启动子是脱氧核糖核酸上的一段区域，负责转录（生物学）的分子机器在此组装，开始合成RNA分子。启动子指定转录起始的位置，并参与基因表达的调控。启动子由RNA聚合酶及其相关因子共同识别，而非通过一种普遍适用的单一机制来识别。细菌、古菌和真核生物的启动子结构各不相同，即使在同一生物体内，不同类别基因的启动子结构也可能存在差异。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
位置与术语
启动子的位置以转录起始位点（TSS）为参照来描述，即RNA中第一个核苷酸所对应的DNA位置。按惯例，这一位置编号为**+1**。上游，即转录起始位置之前的区域，其位置用负数表示；下游位置则用正数表示。这些坐标以转录方向为依据，并不一定与基因组组装序列中坐标递增的方向一致。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
启动子常被描述为紧邻基因上游的一段序列，但这种描述并不完整。有些启动子元件与起始位点重叠，或位于下游的转录区域内。此外，转录既可能主要从一个位置开始，也可能从分布在较宽区域内的多个位置开始。因此，启动子不一定具有明确的边界或固定的长度。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
对于由真核生物RNA聚合酶II转录的基因，核心启动子通常指起始位点周围、支持转录机器组装的区域。近端启动子通常指附近的调控序列，往往位于上游，其中含有序列特异性转录因子的结合位点。这些术语的用法并不完全统一：实验研究中所说的“启动子”，可能仅指核心启动子，也可能指包含其他调控元件的一段较长DNA片段。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
启动子如何启动转录
启动子通过DNA与蛋白质之间的相互作用发挥功能。其序列影响启动子的识别、起始复合物的组装、DNA双螺旋的局部解链，以及从转录起始到有效RNA合成的转变。这些是彼此不同的步骤：聚合酶结合得牢固，本身并不能保证转录高效进行，因为已结合的复合物可能进展缓慢，也可能无法进入有效合成状态。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在细菌转录中，最初形成的闭合复合物内，启动子DNA仍保持双链状态。聚合酶–DNA复合物发生构象重排后形成开放复合物，其中一部分DNA解链，模板链进入活性位点。聚合酶随后开始合成RNA，并脱离启动子，进入延伸阶段。在脱离启动子之前，聚合酶可能反复合成并释放短RNA分子，这一过程称为流产起始。启动子序列可影响上述多个转变过程。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在真核生物RNA聚合酶II介导的转录中，启动子支持形成包含聚合酶和通用转录因子的转录前起始复合物。序列特异性调控因子及周围的染色质会影响这一复合物能否组装并获得活性。因此，启动子活性既取决于DNA序列，也取决于其所处的分子环境。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
细菌启动子
在细菌中，启动子的识别主要由与RNA聚合酶核心酶结合的σ因子引导。不同σ因子识别不同类别的启动子，使同一种聚合酶能够在不同条件下转录不同的基因集合。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
研究最充分的例子是由大肠杆菌（Escherichia coli）管家型σ因子σ⁷⁰识别的启动子。这些启动子通常包含两个短序列元件：
| 元件 | 相对于+1的大致位置 | 常见共有序列 |
|---|---|---|
| −35元件 | −35附近 | 5′-TTGACA-3′ |
| −10元件，又称Pribnow盒 | −10附近 | 5′-TATAAT-3′ |
这些是共有序列，即通过比较不同启动子归纳出的序列模式，并非每个有功能的启动子都必须与之完全一致。这两个六核苷酸序列之间通常有约17个碱基对的间隔区，间距的变化可影响对它们的识别。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
其他结构特征包括延伸型−10元件，它可与σ因子形成额外接触；以及UP元件，这是位于上游、通常富含A/T的区域，由聚合酶的α亚基识别。−10元件与起始位点之间的DNA，包括鉴别区，可影响开放复合物的稳定性及其调控。典型启动子只包含其中部分特征，并不要求全部具备。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
不能将−35/−10模型推广到所有细菌启动子。其他σ因子所识别的序列及其排列方式有所不同。调控蛋白还可通过影响聚合酶的招募或后续起始步骤，激活或抑制转录。因此，仅凭启动子与这两个共有六核苷酸序列的相似程度，无法可靠预测其活性。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
古菌启动子
古菌的转录机器在结构上与真核生物系统相关，但许多调控方式与细菌相似。古菌识别启动子时不使用细菌的σ因子，而是由TATA结合蛋白（TBP）和转录因子B（TFB）协助定位并招募RNA聚合酶。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
许多古菌启动子在起始位点上游约25个碱基对处含有一个TATA盒，其紧邻上游还有一个TFB识别元件（BRE）。起始位点附近的元件，包括起始子和启动子近端元件，也可影响转录。调控蛋白可激活或抑制这些启动子上起始复合物的组装。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
真核生物启动子
RNA聚合酶II核心启动子
在真核生物中，RNA聚合酶II转录蛋白质编码基因，以及许多产生非编码RNA的基因。其核心启动子具有多样性。以下几种可识别的序列基序可单独出现，也可组合出现：
- **TATA盒：**富含A/T的基序，通常位于起始位点上游约25–30个碱基对处。
- **起始子（Inr）：**与转录起始位点重叠的序列元件。
- **BRE：**与通用转录因子TFIIB相关的识别元件。
- **下游启动子元件（DPE）和基序十元件（MTE）：**位于下游的元件，尤其在果蝇属（Drosophila）中得到了广泛研究。
这些基序的位置与间距可能和序列本身同样重要。没有任何一种基序存在于所有RNA聚合酶II启动子中，而且许多具有功能的启动子并不含可识别的TATA盒。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
集中型与宽域型起始
集中型，又称尖锐型启动子，主要在一个位置或一簇范围狭窄的位置启动转录。宽域型，又称分散型启动子，则在较宽区域内使用多个相邻的起始位点。这些类别描述的是起始模式，而非转录产出量的绝对差异。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
对哺乳动物启动子的全基因组研究发现，集中于明确位置的转录起始与富含TATA的启动子相关，而宽域起始与富含CpG的启动子相关。这些关系是统计学上的趋势，并不是决定每个启动子行为的规则。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
其他核内RNA聚合酶
RNA聚合酶I和III的启动子具有不同的结构。聚合酶I借助专门的启动子识别因子，转录主要核糖体RNA的前体。聚合酶III则转录转运RNA、5S核糖体RNA以及其他若干种小RNA。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
许多由聚合酶III转录的基因，是简单的“启动子位于上游”模型的重要例外：其必需的启动子元件位于被转录的序列内部。例如，转运RNA基因通常含有内部A盒和B盒。识别这些内部元件的因子有助于将起始机器定位到上游。另一些聚合酶III启动子，包括U6类启动子，则使用上游控制元件。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
调控、染色质与增强子
启动子是转录起始的场所，但未必包含控制基因表达的全部信息。增强子（生物学）可在更远的位置发挥作用，通过调控蛋白以及染色体内的物理相互作用影响启动子活性。不同核心启动子对增强子的响应也不同，因此，启动子自身的特性是调控特异性的一部分，而不只是一个被动的结合平台。一些基因组序列可同时发挥启动子和增强子的功能，因此两者的区分基于功能，而不是序列类型之间绝对的划分。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在脊椎动物中，许多启动子与CpG岛重叠；CpG岛是富含G、C碱基及CpG二核苷酸的区域。这些区域通常未发生甲基化，并可支持有利于转录的染色质环境。其序列组成及相关蛋白会影响核小体的组织方式和DNA的可接近性。CpG岛启动子上的高密度DNA甲基化通常与稳定的转录抑制相关，但甲基化与转录之间的关系取决于基因组环境；未甲基化的启动子并不一定正在活跃转录。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
启动子强度与实验表征
启动子强度通常指特定条件下转录起始的频率或产出量。它并不是孤立序列的一种恒定不变的属性。聚合酶的可用量、调控因子的浓度、染色质状态以及细胞环境，都会影响观察到的活性。因此，在不同细胞或测定系统中获得的测量结果并不必然具有可比性。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
可通过以下几种互补方法表征启动子：
- **定位RNA的5′端：**确定起始位置，揭示起始位点呈集中型还是宽域型分布。
- **改变序列：**检验特定碱基或间距安排是否对活性有贡献。
- **报告基因实验：**将候选启动子置于可测量的报告转录本或报告蛋白的编码序列上游。
- **大规模并行报告基因实验：**利用序列条形码，检测由天然或合成调控序列组成的大型文库。
第一种方法确定转录从何处开始；序列扰动和报告基因实验则有助于确定哪些DNA特征在功能上发挥作用。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
报告基因实验也有局限性。将一段序列从其天然位置移出，会改变其周围的DNA、染色质以及接触远端调控元件的机会。对游离型与染色体整合型报告系统的比较表明，调控活性存在显著的环境依赖性差异。因此，报告基因实验测得的是受测构建体在实验条件下的活性，未必能准确反映内源基因座的行为。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
历史发展与应用
早期对细菌启动子的分子表征确立了这样一个认识：转录起始区域虽不完全相同，却具有可识别的共同序列模式。1987年的一项分析汇总了263个起始位点已知的大肠杆菌启动子，考察了它们的−35元件、−10元件及其间距。此后，全基因组方法使启动子研究从单个基因拓展到大尺度的转录起始分布。2006年的一项哺乳动物研究帮助确立了两类启动子的区别：一类起始位置集中、富含TATA；另一类起始位置分布较广、富含CpG。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
启动子用于重组DNA构建体中，以控制外源基因的表达。合成启动子可将最小转录起始区域与选定的转录因子结合位点组合起来，构建对特定细胞信号作出响应的报告系统。由此类构建体组成的文库，使研究人员能够比较不同序列排列，并筛选出基础活性、响应范围及细胞环境依赖性均经实验测定的启动子。它们是否适用，取决于在目标系统中测得的表现，而不能假定同一个启动子在所有宿主中的行为都完全相同。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
参考来源
- Mechanism of Bacterial Transcription Initiation: RNA Polymerase - Promoter Binding, Isomerization to Initiation-Competent Open Complexes, and Initiation of RNA Synthesispmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Recent Advances in Understanding σ70-Dependent Transcription Initiation Mechanismspmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Initial Events in Bacterial Transcription Initiationpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Mechanisms and Evolution of Control Logic in Prokaryotic Transcriptional Regulationpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Bacterial Sigma Factors and Anti-Sigma Factors: Structure, Function and Distributionpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Archaeal transcriptionpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Transcription Regulation in Archaeapmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Regulation of Gene Expression via the Core Promoter and the Basal Transcriptional Machinerypmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Eukaryotic core promoters and the functional basis of transcription initiationpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Genome-wide analysis of mammalian promoter architecture and evolutionpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Transcription by RNA polymerases I and IIIpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Cell growth- and differentiation-dependent regulation of RNA polymerase III transcriptionpmc.ncbi.nlm.nih.gov