可变启动子（AP）、可变剪接（AS）、可变多聚腺苷酸化（APA）的机制及检测技术（一）

一、启动子的结构

启动子（Promotor），是一段特定的直接与RNA聚合酶及其转录因子相结合、决定基因转录起始与否的DNA序列，一个基因中可含有一个或多个启动子。启动子由核心启动子（Core promoter）、上游启动原件（Proximal control elements）、远端调控区构成，如图1所示。

核心启动子包含转录起始位点（TSS）附近的起始子（Inr）和TATA box。启始子:其碱基大多为A，两侧各有若干个嘧啶核苷酸序列(lnr序列)，该序列对启动子的强度和确定起始位点方面都是必要的。TATA box：其作用在于决定转录的起点，序列的改变会使转录位点偏移；缺失TATA box，转录将在许多位点上开始；TATA box决定转录的效率。

上游启动原件：含有CAAT box和GC box。CAAT box位于转录起始位点上游70-80bp处；GC box位于CAAT box邻近上游80-110bp。

远端调控区：含有增强子（增强启动子的活性）和减弱子等原件。

图1 启动子的组成

从图中可以看出，DNA的第一个外显子是包含5'UTR、最后一个外显子是包含3'UTR的，这是为什么说不是所有的外显子都翻译成蛋白的。

二、可变启动子

可变启动子（Alternative promotor）指某一特定基因转录本起始端所对应的可变区域。可变启动子通过选择不同的转录起始位点从而引起一个基因５'UTR序 列的改变，这种改变紧接着会影响下游ｍRNA的翻译质量和稳定性（涉及到基因如何选择不同启动子的问题及启动子的选择性使用）。可变启动子可能产生相同的蛋白（图2a）;可能会导致编码蛋白Ｎ末端的长度发生改变，继而改变原蛋白的空间结构和生物学功能（图2b）；也可能产生不同的蛋白（图2c）。

图 2使用不同的可变启动子产生的结果

图中的;代表可变启动子；ATG代表翻译起始位点；彩色的框代表起始外显子（或第1位外显子，不编码蛋白）；黑色的框代表编码蛋白的外显子（其中不同数字表示不同编码外显子号数）；白色的框表示在不同的阅读框中被翻译。图a：使用不同的可变启动子产生相同的蛋白，原因是这些可变启动子都是与同一个开始翻译的外显子（既2号外显子）相连的，也就是说最终的翻译产物都是由2345-10外显子组成的；但5'UTR的序列是不同的，也可以说第1个外显子（由5'UTR和第1个外显子组成）的序列是不同。图b：使用不同的可变启动子产生不同的N端，原因是翻译起始位点不同，看图bⅲ和ⅳ最好理解。图c：使用不同的可变启动子产生不同的蛋白亚型，原因是阅读框的组成不同，两个白色的框、三个黑色的框。

三、可变启动子的生物学意义

有报道表明，人类基因组中有至少53％的基因具备可变启动子。大量实验证实具有可变启动子的基因本往往有不同的转录活性和组织特异性，其产生的转录本有不同５'UTR序列或者开放阅读框，这些转录本往往又有不同的亚细胞定位和生物学功能，如图3所示。

许多基因在特定过程中可以使用可变启动子，如酵母和哺乳动物细胞中的细胞命运转变，以及脊椎动物胚胎形成，并且可能在癌症中发挥重要作用。可变启动子在不同情况下的会被广泛激活；然而，目前尚不清楚它们的（表观）遗传状态与参考启动子相比是否不同，以及可变启动子是否处于不同的调控架构下。可变启动子在人体组织中具有动态的基因内DNA甲基化特征，而小鼠胚胎干细胞（ES）中DNA甲基转移酶3B （DNMT3B）的缺失会导致可变启动子的假启动。因此，可变启动子的精确调控对于确保基因的正确表达至关重要。可变启动子的转录在癌症中广泛存在，但是目前缺乏对激活和可变启动子对基因表达影响机制的理解。

图 3 使用不同的可变启动子具有组织特异性

四、检测可变启动子的技术

CAGE-seq（Cap Analysis of Gene Expression by deep sequencing））：是专门研究mRNA加帽位点的测序技术。CAGE-seq还可检测同一核心启动子内受不同调控的转录起始事件，因此可准确检测可变启动子。

参考文献：

Landry JR, Mager DL, Wilhelm BT. Complex controls: the role of alternative promoters in mammalian genomes. Trends Genet. 2003 Nov;19(11):640-8. doi: 10.1016/j.tig.2003.09.014.

Davuluri RV, Suzuki Y, Sugano S, Plass C, Huang TH. The functional consequences of alternative promoter use in mammalian genomes. Trends Genet. 2008 Apr;24(4):167-77. doi: 10.1016/j.tig.2008.01.008.

Chungpin Hovering Liao. Catalyzed induction of targeted proteins by external lightwaves，DOI:10.13140/RG.2.2.10102.34889