原创 真核生物的启动子与转录起始

按照惯例，真核生物的启动子更加复杂。真核生物有三种RNAP，所以有相应的三类启动子。RNAP I负责转录rRNA，对应的是I类（class I）启动子，由核心启动子（-45至+20）和上游控制元件（-180至-107）构成。

小RNA对应的III类启动子又有3种类型，其中5 S rRNA基因和tRNA基因的启动子都属于下游启动子，即位于转录起点下游。其内部包含box A、box B、boxC等元件，需要由TFIIIA、TFIIIC等转录因子识别。而snRNA的启动子位于转录起点上游。

RNAP III的启动子与转录过程。Biochem Soc Trans. 2016 Oct 15; 44

研究最多的还是II类启动子，对应转录蛋白质编码基因的RNAP II（Pol II）。其TATA box相当于原核的Pribnow box，位于-25至-32位；在大约-80位有CAAT box，相当于原核的-35序列；另外还有GC box和八聚体（octamer）box，以及一些应答元件（response element）等。

TATA box又称为基本启动子（basal promoter），它与上游的TFIIB识别元件（TFIIB recognition element，BRE）、以转录起始位点为中心的起始子(initiator, Inr)，以及下游启动子元件(downstream promoter element, DPE)一起构成核心启动子，其它均称为上游元件。

在真核生物的转录调控中，另一种常用的顺式元件是增强子（enhancer）。增强子是与辅因子和转录因子（TFs）结合的DNA元件，能够通过直接刺激启动子（通常通过染色质环）来增加其靶基因的转录水平。

增强子通过启动子调控转录。Oncotarget. 2015 Oct 20; 6(32): 32509–32525.

启动子的位置是确定的，即与基因之间有特定的距离和方向。增强子则不同，它可能与其调节的启动子相距数千Kb，可以在上游或下游。当处于非活性状态时，二者不会靠近。但在活性状态下，增强子通过形成环状结构而在三维空间上接近启动子，并将相应转录因子募集到该区域，从而促进基因表达。

转录调控与染色质结构密切相关。活性增强子通常没有核小体结构，以利于TF的结合。而其附近的组蛋白经常具有表观遗传标记，例如H3K4me1（组蛋白H3的4位赖氨酸单甲基化）和H3K27的乙酰化（H3K27ac）。而H3K4的三甲基化（H3K4me3）通常在基因启动子上富集。

增强子与启动子的表观遗传标记。Cells. 2019 Oct; 8(10): 1281.

参与转录调控的顺式元件还包括绝缘子（insulator）和沉默子（silencer）等。前者可以隔绝某些顺式元件对基因表达的调控作用，也可以防止异染色质扩散；后者抑制某一区域内的转录。

真核生物的转录起始同样分为3个步骤，先识别启动子形成封闭的前起始复合物，然后DNA解链形成开放复合物；最后通过“启动子解脱”过渡到延伸阶段。

真核转录的早期步骤。Genes Dev. 2019 Aug 1;33(15-16):960-982.

原核生物的初始封闭复合物（RPC）由RNAP和promoter构成，而真核生物的启动子识别还需要很多转录因子（transcription factor，TF），它们起着类似σ因子的作用。真核生物的初始封闭复合物称为前起始复合物（preinitiation complex，PIC），其中包括中介体复合物（mediator complex）和多种通用转录因子（GTF），如TFIIA，TFIIB，TFIID，TFIIE，TFIIF和TFIIH。

TFIID识别核心启动子。Nat Rev Genet. 2010 Aug; 11(8): 549–558.

TFIID是真核mRNA基因的核心启动子识别因子，是一个很大的组装体，分子量大于1 MD。它包括TATA结合蛋白（TBP）和13-14个不同的TBP相关因子（TAF）。TFIID识别DNA上的核心启动子区域，随后募集Pol II，TFIIH和Mediator复合物，组装前起始复合物。

TFIID结构与RNAP的募集。Curr Opin Struct Biol. 2019 Nov 18;61:17-24

Mediator（中介体）也是一个分子量上兆的巨大复合物，参与PIC的募集与组装。它与Pol II大亚基Rpb1的羧端结构域（CTD）相互作用，当CTD非磷酸化时二者结合，磷酸化后就会分离。中介体也参与转录调控，根据其组分不同而对转录其促进或抑制作用。

当TFIIH被募集之后，TFIIH相关的解旋酶会促进转录泡的形成，并允许模板DNA进入Pol II活性位点。这样就启动了RNA合成，在Pol II活性位点内产生杂合双链。

RNA不断延伸，但复合体与启动子的结合仍然存在，从而阻止了聚合酶向前移动，因而不断积累应力。在形成大于10 nt的RNA后，转录泡的上游区域坍塌，从而允许模板链和编码链DNA重新结合。

有人认为该过程获得的能量可以推动聚合酶向前运动，使启动子解脱步骤得以实现。当然启动子解脱也是一个复杂的过程，还涉及Pol II羧端结构域（CTD）的磷酸化等过程。CTD的磷酸化可以干扰其与中介体（Mediator）的结合，协助与启动子的脱离。

现已陆续发现，在转录起始过程中，会有多种RNA参与。例如，增强子会转录出增强子RNA（eRNA），可以稳定染色质环，还可能参与转录延伸过程。

eRNA稳定染色质环。Epigenet Insights. 2019; 12: 2516865719846093.

一些转录组研究表明，多数基因的启动子区域会转录出一些非编码RNA，称为启动子相关非编码RNA（promoter-associated noncoding RNAs，pancRNAs）。它们可能通过顺式元件作用促进或抑制转录，已有多种模型（J Exp Clin Cancer Res. 2020 Mar 17;39(1):51.）。

pancRNA作用机制模型。J Exp Clin Cancer Res. 2020 Mar 17;39(1):51.

上世纪60年代就已经发现，原核和真核RNA聚合酶可以利用2-8 nt的RNA 在体外引发转录起始。2011年，Goldman等人在铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）中发现，2-4 nt 的nanoRNA（纳米RNA）可在体内引发转录起始（Mol Cell. 2011 Jun 24; 42(6): 817–825.）。

纳米RNA调控转录起始。J Mol Biol. 2011 Oct 7; 412(5): 772–781.

这种极小的RNA可被特异性的寡核糖核酸酶（Orn）降解，Orn的失活会导致nanoRNA积累并引发广泛的RNA转录。所以nanoRNA介导的启动可以作为一种基因表达调控方式。返回搜狐，查看更多