植物基因启动子的类型及其应用

第 46卷第 1期 2007年 1月 ’ 湖 北农 业科 学 Hubei Agricultural Sciences Vo1．46 No．1 Jan．，2007 文章编号 ：0439—8114(2007】01-0149—03 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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，除了舍有基本启动子外，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 向启动子 ；可 变启动子 中图分类号 ：O71 文献标识码：A Classification and Application of the Plant Gene Promoters HU Ting-zhang，LUO Kai，GAN Li-ping，SHI Ru-jie (Department of Biology，Chongqing Three Gorges University；Chongqing 4O4OO0，China) Abstract：The characters of the plant gene expression were controlled by gene promoters．Plant 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．Th ose cis controlling elements play an important role in spe· cific expression of plant genes．Th e different plant gene promoters were widely used in plan t gene engineering． Key words：constitutive promoter；inducible promoter；tissue-specific promoter；dual promoter；alternative promoter 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 RNA聚合酶的活性，从而特异性地 转录出一定量的mRNA。① +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。② 以一25～30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 TATAf -I'】Af -I'】。TATA—box是 RNA 聚合酶Ⅱ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 点一75位为中心，一般位于一70～300的范围内，可 以增强转录效率 ，其保守序列为 GC(C~lCAATCT， 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用，并 且与其他顺式元件有协同作用。④富含 MT碱基 对。一般认为 MT碱基对容易解链 ，有利于转录的 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(K1061108)； 重庆三峡学院资助项 目(2005-Sxxyyb-005) 作者简介：胡廷章(1965一)，男。四川简阳人，教授，博士，(电话)023—58102522(电子信箱)tzhu2OO2@yahoo．tom．cn。 ．．I 维普资讯 http://www.cqvip.com 150 湖 北 农 业 科 学 2007年 起始。⑤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[2-31。启动子中控制基因组织 特异性表达的序列一般位于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 。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[2-31。而在胚乳特 异启动子中。则都含有保守的基序TGTAAAGt~。 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：①受物理或化学 信号的诱导；②含有诱导特异性序列；③含有增强 子和沉默子或类似功能的序列元件：④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皿基因的 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皿基因启动子 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17]。 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 或特殊发育阶段表达的调节方式圈。玉米叶绿体的 多顺反子转录单位 ORF31一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191。菠菜核基因 编码的叶绿体核糖体蛋白L2l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 Pl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 Pl 的活化与造粉体或前质体向叶绿体转化有关【删。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 70bp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【“1。水稻线粒体 DNA的rps3一rpll6-nad3一rpsl2 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 roll6和 had3之 21。 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~3-1 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 胡廷章等：植物基因启动子的类型及其应用 151 ncJ『)启动子以及玉米泛素一1(Ubi—J『)启动子掣 堋。 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 C 3 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ActI 启动子、水稻蔗糖酶合成基因Rssl启动子、玉米泛 素基因矾 启动子、玉米乙醇脱氢酶基因Adhl启 动子、烟草花药绒毡层细胞特异性启动子TA29以 及利用 C V35S启动子与Adhl的第 1个内含子 构建而成的 35Si启动子、利用 Adhl启动子与其第 1个内含子构建而成的 Emu启动子等应用得较为 广泛【 垌。 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：①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；②改良花卉品 质、控制观赏花卉的颜色；③提高植物的抗病性、抗 虫性和抗除草剂能力；④开发生物反应器用于生物 制药；⑤创建雄性不育系和恢复系；⑥用于植物的 分化发育研究等。 3．3 诱导型启动子的应用 诱导型启动子在基础研究和植物生物技术方 面都有广阔的应用前景。①有条件的、专一性的过 量表达目的基因；②研究转基因诱导和表型变化之 间的相互关系；③构建条件雄性不育系统；④影响 植物再生、生长或生殖的转基因产物的表达；⑤防 治病虫害抗性基因的条件表达；⑥诱导开花、落叶 等等[17-20]。 参考文献 ： [1] EDWARDS J W，WALKER E L，CORUZZI G M．Cell—spe． cific expression in transgenic plants l~veals nonoverlapping roles for chloroplast and cytosolie glutamine sy“【h髓ase田． Prec Natl Acad Sci U S A，1990，87(9)：3459-3463． [2] DICKINSON 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． [3] FUJIWARA T，BEACHY R N．Tissue—specific and temporal regulation of a beta—conglycinin gene：roles of the RY repeat and other cis-acting elements[J1．Plant Mol Biol，1994，24(2)： 261—272． [4] SCHERNTHANER J P，MATZKE M A，MATZKE A J M．En- dorspe rm-specific activity of a zein gene promoter in tran s． genie tobacco plants[J1．EMBO J，1988，7：1249-1256． [5] KELLER B，LAMB C J．Specific expression of a novel cell wall 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