第三章 第二节 启动子与增强子
教学目标：
教学重、难点：
教学内容：
一、原核生物启动子
1 启动子：是一段位于结构基因 5 '端上游区的 DNA 序列，在转录起始之前被 RNA 聚合酶结合的 DNA
部位称为启动子；启动子的结构影响它与 RNA 聚合酶的亲和力，决定基因表达强度。
转录单元：是一段从启动子开始到终止子（ terminator ）结束的 DNA 序列， RNA 聚合酶从转录
起点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条 RNA 链；在细菌中，一个转录单
元可以是一个基因，也可以是几个基因。
2 转录起点：指与新生 RNA 链第一个核苷酸相对应 DNA 链上的碱基，研究证实通常为一个嘌呤。
上游：常把起点前面，即 5 '末端的序列称为（ upstream ）上游;
下游：起点后面即 3 '末端的序列称为下游（ downstream ）。
在描述碱基的位置时，起点为＋ 1 ，下游方向依次为＋ 2 ，＋ 3 „„，
上游方向依次为－ 1 ，－ 2 ，－ 3 „„。
3 启动子结构：
Pribnow框：在起始点上游，几乎在所有启动子都存在一个6 bp富含A/T区域TATAAT。通常位于－18
位到－9位，称为Pribnow框。该区域是RNA聚合酶牢固结合位点，RNA聚合酶结合后，
这一富含A/T的DNA双链解开。
Sextama框：位于－35区附近有一TTGACA序列，是RNA聚合酶中的σ因子识别位点。以上这两个位点
对于转录起始都是非常重要的。σ因子识别－35区并与之结合。由于RNA聚合酶分子覆盖面积能达到70bp，因此酶分子上的一个合适部位能接触－10区。酶分子一旦与－10区结合以后，就从识别位点上解离下来。此外，－35序列的重要性还在于在很大程度上决定了启动子的强度。。 － 10 区和－ 35 区的最佳距离 ：
在原核生物中，－ 35 区和－ 10 区的距离大约是 16 ～ 19bp ，小于 15bp 或大于 20bp 都会降低启动子的活性；保持启动子这两段序列以及它们之间的距离是十分重要的，否则就会改变它所控制的基因表达水平。
在细菌中常见两种启动子突变：
下降突变：如果把 Pribnow 其从 TATAAT 变成 AATAAT ，就会大大降低其结构基因的转录水平； 上升突变:：即增加 Pribnow 区共同序列的同一性。
突变后的 -10 区和 -35 区越接近共同序列，转录的 RNA 就越多；越远离共同序列，转录的 RNA 就越少。
例如，在乳糖操纵子的启动子中，将其 Pribnow 区从 TATGTT 变成 TATATT ，就会提高启动子的效率，提高乳糖操纵子基因的转录水
4 启动子区的识别
一般认为， RNA 聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。
在启动子区 DNA 双螺旋结构中，腺嘌呤分子上的 N6 、鸟嘌呤分子上的 N2 、胞嘧啶分子上的 N4 都是氢键供体，而腺嘌呤分子上的 N7 、 N3 ，胸腺嘧啶分子上的 O4 、 O2 ，鸟嘌呤分子上的 N7 、 O6 、 N3 和胞嘧啶分子上的 O2 都是氢键受体。
由于它们分别处于 DNA 双螺旋的大沟和小沟内，因此都具有特定方位，而酶分子中也有处于特定空间构象的氢键受体与供体，当它们与启动子中对应的分子在一定距离内互补时，就形成氢键，相互结合。这种氢键互补学说较为圆满地解释了启动子功能既受 DNA 序列的影响，又受其构象影响这一事实。
二、真核生物启动子
真核生物启动子有三类，分别由RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ进行转录。
类别Ⅰ（class Ⅰ）启动子：
只控制rRNA前体基因的转录，转录产物经切割和加工后生成各种成熟rRNA。
类别Ⅰ启动子由两部分保守序列组成： 核心启动子
（core promoter）
：位于转录起点附近，从-45至+20；
上游控制元件（upstream control element，UCE）：位于-180至-107；
RNA聚合酶Ⅰ对其转录需要2种因子参与：
UBF1：一条M为97000的多肽链，结合在上述两部分的富含GC区；
1TBP，即TATA结合蛋白（TATA-binding protein，TBP）；
SL1：一个四聚体蛋白，含有 3个不同的转录辅助因子TAFⅠ；
在SL1因子介导下RNA聚合酶Ⅰ结合在转录起点上并开始转录。
类别Ⅱ（class Ⅱ）启动子：
类别Ⅱ启动子涉及众多编码蛋白质的基因表达的控制。
该类启动子包含4类控制元件：
基本启动子（basal promoter）：序列为中心在-25至-30左右的7 bp保守区，TATAAAA/T，称为TATA
框或Goldberg-Hogness 框。与RNA聚合酶的定位有关，DNA双链在此
解开并决定转录的起点位置。失去TATA框，转录将在许多位点上开始。
起始子（initiator）：转录起点位置处的一保守序列，共有序列为：PyPyANT(A)PyPy +1
Py为嘧啶碱（C或T），N为任意碱基，A为转录的起点。DNA在此解开并起始
转录。
上游元件（upstream factor）：普遍存在的上游元件有CAAT框、GC框和八聚体（octamer）框等。CAAT
框的共有序列是GCCAATCT，GC框的共有序列为GGGCGG和CCGCCC，
八聚体框含有8bp，共有序列为ATGCAAAT；
应答元件（response element）：诱导调节产生的转录激活因子与靶基因上的应答元件结合。如热休克效
应元件HSE的共有序列是CNNGAANNTCCNNG，可被热休克因子HSF
识别和作用；血清效应元件SRE的共有序列CCATATTAGG，可被血清效
应因子SRF识别和作用。
参与RNA聚合酶Ⅱ转录起始的各类因子数目很大，可分为3类：
通用因子（general factor）：作用于基本启动子上的辅助因子称为通用（转录）因子（GTF），或基本转
录因子（basal transcription），为任何细胞类别Ⅱ启动子起始转录所必需，以
TFⅡⅩ来表示，其中Ⅹ按发现先后次序用英文字母定名，如TFⅡA、TFⅡD、
TFⅡH。
上游因子（upstream factor）：或转录辅助因子（transcription ancillary factor），是指识别上游元件的转录
因子。
可诱导因子（inducible factor）：在真核生物中，与细胞类型和发育阶段相关的基因表达，主要通过转录
因子的重新合成来进行调节的，是长期的过程。对外界刺激的快速反应
则主要通过转录激活物（transcription activator）的可诱导调节。这些诱
导的转录激活因子与靶基因上所谓应答元件相结合。
类别Ⅲ（class Ⅲ）启动子：
类别Ⅲ启动子为RNA聚合酶Ⅲ所识别，他涉及一些小分子RNA的转录。
RNA聚合酶Ⅲ的启动子有3种类型结构：
类型1基因内启动子：如5S rRNA基因的启动子，位于转录起点下游，即在基因内部，是下游启动子，
有两个框架序列，被3种辅助因子所识别。5S rRNA基因的启动子包括框架A（box
A）、中间元件（intermediate element）和框架C（box C）3个元件组成。TFⅢA
结合在框架A上，然后促使TFⅢC结合，后者结合导致TFⅢB结合到转录起点
附近，并引导RNA聚合酶Ⅲ结合在起点上。TFⅢB使RNA聚合酶Ⅲ正确定位，
起“定位因子”（positioning factor）作用。
类型2基因内启动子：如tRNA基因的启动子，有两个控制元件，分别为框架A和框架B。TFⅢC结合
框架B，其结合区域包括框架A和框架B，然后导致TFⅢB结合到转录起点附近，
并引导RNA聚合酶Ⅲ结合在起点上。
上游启动子：如snRNA基因的启动子，位于转录起点上游。有3个上游元件：OCT（八聚体基序 octamer
motif）、PSE（邻近序列元件 proximal sequence element）、TATA元件。在RNA聚合酶Ⅲ
的上游启动子中，只有靠近起点存在TATA元件，就能起始转录。然而PSE和OCT
元件
的存在将会增加转录效率。
三、增强子及其功能
增强子（ enhancer ）：能强化转录起始的序列称为增强子或强化子
（1）在 SV40 的转录单元上存在增强子，它位于转录起始位点上游约 200bp 处，为两段 72bp 的重复序列，它们不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始，除去这两段序列会大大降低这些基因的转录水平，若保留其中一段或将其取出插在 DNA 分子的任何部位，就能保持基因的正常转录；除 SV40 外，还在反转录病毒基因、免疫球蛋白基因、胰岛素基因、胰麋蛋白酶基因等许多基因的启动子区中陆续发现了增强子的存在。增强子很可能通过影响染色质DNA- 蛋白质结构或改变超螺旋的密度而改变模板的整体结构，从而使得 RNA 聚合酶更容易与模板 DNA相结合，起始基因转录。
（2）增强子的作用特点：
①增强效应非常明显；
②增强子提高同一条 DNA 链上基因转录效率，可以远距离作用，通常可距离1 ～ 4kb 、个别情况下离开所调控的基因 30kb 仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用；
③增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用；
④增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性；
⑤但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录；
⑥增强子必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用；
⑦增强子一般具有组织或细胞特异性；
⑧大多为重复序列。
沉默子 最早在酵母中发现，以后在 T 淋巴细胞的T 抗原受体基因的转录和重排中证实这种负调控顺
式元件的存在。目前对这种在基因转录降低或关闭中起作用的序列研究还不多，但从已有例子看到：沉默子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。
第三章 第二节 启动子与增强子
教学目标：
教学重、难点：
教学内容：
一、原核生物启动子
1 启动子：是一段位于结构基因 5 '端上游区的 DNA 序列，在转录起始之前被 RNA 聚合酶结合的 DNA
部位称为启动子；启动子的结构影响它与 RNA 聚合酶的亲和力，决定基因表达强度。
转录单元：是一段从启动子开始到终止子（ terminator ）结束的 DNA 序列， RNA 聚合酶从转录
起点开始沿着模板前进，直到终止子为止，转录出一条 RNA 链；在细菌中，一个转录单
元可以是一个基因，也可以是几个基因。
2 转录起点：指与新生 RNA 链第一个核苷酸相对应 DNA 链上的碱基，研究证实通常为一个嘌呤。
上游：常把起点前面，即 5 '末端的序列称为（ upstream ）上游;
下游：起点后面即 3 '末端的序列称为下游（ downstream ）。
在描述碱基的位置时，起点为＋ 1 ，下游方向依次为＋ 2 ，＋ 3 „„，
上游方向依次为－ 1 ，－ 2 ，－ 3 „„。
3 启动子结构：
Pribnow框：在起始点上游，几乎在所有启动子都存在一个6 bp富含A/T区域TATAAT。通常位于－18
位到－9位，称为Pribnow框。该区域是RNA聚合酶牢固结合位点，RNA聚合酶结合后，
这一富含A/T的DNA双链解开。
Sextama框：位于－35区附近有一TTGACA序列，是RNA聚合酶中的σ因子识别位点。以上这两个位点
对于转录起始都是非常重要的。σ因子识别－35区并与之结合。由于RNA聚合酶分子覆盖面积能达到70bp，因此酶分子上的一个合适部位能接触－10区。酶分子一旦与－10区结合以后，就从识别位点上解离下来。此外，－35序列的重要性还在于在很大程度上决定了启动子的强度。。 － 10 区和－ 35 区的最佳距离 ：
在原核生物中，－ 35 区和－ 10 区的距离大约是 16 ～ 19bp ，小于 15bp 或大于 20bp 都会降低启动子的活性；保持启动子这两段序列以及它们之间的距离是十分重要的，否则就会改变它所控制的基因表达水平。
在细菌中常见两种启动子突变：
下降突变：如果把 Pribnow 其从 TATAAT 变成 AATAAT ，就会大大降低其结构基因的转录水平； 上升突变:：即增加 Pribnow 区共同序列的同一性。
突变后的 -10 区和 -35 区越接近共同序列，转录的 RNA 就越多；越远离共同序列，转录的 RNA 就越少。
例如，在乳糖操纵子的启动子中，将其 Pribnow 区从 TATGTT 变成 TATATT ，就会提高启动子的效率，提高乳糖操纵子基因的转录水
4 启动子区的识别
一般认为， RNA 聚合酶并不直接识别碱基对本身，而是通过氢键互补的方式加以识别。
在启动子区 DNA 双螺旋结构中，腺嘌呤分子上的 N6 、鸟嘌呤分子上的 N2 、胞嘧啶分子上的 N4 都是氢键供体，而腺嘌呤分子上的 N7 、 N3 ，胸腺嘧啶分子上的 O4 、 O2 ，鸟嘌呤分子上的 N7 、 O6 、 N3 和胞嘧啶分子上的 O2 都是氢键受体。
由于它们分别处于 DNA 双螺旋的大沟和小沟内，因此都具有特定方位，而酶分子中也有处于特定空间构象的氢键受体与供体，当它们与启动子中对应的分子在一定距离内互补时，就形成氢键，相互结合。这种氢键互补学说较为圆满地解释了启动子功能既受 DNA 序列的影响，又受其构象影响这一事实。
二、真核生物启动子
真核生物启动子有三类，分别由RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ进行转录。
类别Ⅰ（class Ⅰ）启动子：
只控制rRNA前体基因的转录，转录产物经切割和加工后生成各种成熟rRNA。
类别Ⅰ启动子由两部分保守序列组成： 核心启动子
（core promoter）
：位于转录起点附近，从-45至+20；
上游控制元件（upstream control element，UCE）：位于-180至-107；
RNA聚合酶Ⅰ对其转录需要2种因子参与：
UBF1：一条M为97000的多肽链，结合在上述两部分的富含GC区；
1TBP，即TATA结合蛋白（TATA-binding protein，TBP）；
SL1：一个四聚体蛋白，含有 3个不同的转录辅助因子TAFⅠ；
在SL1因子介导下RNA聚合酶Ⅰ结合在转录起点上并开始转录。
类别Ⅱ（class Ⅱ）启动子：
类别Ⅱ启动子涉及众多编码蛋白质的基因表达的控制。
该类启动子包含4类控制元件：
基本启动子（basal promoter）：序列为中心在-25至-30左右的7 bp保守区，TATAAAA/T，称为TATA
框或Goldberg-Hogness 框。与RNA聚合酶的定位有关，DNA双链在此
解开并决定转录的起点位置。失去TATA框，转录将在许多位点上开始。
起始子（initiator）：转录起点位置处的一保守序列，共有序列为：PyPyANT(A)PyPy +1
Py为嘧啶碱（C或T），N为任意碱基，A为转录的起点。DNA在此解开并起始
转录。
上游元件（upstream factor）：普遍存在的上游元件有CAAT框、GC框和八聚体（octamer）框等。CAAT
框的共有序列是GCCAATCT，GC框的共有序列为GGGCGG和CCGCCC，
八聚体框含有8bp，共有序列为ATGCAAAT；
应答元件（response element）：诱导调节产生的转录激活因子与靶基因上的应答元件结合。如热休克效
应元件HSE的共有序列是CNNGAANNTCCNNG，可被热休克因子HSF
识别和作用；血清效应元件SRE的共有序列CCATATTAGG，可被血清效
应因子SRF识别和作用。
参与RNA聚合酶Ⅱ转录起始的各类因子数目很大，可分为3类：
通用因子（general factor）：作用于基本启动子上的辅助因子称为通用（转录）因子（GTF），或基本转
录因子（basal transcription），为任何细胞类别Ⅱ启动子起始转录所必需，以
TFⅡⅩ来表示，其中Ⅹ按发现先后次序用英文字母定名，如TFⅡA、TFⅡD、
TFⅡH。
上游因子（upstream factor）：或转录辅助因子（transcription ancillary factor），是指识别上游元件的转录
因子。
可诱导因子（inducible factor）：在真核生物中，与细胞类型和发育阶段相关的基因表达，主要通过转录
因子的重新合成来进行调节的，是长期的过程。对外界刺激的快速反应
则主要通过转录激活物（transcription activator）的可诱导调节。这些诱
导的转录激活因子与靶基因上所谓应答元件相结合。
类别Ⅲ（class Ⅲ）启动子：
类别Ⅲ启动子为RNA聚合酶Ⅲ所识别，他涉及一些小分子RNA的转录。
RNA聚合酶Ⅲ的启动子有3种类型结构：
类型1基因内启动子：如5S rRNA基因的启动子，位于转录起点下游，即在基因内部，是下游启动子，
有两个框架序列，被3种辅助因子所识别。5S rRNA基因的启动子包括框架A（box
A）、中间元件（intermediate element）和框架C（box C）3个元件组成。TFⅢA
结合在框架A上，然后促使TFⅢC结合，后者结合导致TFⅢB结合到转录起点
附近，并引导RNA聚合酶Ⅲ结合在起点上。TFⅢB使RNA聚合酶Ⅲ正确定位，
起“定位因子”（positioning factor）作用。
类型2基因内启动子：如tRNA基因的启动子，有两个控制元件，分别为框架A和框架B。TFⅢC结合
框架B，其结合区域包括框架A和框架B，然后导致TFⅢB结合到转录起点附近，
并引导RNA聚合酶Ⅲ结合在起点上。
上游启动子：如snRNA基因的启动子，位于转录起点上游。有3个上游元件：OCT（八聚体基序 octamer
motif）、PSE（邻近序列元件 proximal sequence element）、TATA元件。在RNA聚合酶Ⅲ
的上游启动子中，只有靠近起点存在TATA元件，就能起始转录。然而PSE和OCT
元件
的存在将会增加转录效率。
三、增强子及其功能
增强子（ enhancer ）：能强化转录起始的序列称为增强子或强化子
（1）在 SV40 的转录单元上存在增强子，它位于转录起始位点上游约 200bp 处，为两段 72bp 的重复序列，它们不是启动子的一部分，但能增强或促进转录的起始，除去这两段序列会大大降低这些基因的转录水平，若保留其中一段或将其取出插在 DNA 分子的任何部位，就能保持基因的正常转录；除 SV40 外，还在反转录病毒基因、免疫球蛋白基因、胰岛素基因、胰麋蛋白酶基因等许多基因的启动子区中陆续发现了增强子的存在。增强子很可能通过影响染色质DNA- 蛋白质结构或改变超螺旋的密度而改变模板的整体结构，从而使得 RNA 聚合酶更容易与模板 DNA相结合，起始基因转录。
（2）增强子的作用特点：
①增强效应非常明显；
②增强子提高同一条 DNA 链上基因转录效率，可以远距离作用，通常可距离1 ～ 4kb 、个别情况下离开所调控的基因 30kb 仍能发挥作用，而且在基因的上游或下游都能起作用；
③增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用；
④增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性；
⑤但增强子对启动子没有严格的专一性，同一增强子可以影响不同类型启动子的转录；
⑥增强子必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用；
⑦增强子一般具有组织或细胞特异性；
⑧大多为重复序列。
沉默子 最早在酵母中发现，以后在 T 淋巴细胞的T 抗原受体基因的转录和重排中证实这种负调控顺
式元件的存在。目前对这种在基因转录降低或关闭中起作用的序列研究还不多，但从已有例子看到：沉默子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。