【文章內(nèi)容簡介】 在無核小體的 TSSs 兩側(cè)，維持染色體的活性開放狀態(tài)，以利于基因的轉(zhuǎn)錄［24］．最終 RNA 聚合酶在具備染色質(zhì)隔離功能和轉(zhuǎn)錄終止 功 能 的 黏 著 素 ( cohesin ) /CCCTC 結(jié) 合 蛋 白 ( CCCTCbinding factor，CTCF) 結(jié)合位點處減慢轉(zhuǎn)錄速度或停止下來［25，26］．在人類基因組中，13 633 個基因( 大約占總基因 55% ，活性基因 77% ) 在有意義鏈啟動子近端 1 kb 峰區(qū)呈現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)錄［20］，這一數(shù)量遠超過我們目前所預(yù)測的人類含雙向啟動子的基因?qū)? 占人類所有基因的 11% ) ． 在酵母中，若按雙向轉(zhuǎn)錄基因?qū)χg的 DNA 的長度為標(biāo)準(zhǔn)來篩選雙向啟動子，大約只有 30% 的蛋白質(zhì)編碼基因之間的 DNA 序列為潛在的雙 向 啟 動 子［27］． 然 而，當(dāng) 利 用 無 核 小 體 區(qū) ( nucleosomefree regions，NFRs ) 基 因 啟 動 子 標(biāo)志［28，29］來篩選雙向啟動子時，發(fā)現(xiàn)高達 66% 的蛋白質(zhì)編碼基因共享 1 個 NFRs，這些基因?qū)χg僅有的 1 個無核小體區(qū)可認(rèn)為是潛在的雙向啟動子［30］． 通過上述 2 個實驗可知，雙向啟動子的實際數(shù)量可能遠遠超過我們目前利用雙向轉(zhuǎn)錄基因?qū)D(zhuǎn)錄起始位點之間的距離所估計出來的最大數(shù)量．4 雙向啟動子結(jié)構(gòu)對基因表達穩(wěn)定性的影響眾所周知，啟動子的結(jié)構(gòu)決定了基因表達的穩(wěn)定性． 當(dāng)基因啟動子中包含很多轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點或者 TATA 盒時，基因的表達變動性就會變得相對較高［31 ～33］． 基因表達的變動性與 TFBSs 的數(shù)目和 TATA 盒的存在成正相關(guān)［34］． 對于雙向啟動子來說，一般不含 TATA 盒，其相應(yīng)基因的表達變動性就比較低． 特別是一些序列長度較短的雙向啟動子中轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點數(shù)目也比較少，更降低了基因表達的變動性． 可能的原因，第一是轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點的數(shù)目比較少時，不需要長的啟動子序列。 第二是較短的啟動子長度限制了調(diào)控元件的復(fù)雜性，從而使基因表達變得穩(wěn)定． 后者可由試驗證實，在芽殖酵母的基因組中，當(dāng)雙向啟動子序列長度比較短時，頭對頭排列的基因表達變動性遠小于預(yù)期，啟動子兩側(cè)有強錨 定 的 核 小 體，而 啟 動 子 上 錨 定 的 核 小 體 較少［34］． 推測雙向啟動子兩側(cè)強錨定核小體的存在可能消耗了核心啟動子區(qū)的核小體錨定特性，從而使得基因表達變得穩(wěn)定． 總之，基因表達的穩(wěn)定性與較短的雙向啟動子長度顯著相關(guān)，即使排除了轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點數(shù)目對基因表達變動性的影響．對于那些編碼復(fù)雜蛋白質(zhì)亞基的基因來說，因為各亞基的劑量要保持平衡，高基因表達變動性對它們來說是有害，因此這些基因一般都具有較短的啟動子序列［35］． 這種現(xiàn)象在酵母和人類基因中都存在，這進一步證實了基因表達的穩(wěn)定性與雙向啟動子長度之間的關(guān)系． 雙向啟動子的長度對基因表達變動性的影響還需要進一步的實驗證實，例如可以在雙向啟動子中插入或缺失非功能 DNA 片段來研究． 成功的操作啟動子距離而不受轉(zhuǎn)錄的影響以及高精準(zhǔn)的測算基因表達變動性將是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也是未來研究的保證．5 雙向啟動子結(jié)構(gòu)對基因表達模式的影響利用 生 物 信 息 學(xué) 手 段 對 基 因 組 表 達 模 式 ( expression pattern) 進 行 分 析 發(fā) 現(xiàn)，基 因 共 表 達 ( coexpression) 現(xiàn)象在真核生物中普遍存在［36］． 特別是雙向轉(zhuǎn)錄基因?qū)Ρ磉_譜的相關(guān)性明顯高于從基因組中隨機選取的基因?qū)Φ谋磉_相關(guān)性的期望值［5］，當(dāng)然也發(fā)現(xiàn)有少部分的雙向啟動子兩側(cè)基因表現(xiàn)出顯著的表達負相關(guān)［1，5］． 研究者提出多種模型來解釋相鄰基因?qū)? neighboring gene pairs) 的共表達機制，包括它們共享啟動子或轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點、居間序列的長度、轉(zhuǎn)錄通讀( transcriptional readthrough) 和染色體重塑( chromatin remodeling) 等［36 ～41］．對于雙向轉(zhuǎn)錄基因?qū)Φ墓脖磉_機制，亦有多種假設(shè)，其中直接的相互作用和共享染色體結(jié)構(gòu)被人們普遍接受［2，14，41］． 對于雙向啟動子來說，最重要的直接作用是共享轉(zhuǎn)錄調(diào)控位點，以及 RNA 聚合酶 II 從同一個啟動子上進行的雙向轉(zhuǎn)錄起始［24］． 當(dāng)雙向啟動子序列較短時，如果按百分比來計算染色體結(jié)構(gòu)和直接的相互作用對基因共表達水平的影響，那么大約 70% 共表達信號由共享啟動子區(qū)決定，而共享染色體環(huán)境占 30%［41］． 也就是說，在比較近的距離時，直接的轉(zhuǎn)錄水平上的相互作用變得相當(dāng)重要．當(dāng)雙向啟動子序列長度超過400 bp時，共表達水平與啟動子長度無關(guān)［41］． 表明當(dāng)雙向啟動子序列長度超過400 bp時，共表達水平主要是由共享染色體單位決定，而不是直接的轉(zhuǎn)錄相互作用． 只要沒有干擾基因，染色體調(diào)控的共表達水平不會隨著啟動子序列長度的增加而降低［41］，染色體結(jié)構(gòu)單位會根據(jù)需要來調(diào)節(jié)以便這個單位延展到盡可能遠，這種調(diào)節(jié)與啟動子的長度無關(guān)．由于雙向轉(zhuǎn)錄基因?qū)蚕磙D(zhuǎn)錄調(diào)控位點，而這又是雙向啟動子在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控基因共表達的重要機制，因此，識別這些順式作用元件調(diào)控特征的研究將為了解雙向轉(zhuǎn)錄基因?qū)脖磉_現(xiàn)象提供重要的線索． 順式元件分為兩類: 有的順式調(diào)控元件是方向和位置敏感性元件，調(diào)控基因表達的能力依賴于它在調(diào)控區(qū)域上的方向和位置［42，43］。 有的順式作用元件為方向和位置不敏感性元件，對基因表達水平的調(diào)控不受方向和位置的影響［44，45］． 雙向啟動子序列中可能包括不同類型的順式元件，因為不同的順式元件在不同方向上的表現(xiàn)，導(dǎo)致雙向啟動子調(diào)控基因表達的方式不一，這或許可以解釋雙向轉(zhuǎn)錄基因?qū)Ρ磉_模式不盡相同的現(xiàn)象．由于雙向轉(zhuǎn)錄基因?qū)Φ谋磉_模式不盡相同，雙向啟動子啟動兩側(cè)基因表達的具體機制還有待研究． 雙向啟動子結(jié)構(gòu)中除了啟動子長度和轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件外，也可能存在其它因素影響雙向啟動子的調(diào)控功能． 未來的研究還需要大量的轉(zhuǎn)基因功能驗證實驗來證實雙向轉(zhuǎn)錄基因?qū)Φ谋磉_模式，這對揭示雙向轉(zhuǎn)錄基因?qū)脖磉_機理將起到重要的輔助功能． 隨著研究的深入和大量可靠數(shù)據(jù)的收集，這種復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的原理將進一步得以闡明．6 雙向啟動子的應(yīng)用在對生物進行轉(zhuǎn)基因改良的過程中，可能需要將不止一個的外源基因轉(zhuǎn)入到特定的生物體內(nèi)，這些外源基因需要在各自相應(yīng)的啟動子序列的調(diào)控下進行表達． 由于用于遺傳改良的啟動子數(shù)量有限，所以在將多個基因轉(zhuǎn)入生物體內(nèi)時經(jīng)常重復(fù)地使用一個特定的啟動子或序列相近的啟動子． 這樣雖然可以實現(xiàn)同時轉(zhuǎn)入多個基因的愿望，但這種載體的構(gòu)建費時費力． 另一方面，因為引入的啟動子序列同源，即使兩個啟動子之間只有90 bp的序列同源，導(dǎo)入生物體內(nèi)就會引起基因表達“共抑制”現(xiàn)象，導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄的沉默［46］，這是在轉(zhuǎn)基因技術(shù)中所要面臨的困難和挑戰(zhàn)．由于雙向啟動子能夠在兩個方向上指導(dǎo) mRNA 的生成［10，47］，這樣在利用雙向啟動子進行轉(zhuǎn)基因時，可以在其兩端融合某生理或生化過程的兩個基因或多個基因及其組合． 這不僅避免了不同基因引入時的繁瑣步驟，減少了引入受體生物中的啟動子數(shù)目，更不必擔(dān)心引入生物體內(nèi)的啟動子之間序列同源而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)基因沉默現(xiàn)象的發(fā)生［46］． 目前，利用雙向啟動子進行轉(zhuǎn)基因研究的例子并不多，并且多數(shù)為人工構(gòu)建的雙向啟動子［48 ～51］． 利用天然雙向啟動子進行轉(zhuǎn)基因研究的重點仍然放在雙向啟動子的克隆與功能分析上［10，51 ～54］． 無論怎樣，雙向啟動子的應(yīng)用為解決轉(zhuǎn)基因技術(shù)難題提供了可能，在基因工程研究和應(yīng)用領(lǐng)域具有不可估量的作用，正成為轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究的新領(lǐng)域．參考文獻( References)［1］ Trinklein N D，Aldred S F，Hartman S J，et al． An abundanceof bidirectional promoters in the human genome ［J］． Genome Res，2004，14( 1) : 6266［2］ Krom N，Ramakrishna W． Comparative analysis of divergent and convergent gene pairs and their expression patterns in rice， Arabidopsis，and Populus ［J］． Plant Phys，2008，147 ( 4 ) :17631773［3］ Yang L，Yu J． A parative analysis of divergentlypaired genes ( DPGs) among Drosophila and vertebrate genomes ［J］． BMC Evol Biol，2009，9( 1) : 55［4］ Dhadi S R，Krom N． Ramakrishna W． Genomewide parativeanalysis of putative bidirectional promoters from rice，Arabidopsis and Populus ［J］． Gene，2009，429( 12) : 6573［5］ Li Y Y，Yu H，Guo Z M，et al． Systematic analysis of headtohead gene organization: Evolutionary conservation and potential biologica