啟動子—基因表達(dá)的發(fā)動機

眾所周知，一段基因從轉(zhuǎn)錄開始，最終形成蛋白質(zhì)執(zhí)行功能，離不開一個高效、匹配的啟動子。啟動子的一般結(jié)構(gòu)包括核心啟動子元件和上游調(diào)控元件。核心啟動子元件又包括轉(zhuǎn)錄起始點和TATA框，主要作為RNA聚合酶結(jié)合并起始轉(zhuǎn)錄的位點，上游調(diào)控元件能夠通過與對應(yīng)的反式作用因子相結(jié)合改變轉(zhuǎn)錄的效率，如圖1。

圖1. 啟動子示意圖

啟動子由于元件和位置不同，轉(zhuǎn)錄的能力也不同。好的啟動子就像好的發(fā)動機，響應(yīng)各種調(diào)控，起始各種生命活動�；�因編輯技術(shù)更是離不開形形色色的啟動子，來實現(xiàn)組織特異性表達(dá)。今天我們就盤點一下基因編輯中常見的啟動子。

1. CMV啟動子

CMV啟動子顧名思義，是人們從人巨細(xì)胞病毒（Cytomegalovirus, CMV）中發(fā)現(xiàn)的強啟動子。因此，只要CMV病毒能夠感染的細(xì)胞，該啟動子都能起始轉(zhuǎn)錄過程。CMV啟動子有多強呢？同樣是從病毒中發(fā)現(xiàn)的啟動子，CMV啟動子的轉(zhuǎn)錄活性比SV40啟動子還高，見圖2。

圖2. CMV啟動子與其他啟動子比較^[1]‍

究其原因，人們發(fā)現(xiàn)CMV病毒IE1、IE2基因上游調(diào)節(jié)區(qū)復(fù)合體集中了多個轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點，形成增強子影響病毒蛋白表達(dá)，如圖3。增強子的存在使CMV啟動子被認(rèn)為是真核生物中最強的啟動子之一。

圖3. CMV啟動子‍
 

利用CMV的強啟動能力，人們構(gòu)建了CMV-Cre小鼠，作為全身表達(dá)的Cre鼠，用于得到條敲flox小鼠的全敲后代。不過CMV啟動子雖強，卻有一個缺點：由CMV啟動子轉(zhuǎn)錄的基因可能在某些細(xì)胞（如HESC、HiPS等）中被沉默，導(dǎo)致沒有蛋白表達(dá)。具體的沉默機制暫不明確。因此人們迫切需要一種強啟動、廣泛表達(dá)、不受沉默機制干擾的啟動子。

2. CAG啟動子

人們認(rèn)識到CMV啟動子的不足后，通過將不同物種的啟動子“復(fù)制粘貼”到一起，構(gòu)建了一系列人工啟動子，比如所CAG、CBA等等啟動子。CAG啟動子包含CMV病毒啟動子的增強子序列，雞β-actin的啟動子以及兔β-Globin的剪接受體，如圖4。

圖4. CAG啟動子‍

分析來看，CAG啟動子保留了CMV病毒的增強子，因此轉(zhuǎn)錄能力與CMV啟動子不相上下，雞β-actin啟動子則為它提供了更加廣泛的表達(dá)譜，因此CAG啟動子可以用于大多數(shù)基因編輯策略。舉個栗子，mT/mG小鼠就是通過CAG啟動子驅(qū)動ACTB-tdTomato.-EGFP在膜上表達(dá)，無Cre重組酶時表達(dá)tdTomato，有Cre重組酶時表達(dá)GFP，指示Cre鼠的特異性，如圖5。

圖5. mT/mG小鼠與Cre小鼠交配后熒光成像^[2]‍

3. 特異性啟動子

CMV和CAG啟動子都是組成型啟動子，而基因編輯能在科研領(lǐng)域大放異彩，很重要的一點是能夠在特異的組織細(xì)胞中進行條件性的基因編輯。為了實現(xiàn)這一目的，人們發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用了一系列的特異性表達(dá)的啟動子。利用這些特異性的啟動子，百奧賽圖制備了相對應(yīng)的特異性表達(dá)Cre大小鼠，見表1。

表1. 部分百奧賽圖Cre工具大小鼠示例

有了特異性啟動子，Cre鼠能夠在目的組織/細(xì)胞內(nèi)表達(dá)Cre重組酶，實現(xiàn)條件性地敲除或敲入。以表中的B-Ucp1-iCre小鼠為例，Ucp1啟動子可以在線粒體、脂肪細(xì)胞中起始轉(zhuǎn)錄Cre重組酶。該小鼠與mT/mG小鼠交配驗證數(shù)據(jù)如圖6。

圖6. B-Ucp1-iCre小鼠的特異性表達(dá)^[3]‍

真核基因編輯領(lǐng)域的啟動子就帶領(lǐng)大家了解到這，在原核系統(tǒng)以及真核細(xì)胞的其他應(yīng)用領(lǐng)域，還有許多其他經(jīng)典啟動子，如LacZ、EF1α、CBA等等，就不再贅述了。除了啟動子，基因編輯還涉及到大量元件，人們利用這些元件實現(xiàn)多種多樣的目的，后續(xù)我們還會為大家?guī)�來更多知識內(nèi)容。記得關(guān)注百奧賽圖哦。

參考文獻

[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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