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文档简介

1、文章编号:0439-8114(200701-0149-03第46卷第1期2007年1月湖北农业科学Hubei Agricultural Sciences收稿日期:2006-09-28基金项目:重庆市科委自然科学基金计划资助项目(8621;CSTC ,2006BB1258;重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ061108;重庆三峡学院资助项目(2005-Sxxyyb-005基因表达受生物体内各种理化因素的调节控制,生物能够根据自身需要及环境的改变,定时、定位及定量地表达所需的基因产物。基因表达在DNA 水平、转录水平、转录后水平、翻译水平、翻译后加工、运输及定位等各个环节都进行着精细的调控。在

2、这一系列过程中涉及到启动子、终止子、UTR 序列等调控元件,在这些调控元件中,启动子的作用尤为重要。由于启动子中的顺式调节元件在基因的特异性表达中发挥重要作用,因此,研究植物启动子,对我们进一步了解植物的生长发育过程、探讨植物对其生长环境的适应机制以及更好地控制外源基因在转基因植物中的表达等具有重要意义。1启动子的基本特点基因的启动子区基本上是由两部分组成:一部分是形成普遍性转录结构所需要的,通常称为核心启动区;另一部分是决定基因转录特异性和活性的区域。两部分都参与基因转录的调控,但后一部分起主要的控制作用。启动子的结构一般包括一些特定的基序,它们可能通过与一些调节蛋白直接或间接作用来控制RN

3、A 聚合酶的活性,从而特异性地转录出一定量的mRNA 。+1处为转录的起始位点(帽子位点,一般为A ,两边通常为嘧啶碱基。以-25-30为中心的区域富含AT 序列,称为TATA-box ,它是启动子主要的功能性成分,TATA-box 的序列为TATAA/TAA/T。TATA-box 是RNA 聚合酶识别的位点,也是一些反式作用因子与DNA 相互作用的位点之一。CAAT-box 以转录起点-75位为中心,一般位于-70-300的范围内,可以增强转录效率,其保守序列为GC(C/TCAATCT ,没有CAAT-box 的基因以一个类似的AGGA-box来代替。CAAT-box 可以以正反两种方向起作

4、用,并且与其他顺式元件有协同作用。富含A/T 碱基对。一般认为A/T 碱基对容易解链,有利于转录的植物基因启动子的类型及其应用胡廷章,罗凯,甘丽萍,石汝杰(重庆三峡学院生物系,重庆404000摘要:不同的植物启动子使植物基因具有不同的表达特性,按其作用方式大体可以分为3类,即组成型启动子、诱导型启动子和组织特异性启动子。另外还有两类较为特殊的启动子双向启动子和可变启动子。在这些启动子中,除了含有基本启动子外,还存在一些特异的顺式调节元件,这些顺式调节元件在基因的特异表达中发挥重要作用。不同类型的启动子在植物基因工程中得到广泛的应用。关键词:组成型启动子;诱导型启动子;组织特异性启动子;双向启动

5、子;可变启动子中图分类号:Q71文献标识码: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。在启动子上还存在着一些与反式因子相互作用的正负调控序列。2植物基因启动子的类型许多植物启动子被分离,不同的植物启动子能使基因具有不同的表达特性。按其作用方式大体可以分为3类,即组成型启动子、诱导型启动子

8、和组织特异性启动子。另外还有两类较为特殊的启动子双向启动子和可变启动子。这种分类大体上反映出了它们各自的特点,但这种分类是相对的,在某些情况下,一种类型的启动子往往兼有其他类型启动子的特性。如在水稻转基因植物中,组成型启动子CaMV35S所调控的基因的表达也具有组织特异性;同一启动子可能具有两种或两种以上的特异性,双向启动子往往是组成型表达的,而可变启动子的表达通常呈组织或器官特异性。2.1组成型启动子组成型启动子调控下的基因表达水平大体恒定,不受时空及外界因素的影响,在多数植物组织中均可以表达,而且在不同的组织部位的表达水平没有明显差异,所以组成型启动子又称为非特异性表达启动子,其特点是表达

9、具有持续性,RNA和蛋白质的表达量相对恒定,没有时空特异性,不受外界的诱导,活性高。2.2组织特异性启动子组织特异性启动子也称之为器官特异性启动子,其调控基因只在某些特定的部位或器官中表达,并往往表现出发育调节的特性。这种特异性通常以特定的组织细胞结构和化学、物理信号为基础。因此,这类转录调控序列与诱导型启动子有一定的共性。在植物的分生组织、维管束组织、薄壁组织、花粉、种子和胚乳等几乎各种组织中都发现有组织特异性地驱动基因表达的启动子1。经序列分析研究发现,在这些组织特异性启动子中都有与组织特异性相关的特异序列,而这些特异序列也正是基因特异表达所必须的2-3。启动子中控制基因组织特异性表达的序

10、列一般位于TATA盒的上游,紧靠TATA盒。决定组织特异性的序列一般不超过30bp,通常不同种属的相同基因的启动子具有保守的基序4-5。就种子特异性启动子而言,RY基序(CATG-CATG是基因特异性表达所必须的2-3。而在胚乳特异启动子中,则都含有保守的基序TGTAAAG6。2.3诱导型启动子所谓诱导型启动子是指在某些物理或化学信号的刺激下,这类启动子所驱动的目的基因的转录水平可以大幅度地提高,因此也称为诱导型增强子。诱导型启动子具有下列特点:受物理或化学信号的诱导;含有诱导特异性序列;含有增强子和沉默子或类似功能的序列元件;某些诱导型启动子同时也是组织特异性启动子。诱导型启动子常以诱导信号

11、命名,可分为光诱导型启动子、损伤诱导启动子、化学物质诱导启动子、温度诱导启动子、干旱诱导启动子、激素诱导启动子和病原诱导启动子等等。2.4双向启动子Bn基因的872bp启动子是一个植物双向启动子,是Keddie等在欧洲油菜种子特异的油质蛋白基因中首次发现的,其序列包括非转录前导序列、起始密码子ATG及其他转录调节的顺式作用元件。在Bn基因启动子5上游区相反的方向有一个ORF2,编码与番茄E4高度同源的蛋白。该启动子可以从两个方向起始转录,其中一个方向受ABA 诱导,而另一个方向受乙烯诱导7。2.5可变启动子可变启动子已被广泛报道,其表达通常呈组织或器官特异性,上游启动子提供了在特殊细胞种类或特

12、殊发育阶段表达的调节方式8。玉米叶绿体的多顺反子转录单位ORF31-petE-ORF42是由可变启动子启动的,在光诱导质体成熟期间,从petE基因上游起始转录,形成单顺反子petE转录物;在黑暗占优势和非光反应的二和三顺反子的转录物是由起始于ORF31上游的转录形成的9。菠菜核基因编码的叶绿体核糖体蛋白L21的表达是由一个可变启动子调控的,启动长的和短的转录物的启动子分别称为P1和P2,P2启动子是组成型的,在种子、根、叶中都表达,而P1只在叶中受诱导表达,即P1的活化与造粉体或前质体向叶绿体转化有关10。拟南芥HMGR1启动子即是一个可变启动子,在启动子内部存在两个ATG位点,位于上游70b

13、p和下游读码框中121bp处,分别起始转录HMGR1S和HMGR1L两种形式,其中HMGR1S在所有组织中表达,而HMGR1L只在种子、根和花器官中低水平表达11。水稻线粒体DNA的rps3-rpl16-nad3-rps12基因族是由可变启动子启动转录的,该基因族有两个起始位点,一个位于rps3的上游,另一个位于rpl16和nad3之间12。3启动子的应用3.1组成型启动子的应用常用的花椰菜花叶病毒(CaMV的35S启动子及其衍生的一些启动子,来自胭脂碱合酶(NOS启动子和章鱼碱合酶(OCS启动子,水稻肌动蛋白-1150湖北农业科学2007年胡廷章等:植物基因启动子的类型及其应用(责任编辑昌炎

14、新(Rac1启动子以及玉米泛素-1(Ubi-1启动子等13-15。多数人认为,在双子叶植物遗传转化中广泛采用的花椰菜花叶病毒CaMV35S 启动子在绝大多数单子叶植物中活性较低,而选用合适的启动子可以在一定程度上克服表达效率低的问题。一些来源于单子叶植物的启动子已被用于构建适合于单子叶中外源基因表达的载体,其中以水稻肌动蛋白基因Act1启动子、水稻蔗糖酶合成基因Rss1启动子、玉米泛素基因Ubi1启动子、玉米乙醇脱氢酶基因Adh1启动子、烟草花药绒毡层细胞特异性启动子TA29以及利用CaMV35S 启动子与Adh1的第1个内含子构建而成的35Si 启动子、利用Adh1启动子与其第1个内含子构建

15、而成的Emu 启动子等应用得较为广泛15-16。3.2组织特异启动子的应用在植物基因工程方面,组织特异启动子由于其表达的空间特异性而具有许多组成型启动子所不具备的特点。将外源基因在转基因植物中定位表达不但可以降低植物负担、减轻对作物农艺性状的影响,还可以提高外源基因在特定部位的浓度,增加转基因的效果。目前组织特异性启动子的应用主要在以下几方面:改良农作物品质,提高作物的抗冻、抗旱、抗盐能力,防止水果腐烂;改良花卉品质、控制观赏花卉的颜色;提高植物的抗病性、抗虫性和抗除草剂能力;开发生物反应器用于生物制药;创建雄性不育系和恢复系;用于植物的分化发育研究等。3.3诱导型启动子的应用诱导型启动子在基

16、础研究和植物生物技术方面都有广阔的应用前景。有条件的、专一性的过量表达目的基因;研究转基因诱导和表型变化之间的相互关系;构建条件雄性不育系统;影响植物再生、生长或生殖的转基因产物的表达;防治病虫害抗性基因的条件表达;诱导开花、落叶等等17-20。参考文献: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

17、Natl Acad Sci U S A ,1990,87(9:3459-3463.2DICKINSON C D ,EVANS R P ,NIELSEN N C.RY repeats are conserved in the 5'-flanking regions of legume seed-pro-tein genes J.Nucleic Acids Res ,1988,16(1:371.3FUJIWARA T ,BEACHY R N.Tissue -specific and temporal regulation of a beta-conglycinin gene:roles o

18、f the RY repeat and other cis-acting elements J.Plant Mol Biol ,1994,24(2:261-272.4SCHERNTHANER J P ,MATZKE M A ,MATZKE A J M.En-dorsperm-specific activity of a zein gene promoter in trans-genic tobacco plants J.EMBO J ,1988,7:1249-1256.5KELLER B ,LAMB C J.Specific expression of a novel cell wall hy

19、droxyproline-rich glycoprotein gene in lateral root ini-tiation J.Genes Dev ,1989,3(10:1639-1646.6MAIER R G ,BROWN J W S ,TOLOCZYKI C.Binding of a nuclear factor to a consensus sequence in the 5'-flanking region of zein genes from maize J.EMBO J ,1987,6:17-22.7KEDDIE J S ,TSIANTIS M ,PIFFANELLI

20、P ET AL.A seed-specific brassica napus oleosin promoter interacts with a G-box-specific protein and may be bi-directional J.PlantMol Biol ,1994,24(2:327-340.8KOSUGI S ,SUZUKA I ,OHASHI Y.Two of three promoter elements identified in a rice gene for proliferating cell nucle-ar antigen are essential fo

21、r meristematic tissue -specific ex-pression J.Plant J ,1995,7(6:877-886.9HALEY J ,BOGORAD L.Alternative promoters are used for genes within maize chloroplast polycistronic transcription units J.Plant Cell ,1990,2(4:323-333.10LAGRANGE T ,FRANZETTI B ,AXELOS M ET AL.Struc-ture and expression of the nu

22、clear gene coding for the chloroplast ribosomal protein L21:developmental regulation of a housekeeping gene by alternative promoters J.MolCell Biol ,1993,13(4:2614-2622.11LUMBRERAS V ,CAMPOS N ,BORONAT A.The use of an alternative promoter in the arabidopsis thaliana HMG1gene generates an mRNA that e

23、ncodes a novel 3-hydroxy -3-methylglutaryl coenzyme a reductase isoform with an extend-ed N-terminal region J.Plant J ,1995,8(4:541-549.12NAKAZONO M ,ITADANI H ,WAKASUGI T ET AL.The rps3-rpl16-nad3-rps12gene cluster in rice mitochondrial DNA is transcribed from alternative promotersJ.Curr Genet ,199

24、5,27(2:184-189.13BENFY P N ,CHUA N H.The cauliflower mosaic virus 35S promoter:combinatorial regulation of transcription in plants J.Science ,1990,250:959-966.14MCELROY D ,ZHANG W ,CAO J ET AL.Isolation of an ef-ficient actin promoter for use in rice transformation J.Plant Cell ,1990,2(2:163-171.15CHRISTEN

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