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植物基因工程中的常用启动子 _3231

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植物基因工程中的常用启动子 _3231

植物基因工程中的常用启动子

植物基因工程中常用的启动子按其作用方式及功能可分为三类：组成型启动子(constitutive promoter )、诱导型启动子(inducible promoter) 和组织特异性启动子(tissue – specific promoter)。这种分类大体上反映了它们各自的特点,

但在某些情况下，一种类型的启动子往

往兼有其它类型启动子的特性。

1 组成型启动子

组成型启动子在所有组织中都启动基因表达，具有持续性，不表现时空特异性；RNA和蛋白质表达量也是相对恒定的。它包括异源和内源组成型启动子两类。植物基因工程中应用的异

源组成型启动子主要有CaMV35S启动子（来源于烟草花叶病毒基因），能在大部分植物中对异

源基因进行启动表达，完整的CaMV35S启动子是植物基因工程中应用最为广泛的组成型启动

子之一，如在马铃薯、拟南芥、烟草、蘑菇、毛白杨等植物中的转基因应用。常用的还有来

自农杆菌的Nos和Ocs启动子。内源启动子主要有水稻肌动蛋白(actin)和玉米泛素(ubiquitin)基因的启动子，这些启动子可以更有效地驱动外源基因在单子叶植物中的表达。

Naomi等分别从拟南芥的色氨酸合酶β亚基基因和植物光敏色素基因中克隆了相应启动子，

用其代替CaMV 35S启动子，在转基因烟草中也取得了很好的表达效果。用这些启动子代替

CaMV 35S启动子，可以更有效地在单子叶植物中驱动外源基因的转录。 组成型启动子已经广泛地应用于双子叶植物、单子叶植物以及真菌等的基因工程中。但是由

于组成型启动子驱动的基因在植物各组织中均有表达，应用中逐渐暴露出一些问题。例如外

源基因在整株植物中表达，产生大量异源蛋白质或代谢产物在植物体内积累，打破了植物原

有的代谢平衡，有些产物对植物并非必需甚至有毒，因而阻碍了植物的正常生长，甚至导致

死亡(karlowaki et al., 2003; Ehasani et al., 2003; Miyao et al.,

2003)。另外，重复使用同一种启动子驱动两个或两个以上的外源基因可能引起基因沉默或共抑制现象

(Kumpatla et al., 1998)，因此，人们寻找更为有效的组织、器官特异性启动子代替组成型

启动子，以更好地调控植物基因表达。

2 特异性启动子

特异性启动子可分为两类，一是受诱导表达的启动子，能对外界的物质如病原物、化学物质

或逆境作出反应，启动植物体内相应的生理生化过程。二是组织特异表达的启动子，使基因

在特定的组织中表达。特异性启动子避免了基因过量表达对植物体的伤害，同时可避免外源

基因在食用部位表达，解决了食品安全性问题。特异性启动子的克隆和应用为在植物中特异

性地表达外源基因奠定了基础。

(1) 诱导型启动子

诱导型启动子在某些物理或化学信号的刺激下，可以大幅度地提高基因的转录水平。他们有

以下共同特点：?[3][4][5]启动子的活化受物理或化学信号的诱导；? 具增强子、沉默子或类似功能的序列结构；? 感受特异性诱导的序列都有明显的专一性；?

一部分该类型的启动子同时具组织特异性表达的特点；?该类启动子常以诱导信号命名，可分为光诱导表达

基因启动子，如rbcS、cab基因启动子；热诱导表达基因启动子如大豆的Gmhsp17。3-B启动子；创伤诱导表达基因启动子如水稻的RCH8启动子；激素诱导表达基因启动子如绿豆的

VR-ACS6启动子；真菌和共生细菌诱导表达基因启动子如马铃薯P69B启动子等

(王关林和方宏筠，1998)。

(2 )组织特异性启动子

组织特异性启动子的调控机制目前已进行了深入的研究，基因的上游存在着调控序列，启动

子除具有一般的结构外，通常还有一些调控特异表达的元件。在组织特异性启动子调控下，

基因的表达通常只发生在某些特定的器官或组织部位，并往往表现出发育调节的特性。

根特异性启动子的研究

Keller等1989年分离了来自烟草的富含羟脯氨酸的糖蛋白hrgp基因，这个基因所编码的蛋

白用来强化新形成侧根的细胞壁，在根中特异表达；Keller 等1991年又发现一个法国菜豆胞壁蛋白基因富含甘氨酸蛋白grp基因启动子是根管束组织特异表达的，在其-96上一页[3][4][5]～- 76bp处有一个特异性表达元件负责根尖膨大维管分化区组织带中的主要表达。

茎杆和叶片特异性启动子的研究

Kyozuka等 (1993 ) 研究了水稻和番茄的rbcS基因启动子在水稻中的启动活性，证明了它

们都能驱动gus基因在叶片和茎杆中特异表达。Iris Meier等 ( 1995) 研究番茄rbcS基因家族也发现rbcS3A在叶片和茎杆中特异表达。Sheng等研究水稻cab基因启动子，证明了cab基因启动子仅在绿色组织中启动活性。大多数叶片和茎杆特异的启动子同时也是受光诱导的

启动子。

生殖器官特异性启动子的研究

Mariani等将烟草花药绒毡层特异表达基因启动子TA29与核酸酶基因Barnase、RnaseT 融合后转化植物核酸酶基因在花药中特异表达，破坏绒毡层, 获得雄性不育烟草和油菜，开创了

基因工程创造雄性不育系的先河，至今已在烟草、玉米、油菜、拟南芥、水稻等植物上获得

成功。Annadana等克隆了菊花UEP1 启动子并与4个异源启动子（矮牵牛的chs2A 和EPF225, 拟南芥的CER6以及马铃薯的PMC）比较发现：UEP1启动子在伞形花序和花盘小花的花瓣中表

达量最高，紧接着是CER6上一页[3][4][5]和EPF225启动子，在伞形花序小花中UEP1启动子的表达量是CaMV 35S启动子的50倍。

维管束特异性启动子的研究

目前发现的能够定位于维管组织的启动子根据其来源基本可以分为两种：一是植物本身特异

性表达蛋白的基因的启动子，如能在韧皮部特异表达的玉米蔗糖合成酶基因Sh1启动子，谷氨酰胺合成酶基因GS34启动子； 二是能特异性侵染植物维管组织的病毒基因启动子（刘昱

辉和贾士荣，2003）。

韧皮部特异性启动子的研究

韧皮部特异性启动子区别于其它类型启动子的一个显著特点是在该类启动子序列中存在一

段与启动子的韧皮部特异性表达有关的序列。将几种韧皮部特异性启动子的序列进行比较，

发现在距TATA box上游的不同位置，有一个13bp的保守序列T/ATAAGT/AACGAAT/CC/A，它可能与韧皮部特异表达有关，除此保守序列外，启动子中可能还存在其它的决定韧皮部特异

性的元件，例如在对杨树树皮贮藏蛋白(bark storage protein, BSP)基因、笋瓜韧皮部蛋白2基因(PP2)及竹节花黄斑驳病毒(commelina yellow mottle vims

CoYMV)启动子序列分析发现，前两者分别存在特征序列GCTATG和CGTATG，推测(G/C)(G /C)TA TG序列可能也与启动子的韧皮部特异性及启动子的活性密切相关（张海利和吕淑霞，2003）。 蒋浩等将笋瓜韧皮部蛋白(phloem protein) PP2杨树树皮储藏蛋白BSP启动子通过农杆菌介导转化烟草，首次用转基因植物证明笋瓜PP2上一页[3][4][5]基因启动子可驱动外源基因在

异源植物韧皮部及分生组织中特异性表达。

种子和果实中特异性启动子的研究

李丽等利用PCR技术从油菜基因组DNA中分离napinB启动子，该启动子为种子特异表达。

通过比较发现，不同napinB基因启动子5’端起始密码子前300bp中相当一部分序列是保守

的，越靠近起始密码子，同源性越高，甚至某些区段核苷酸序列高度一致。由此可见，napinB基因启动子间具普遍同源性。napinB启动子5’上游区域与以往发表的napin启动子编码区比较表明，一些序列在进化上具有保守性，可能影响基因调控并与种子特异表达密切相关。 2A12是番茄中另一种果实特异性启动子。毛自朝等（2002）用PCR方法获得了番茄果实专一

性启动子(2A12)和农杆菌（C58）Ti质粒上的ipt基因，并使两种嵌合基因经农杆菌介导转

入番茄品种“中蔬4号”的基因组中。GUS组织化学活性分析表明，2A12启动子具有严格的果实表达专一性。转基因果实中细胞分裂素的含量增加，最终导致果实中种子发育的停滞和

胎座组织的增厚，并形成无籽番茄果实，且果实采后的储藏保鲜时间延长了1－2周。

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核酸启动序列

核酸启动序列

核酸启动序列

核酸启动序列，也称为启动子（Promoter），是基因表达调控的重要元件之一。它是位于基因编码区上游的一段特定DNA序列，负责调控基因转录的起始。启动子与RNA聚合酶以及其他转录因子相互作用，从而启动基因转录过程，产生mRNA，进而指导蛋白质的合成。

启动子通常具有特定的序列特征，这些特征包括特定的碱基序列、转录起始点（TSS，Transcription Start Site）以及可能的调控元件。这些调控元件可以是增强子（Enhancer）、沉默子（Silencer）或绝缘子（Insulator）等，它们可以影响启动子的活性，从而调控基因的表达水平。

启动子的活性可以受到多种因素的调控，包括细胞类型、发育阶段、环境条件以及信号通路等。例如，在特定的细胞类型或发育阶段，某些转录因子可能会与启动子结合，从而增强或抑制基因转录。此外，环境因素如温度、光照、营养等也可能通过影响启动子的活性来调控基因表达。

在基因工程和生物技术领域，启动子也被广泛应用于调控外源基因的表达。通过选择合适的启动子，可以实现在不同细胞类型、不同发育阶段或不同环境条件下外源基因的高效表达。例如，在植物基因工程中，常使用组成型启动子（Constitutive Promoter）来驱动外源基因在植物各个组织和发育阶段中的持续表达；而使用诱导型启动子（Inducible

Promoter）则可以实现外源基因在特定环境条件下的表达。

总之，核酸启动序列是基因表达调控的关键元件之一，它通过与RNA聚合酶和其他转录因子相互作用来启动基因转录过程。同时，启动子的活性也受到多种因素的调控，从而实现对基因表达水平的精确控制。

植物启动子元件的功能与作用研究

植物启动子元件的功能与作用研究

植物启动子元件的功能与作用研究

植物启动子元件是指位于基因DNA序列上游的非编码区域，它们具有启动基因转录和调控基因表达的功能。通过调节启动子元件的活性和组合，植物可以在不同的生长发育阶段以及应对外界环境变化时合理解决基因表达的问题。

一、植物启动子元件的种类和组成

植物启动子元件可分为两大类：基础启动子元件和增强子元件。基础启动子元件包括核心启动子、TATA盒、转录起始位点和啮合位点等，它们的作用是在转录复合物中定位RNA聚合酶，把其引向正确的DNA区域启动基因转录。增强子元件则是一种与基础启动子不同的细胞类型或状态特异性控制序列，它们可以通过与转录因子结合调节基因表达。由于不同基因启动子元件的组合方式千差万别，因此它们对应的基因表达模式也有着诸多差异。

二、植物启动子元件的功能和调控机制

植物启动子元件的作用是调节基因的转录率和空间位置，它们通过绑定特定的转录因子和调控蛋白等分子来实现。这些分子之间的交互作用构成了启动子元件复杂的调控网络，产生了多样性的基因表达模式。

例如，通过对拟南芥根部特异性启动子元件的研究，科学家们发现了大量活性DNA特征片段(SAD)，它们可以识别和结合ADF7、ATMYB23等蛋白，从而在细胞核内形成基因调控复合物。这些复合物通过特定的信号途径，如激活蛋白酶C、丝裂原浓度调控等，来调节ADF7和ATMYB23在基因的转录程序中的作用，进而影响基因表达。

三、植物启动子元件的应用和研究展望 植物启动子元件的广泛应用已经成为分子生物学和遗传学领域的研究热点之一。其中最具有应用前景的是转基因技术，利用基因启动子元件来控制目标基因的表达，从而实现植物的遗传改良和农业生产上的提高。

随着技术的不断进步，研究者们对植物启动子元件的了解也越来越深入。未来，我们可以预见到在寻找新的基因启动子元件和探究元件作用机制方面，更多的高通量技术和分子生物学实验手段会得以应用，同时也必然会有更多基因启动子元件与基因表达模式之间的关联被揭示出来。

植物中基因启动子序列和调控中心的分子机制

植物中基因启动子序列和调控中心的分子机制

植物中基因启动子序列和调控中心的分子机制

植物作为自然界的一份子，不仅在维持生态平衡方面起到了重要的作用，也对人类的生活产生了至关重要的影响。而植物体内的基因启动子序列和调控中心则是植物生存的基石，对于进一步深入了解植物生命活动以及进行植物基因改良具有重要的意义。

基因启动子序列是指在DNA上的一段特定序列，在启动子序列上，转录因子在特定RNA聚合酶酶依赖的方式下可以结合到这样的序列上，这样就能启动对应基因的转录。基因调控中心则是指在启动子序列上特定DNA的“点”，可以通过这些点来实现基因的调控。

植物体内的基因启动子序列和调控中心主要存在于植物基因组中，因此拥有较强的遗传性和可操作性。在不同植物物种之间，由于植物基因组的差异性，其基因启动子序列和调控中心也会存在一定的变化。但是，比较植物之间的启动子序列和调控中心，并进行分析和研究，则可以为我们更好地了解植物生命活动的机制以及进行植物基因改良提供科学依据。

基于植物中基因启动子序列和调控中心的分子机制，科学家们经过多年的研究就可以对植物生长发育中的基础过程进行深刻研究，例如植物的生理生化过程、对环境的适应机制、以及与生物胁迫相关的机制等等。我们知道，植物的生长发育被影响着物种的繁衍以及生长效率等方面，那么进行针对性研究将会对环境保护和农业发展起到重要的作用。

对于植物基因改良而言，利用基因启动子序列和调控中心进行植物基因改良便是另一种应用场景。在农业上，对植物进行基因表达调控，可以使得植物在某些物理或化学胁迫条件下表现出高适应性，或具有更优异的性状。例如，利用CRISPR/CAS9技术等新型的基因编辑技术，可以精准地送达目标基因，对其进行修改与改造，以达到对植物自身或环境的调整和优化等目的，有着巨大的潜力。

最后，我们还可以借鉴植物中基因启动子序列和调控中心的机制，为人类研究相关领域提供参考。例如，在医学领域，可以研究并比较不同生物体内的基因启动子序列和调控中心的差异，来为基因治疗和药物研究提供更为可靠的理论支持。

几个常用的启动子和诱导表达调控系统

几个常用的启动子和诱导表达调控系统

1.最早应用于的表达系统的是Lac乳糖操纵子，由启动子lacP + 操纵基因lacO

+ 结构基因组成。其转录受CAP正调控和lacI负调控。

cUV5突变能够在没有CAP的存在下更有效地起始转录，该启动子在转录水平上只受lacI的调控，因而随后得到了更广泛采用。lacI产物是一种阻遏蛋白，能结合在操纵基因lacO 上从而阻遏转录起始。乳糖的类似物IPTG可以和lacI产物结合，使其构象改变离开lacO，从而激活转录。这种可诱导的转录调控成为了大肠杆菌表达系统载体构建的常用元件。

3.tac启动子是trp启动子和lacUV5的拼接杂合启动子，且转录水平更高，比lacUV5更优越。

4.trc启动子是trp启动子和lac启动子的拼合启动子，同样具有比trp更高的转录效率和受lacI阻遏蛋白调控的强启动子特性。

5.在常规的大肠杆菌中，lacI阻遏蛋白表达量不高，仅能满足细胞自身的lac操纵子，无法应付多拷贝的质粒的需求，导致非诱导条件下较高地表达，为了让表达系统严谨调控产物表达，能过量表达lacI阻遏蛋白的lacIq 突变菌株常被选为Lac/Tac/trc表达系统的表达菌株。现在的Lac/Tac/trc载体上通常还带有lacIq 基因，以表达更多lacI阻遏蛋白实现严谨的诱导调控。

6.IPTG广泛用于诱导表达系统，但是IPTG有一定毒性，有人认为在制备医疗目的的重组蛋白并不合适，因而也有用乳糖代替IPTG作为诱导物的研究。另外一种研究方向是用lacI的温度敏感突变体，30℃下抑制转录，42℃开始发挥作用。热诱导不用添加外来的诱导物，成本低，但是由于发酵过程中加热升温比较慢而影响诱导效果，而且热诱导本身会导致大肠杆菌的热休克蛋白激活，一些蛋白酶会影响产物的稳定。

7.以λ噬菌体转录启动子PL、PR 构建的载体也为大家所熟悉。这两个强启动子受控于λ噬菌体cI基因产物。cI基因的温度敏感突变体cI857(ts)常常被用于调控PL、PR启动子的转录。同样也是30℃下阻遏启动子转录，42℃下解除抑制开始转录。同样的，PL、PR表达载体需要以cI857(ts)作为表达菌株，现在更常见的做法是在载体上携带cI857(ts)基因，所以可以有更大的宿主选择范围。另外一种思路是通过严谨调控cI产物来间接调控PL、PR启动子的转录。比如Invitrogen的PL表达系统，就是将受trp启动子严谨调控的cI基因溶源化到宿主菌染色体上，通过加入酪氨酸诱导抑制trp启动子，抑制cI基因的表达，从而解除强大的PL启动子的抑制。