利用计算生物学方法识别原核启动子的研究进展.docx
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2022-12-15
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启动子通常位于基因上游，能与 RNA 聚合酶特异性结合并起始转录的一段 DNA 序
列，作为转录起始过程的关键元件，激活 RNA 聚合酶与模板 DNA 结合，是基因表达和转
录调节的起始步骤
[1]
。
原核生物 RNA 聚合酶中的 σ 因子可以特异性识别并结合启动子。在大肠杆菌中，存
在多种 σ 因子，根据分子量可以分为 7 类，σ70、σ54、σ38、σ32、σ28、σ24、σ19，在已
知的 7 类 σ 因子中前 6 类保守性极强，而 σ19 在大多数基因组中是缺失的
[2]
。每一类 σ 因
子具有特定的生物学功能
[3-6]
，σ70 主要负责持家基因的转录；σ54 被认为是参与氮代谢的
调控因子以及控制一些辅助进程；σ38 参与稳定期基因的调节；σ32 是热休克 σ 因子(热激
因子)；σ28 参与鞭毛的合成；σ24 与极端热应激反应有关；σ19 则参与对铁离子转运系统
的调控。根据 σ 因子的同源性，可将其大致分为两类：一类是 σ70 家族，包括 σ70、σ38、
σ32、σ28、σ24、σ19；另一类是 σ54 家族。大肠杆菌基因组内的启动子类型依据与之结合
的 σ 因子种类也可分为相应的类型。不同类型的启动子共有序列也有所差异。因此，启动
子也依据被识别的片段分为 σ70 家族和 σ54 家族。如 σ70 启动子具有两个重要的基序区
域，−10 区和−35 区，分别位于转录起始位点上游约 10 bp 和 35 bp 处。−10 区含有保守序
列“TATAAT”，又被称为 Pribnow box 或 TATA box，富含腺嘌呤(adenine, A)和胸腺嘧啶
(thymine, T)，有助于 DNA 双链解螺旋分离；−35 区则由 6 个保守的核苷酸“TTGACA”组成
[7]
。除了 σ70 因子，−10 区和−35 区也是被 σ70 家族其他因子识别的重要片段。相比之下，
σ54 启动子的共有序列及其位置与 σ70 启动子具有明显差异，在 σ54 启动子的−24 区和−12
区存在保守区域，其保守序列分别是“TGGCA[CT][GA]”和“TGC[AT][TA]”
[8]
。
启动子序列的鉴定对于研究基因表达、分析基因调控机制、研究基因结构以及注释基
因信息至关重要。准确识别启动子的方法一般是依靠昂贵且耗时费力的实验检测方法，然
而，在全基因组范围内进行检测是一项艰巨的任务。随着测序技术以及计算机技术的发
展，越来越多生物的全基因组被测序出来，尤其是原核生物，因此出现了基于计算生物学
的启动子预测方法，这些预测方法在不断地改进，有助于鉴别启动子序列。
表 1 39 个原核启动子预测工具比较
Tools
Benchmark dataset
size (promoter)
Sequence
similarity
Feature
extraction/
selection
Classification
algorithm
Evaluation
strategy
AUC
1.TLS-NNPP
[9]
771 (
E.coli
)
/
The empirical
probability
distribution of
TSS-TLS distance
ANN
Independent
test
/
2.SIDD
[10]
500 (
E.coli
)
/
SIDD
FLD
Independent
test
/
3.FS_LSSVM
[11]
53 (
E.coli
)
/
A domain theory
for promoters/
C4.5 decision
tree
LSSVM
10-fold
cross-
validation
/
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