啟動子—基因表達的發動機

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

圖1. 啟動子示意圖

啟動子由于元件和位置不同，轉錄的能力也不同。好的啟動子就像好的發動機，響應各種調控，起始各種生命活動。基因編輯技術更是離不開形形色色的啟動子，來實現組織特異性表達。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，是人們從人巨細胞病毒（Cytomegalovirus, CMV）中發現的強啟動子。因此，只要CMV病毒能夠感染的細胞，該啟動子都能起始轉錄過程。CMV啟動子有多強呢？同樣是從病毒中發現的啟動子，CMV啟動子的轉錄活性比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，人們發現CMV病毒IE1、IE2基因上游調節區復合體集中了多個轉錄因子結合位點，形成增強子影響病毒蛋白表達，如圖3。增強子的存在使CMV啟動子被認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，人們構建了CMV-Cre小鼠，作為全身表達的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啟動子轉錄的基因可能在某些細胞（如HESC、HiPS等）中被沉默，導致沒有蛋白表達。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、不受沉默機制干擾的啟動子。

2. CAG啟動子

人們認識到CMV啟動子的不足后，通過將不同物種的啟動子“復制粘貼”到一起，構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譜，因此CAG啟動子可以用于大多數基因編輯策略。舉個栗子，mT/mG小鼠就是通過CAG啟動子驅動ACTB-tdTomato.-EGFP在膜上表達，無Cre重組酶時表達tdTomato，有Cre重組酶時表達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域大放異彩，很重要的一點是能夠在特異的組織細胞中進行條件性的基因編輯。為了實現這一目的，人們發現并應用了一系列的特異性表達的啟動子。利用這些特異性的啟動子，百奧賽圖制備了相對應的特異性表達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/細胞內表達Cre重組酶，實現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、脂肪細胞中起始轉錄Cre重組酶。該小鼠與mT/mG小鼠交配驗證數據如圖6。

圖6. B-Ucp1-iCre小鼠的特異性表達^[3]?

真核基因編輯領域的啟動子就帶領大家了解到這，在原核系統以及真核細胞的其他應用領域，還有許多其他經典啟動子，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多種多樣的目的，后續我們還會為大家帶來更多知識內容。記得關注百奧賽圖哦。

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.