植物基因啟動子的類型及其應(yīng)用

1、文章編號:0439-8114(200701-0149-03第46卷第1期2007年1月湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)Hubei Agricultural Sciences收稿日期:2006-09-28基金項(xiàng)目:重慶市科委自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(8621;CSTC ,2006BB1258;重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ061108;重慶三峽學(xué)院資助項(xiàng)目(2005-Sxxyyb-005基因表達(dá)受生物體內(nèi)各種理化因素的調(diào)節(jié)控制,生物能夠根據(jù)自身需要及環(huán)境的改變,定時、定位及定量地表達(dá)所需的基因產(chǎn)物?；虮磉_(dá)在DNA 水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平、翻譯后加工、運(yùn)輸及定位等各個環(huán)節(jié)都進(jìn)行著精細(xì)的調(diào)控。在

2、這一系列過程中涉及到啟動子、終止子、UTR 序列等調(diào)控元件,在這些調(diào)控元件中,啟動子的作用尤為重要。由于啟動子中的順式調(diào)節(jié)元件在基因的特異性表達(dá)中發(fā)揮重要作用,因此,研究植物啟動子,對我們進(jìn)一步了解植物的生長發(fā)育過程、探討植物對其生長環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制以及更好地控制外源基因在轉(zhuǎn)基因植物中的表達(dá)等具有重要意義。1啟動子的基本特點(diǎn)基因的啟動子區(qū)基本上是由兩部分組成:一部分是形成普遍性轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)所需要的,通常稱為核心啟動區(qū);另一部分是決定基因轉(zhuǎn)錄特異性和活性的區(qū)域。兩部分都參與基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控,但后一部分起主要的控制作用。啟動子的結(jié)構(gòu)一般包括一些特定的基序,它們可能通過與一些調(diào)節(jié)蛋白直接或間接作用來控制RN

3、A 聚合酶的活性,從而特異性地轉(zhuǎn)錄出一定量的mRNA 。+1處為轉(zhuǎn)錄的起始位點(diǎn)(帽子位點(diǎn),一般為A ,兩邊通常為嘧啶堿基。以-25-30為中心的區(qū)域富含AT 序列,稱為TATA-box ,它是啟動子主要的功能性成分,TATA-box 的序列為TATAA/TAA/T。TATA-box 是RNA 聚合酶識別的位點(diǎn),也是一些反式作用因子與DNA 相互作用的位點(diǎn)之一。CAAT-box 以轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)-75位為中心,一般位于-70-300的范圍內(nèi),可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄效率,其保守序列為GC(C/TCAATCT ,沒有CAAT-box 的基因以一個類似的AGGA-box來代替。CAAT-box 可以以正反兩種方向起作

4、用,并且與其他順式元件有協(xié)同作用。富含A/T 堿基對。一般認(rèn)為A/T 堿基對容易解鏈,有利于轉(zhuǎn)錄的植物基因啟動子的類型及其應(yīng)用胡廷章,羅凱,甘麗萍,石汝杰(重慶三峽學(xué)院生物系,重慶404000摘要:不同的植物啟動子使植物基因具有不同的表達(dá)特性,按其作用方式大體可以分為3類,即組成型啟動子、誘導(dǎo)型啟動子和組織特異性啟動子。另外還有兩類較為特殊的啟動子雙向啟動子和可變啟動子。在這些啟動子中,除了含有基本啟動子外,還存在一些特異的順式調(diào)節(jié)元件,這些順式調(diào)節(jié)元件在基因的特異表達(dá)中發(fā)揮重要作用。不同類型的啟動子在植物基因工程中得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:組成型啟動子;誘導(dǎo)型啟動子;組織特異性啟動子;雙向啟動

5、子;可變啟動子中圖分類號:Q71文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AClassification and Application of the Plant Gene PromotersHU Ting-zhang ,LUO Kai ,GAN Li-ping ,SHI Ru-jie(Department of Biology,Chongqing Three Gorges University;Chongqing 404000,China Abstract :The characters of the plant gene expression were controlled by gene promoters.Plan

6、t gene promoters include con-stitutive promoter,inducible promoter,tissue-specific promoter,dual promoter and alternative promoter.Those promoters con-tain a core promoter and some special cis controlling elements.Those cis controlling elements play an important role in spe-cific expression of plant

7、 genes.The different plant gene promoters were widely used in plant gene engineering.Key words :constitutive promoter;inducible promoter;tissue-specific promoter;dual promoter;alternative promoter起始。在啟動子上還存在著一些與反式因子相互作用的正負(fù)調(diào)控序列。2植物基因啟動子的類型許多植物啟動子被分離,不同的植物啟動子能使基因具有不同的表達(dá)特性。按其作用方式大體可以分為3類,即組成型啟動子、誘導(dǎo)型啟動子

8、和組織特異性啟動子。另外還有兩類較為特殊的啟動子雙向啟動子和可變啟動子。這種分類大體上反映出了它們各自的特點(diǎn),但這種分類是相對的,在某些情況下,一種類型的啟動子往往兼有其他類型啟動子的特性。如在水稻轉(zhuǎn)基因植物中,組成型啟動子CaMV35S所調(diào)控的基因的表達(dá)也具有組織特異性;同一啟動子可能具有兩種或兩種以上的特異性,雙向啟動子往往是組成型表達(dá)的,而可變啟動子的表達(dá)通常呈組織或器官特異性。2.1組成型啟動子組成型啟動子調(diào)控下的基因表達(dá)水平大體恒定,不受時空及外界因素的影響,在多數(shù)植物組織中均可以表達(dá),而且在不同的組織部位的表達(dá)水平?jīng)]有明顯差異,所以組成型啟動子又稱為非特異性表達(dá)啟動子,其特點(diǎn)是表達(dá)

9、具有持續(xù)性,RNA和蛋白質(zhì)的表達(dá)量相對恒定,沒有時空特異性,不受外界的誘導(dǎo),活性高。2.2組織特異性啟動子組織特異性啟動子也稱之為器官特異性啟動子,其調(diào)控基因只在某些特定的部位或器官中表達(dá),并往往表現(xiàn)出發(fā)育調(diào)節(jié)的特性。這種特異性通常以特定的組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)和化學(xué)、物理信號為基礎(chǔ)。因此,這類轉(zhuǎn)錄調(diào)控序列與誘導(dǎo)型啟動子有一定的共性。在植物的分生組織、維管束組織、薄壁組織、花粉、種子和胚乳等幾乎各種組織中都發(fā)現(xiàn)有組織特異性地驅(qū)動基因表達(dá)的啟動子1。經(jīng)序列分析研究發(fā)現(xiàn),在這些組織特異性啟動子中都有與組織特異性相關(guān)的特異序列,而這些特異序列也正是基因特異表達(dá)所必須的2-3。啟動子中控制基因組織特異性表達(dá)的序

10、列一般位于TATA盒的上游,緊靠TATA盒。決定組織特異性的序列一般不超過30bp,通常不同種屬的相同基因的啟動子具有保守的基序4-5。就種子特異性啟動子而言,RY基序(CATG-CATG是基因特異性表達(dá)所必須的2-3。而在胚乳特異啟動子中,則都含有保守的基序TGTAAAG6。2.3誘導(dǎo)型啟動子所謂誘導(dǎo)型啟動子是指在某些物理或化學(xué)信號的刺激下,這類啟動子所驅(qū)動的目的基因的轉(zhuǎn)錄水平可以大幅度地提高,因此也稱為誘導(dǎo)型增強(qiáng)子。誘導(dǎo)型啟動子具有下列特點(diǎn):受物理或化學(xué)信號的誘導(dǎo);含有誘導(dǎo)特異性序列;含有增強(qiáng)子和沉默子或類似功能的序列元件;某些誘導(dǎo)型啟動子同時也是組織特異性啟動子。誘導(dǎo)型啟動子常以誘導(dǎo)信號

11、命名,可分為光誘導(dǎo)型啟動子、損傷誘導(dǎo)啟動子、化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)啟動子、溫度誘導(dǎo)啟動子、干旱誘導(dǎo)啟動子、激素誘導(dǎo)啟動子和病原誘導(dǎo)啟動子等等。2.4雙向啟動子Bn基因的872bp啟動子是一個植物雙向啟動子,是Keddie等在歐洲油菜種子特異的油質(zhì)蛋白基因中首次發(fā)現(xiàn)的,其序列包括非轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)序列、起始密碼子ATG及其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的順式作用元件。在Bn基因啟動子5上游區(qū)相反的方向有一個ORF2,編碼與番茄E4高度同源的蛋白。該啟動子可以從兩個方向起始轉(zhuǎn)錄,其中一個方向受ABA 誘導(dǎo),而另一個方向受乙烯誘導(dǎo)7。2.5可變啟動子可變啟動子已被廣泛報道,其表達(dá)通常呈組織或器官特異性,上游啟動子提供了在特殊細(xì)胞種類或特

12、殊發(fā)育階段表達(dá)的調(diào)節(jié)方式8。玉米葉綠體的多順反子轉(zhuǎn)錄單位ORF31-petE-ORF42是由可變啟動子啟動的,在光誘導(dǎo)質(zhì)體成熟期間,從petE基因上游起始轉(zhuǎn)錄,形成單順反子petE轉(zhuǎn)錄物;在黑暗占優(yōu)勢和非光反應(yīng)的二和三順反子的轉(zhuǎn)錄物是由起始于ORF31上游的轉(zhuǎn)錄形成的9。菠菜核基因編碼的葉綠體核糖體蛋白L21的表達(dá)是由一個可變啟動子調(diào)控的,啟動長的和短的轉(zhuǎn)錄物的啟動子分別稱為P1和P2,P2啟動子是組成型的,在種子、根、葉中都表達(dá),而P1只在葉中受誘導(dǎo)表達(dá),即P1的活化與造粉體或前質(zhì)體向葉綠體轉(zhuǎn)化有關(guān)10。擬南芥HMGR1啟動子即是一個可變啟動子,在啟動子內(nèi)部存在兩個ATG位點(diǎn),位于上游70b

13、p和下游讀碼框中121bp處,分別起始轉(zhuǎn)錄HMGR1S和HMGR1L兩種形式,其中HMGR1S在所有組織中表達(dá),而HMGR1L只在種子、根和花器官中低水平表達(dá)11。水稻線粒體DNA的rps3-rpl16-nad3-rps12基因族是由可變啟動子啟動轉(zhuǎn)錄的,該基因族有兩個起始位點(diǎn),一個位于rps3的上游,另一個位于rpl16和nad3之間12。3啟動子的應(yīng)用3.1組成型啟動子的應(yīng)用常用的花椰菜花葉病毒(CaMV的35S啟動子及其衍生的一些啟動子,來自胭脂堿合酶(NOS啟動子和章魚堿合酶(OCS啟動子,水稻肌動蛋白-1150湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)2007年胡廷章等:植物基因啟動子的類型及其應(yīng)用(責(zé)任編輯昌炎

14、新(Rac1啟動子以及玉米泛素-1(Ubi-1啟動子等13-15。多數(shù)人認(rèn)為,在雙子葉植物遺傳轉(zhuǎn)化中廣泛采用的花椰菜花葉病毒CaMV35S 啟動子在絕大多數(shù)單子葉植物中活性較低,而選用合適的啟動子可以在一定程度上克服表達(dá)效率低的問題。一些來源于單子葉植物的啟動子已被用于構(gòu)建適合于單子葉中外源基因表達(dá)的載體,其中以水稻肌動蛋白基因Act1啟動子、水稻蔗糖酶合成基因Rss1啟動子、玉米泛素基因Ubi1啟動子、玉米乙醇脫氫酶基因Adh1啟動子、煙草花藥絨氈層細(xì)胞特異性啟動子TA29以及利用CaMV35S 啟動子與Adh1的第1個內(nèi)含子構(gòu)建而成的35Si 啟動子、利用Adh1啟動子與其第1個內(nèi)含子構(gòu)建

15、而成的Emu 啟動子等應(yīng)用得較為廣泛15-16。3.2組織特異啟動子的應(yīng)用在植物基因工程方面,組織特異啟動子由于其表達(dá)的空間特異性而具有許多組成型啟動子所不具備的特點(diǎn)。將外源基因在轉(zhuǎn)基因植物中定位表達(dá)不但可以降低植物負(fù)擔(dān)、減輕對作物農(nóng)藝性狀的影響,還可以提高外源基因在特定部位的濃度,增加轉(zhuǎn)基因的效果。目前組織特異性啟動子的應(yīng)用主要在以下幾方面:改良農(nóng)作物品質(zhì),提高作物的抗凍、抗旱、抗鹽能力,防止水果腐爛;改良花卉品質(zhì)、控制觀賞花卉的顏色;提高植物的抗病性、抗蟲性和抗除草劑能力;開發(fā)生物反應(yīng)器用于生物制藥;創(chuàng)建雄性不育系和恢復(fù)系;用于植物的分化發(fā)育研究等。3.3誘導(dǎo)型啟動子的應(yīng)用誘導(dǎo)型啟動子在基

16、礎(chǔ)研究和植物生物技術(shù)方面都有廣闊的應(yīng)用前景。有條件的、專一性的過量表達(dá)目的基因;研究轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)和表型變化之間的相互關(guān)系;構(gòu)建條件雄性不育系統(tǒng);影響植物再生、生長或生殖的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)物的表達(dá);防治病蟲害抗性基因的條件表達(dá);誘導(dǎo)開花、落葉等等17-20。參考文獻(xiàn):1EDWARDS J W ,WALKER E L ,CORUZZI G M.Cell-spe-cific expression in transgenic plants reveals nonoverlapping roles for chloroplast and cytosolic glutamine synthetase J.Proc

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