够在特异的组织细胞中进行条件性的基因编辑。为了实现这一目的，人们发现并应用了一系列的特异性表达的启动子。利用这些特异性的启动子，百奥赛图制备了相对应的特异性表达Cre大小鼠，见表1。

表1. 部分百奥赛图Cre工具大小鼠示例

有了特异性启动子，Cre鼠能够在目的组织/细胞内表达Cre重组酶，实现条件性地敲除或敲入。以表中的B-Ucp1-iCre小鼠为例，Ucp1启动子可以在线粒体、脂肪细胞中起始转录Cre重组酶。该小鼠与mT/mG小鼠交配验证数据如图6。

图6. B-Ucp1-iCre小鼠的特异性表达^[3]‍

真核基因编辑领域的启动子就带领大家了解到这，在原核系统以及真核细胞的其他应用领域，还有许多其他经典启动子，如LacZ、EF1α、CBA等等，就不再赘述了。除了启动子，基因编辑还涉及到大量元件，人们利用这些元件实现多种多样的目的，后续我们还会为大家带来更多知识内容。记得关注百奥赛图哦。

参考文献

[1] Zarrin A A, Malkin L, Fong I, et al. Comparison of CMV, RSV, SV40 viral and Vλ1 cellular promoters in B and T lymphoid and non-lymphoid cell lines[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Gene Structure and Expression, 1999, 1446(1-2): 135-139.

[2] Muzumdar MD; Tasic B; Miyamichi K; Li L; Luo L. 2007. A global double-fluorescent Cre reporter mouse. Genesis 45(9):593-605

[3] Speakman J R. Brown adipocytes can display a mammary basal myoepithelial cell phenotype in vivo[J]. 2017.
 

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