内含子调控转基因植物外源基因的表达研究  

谢树章1 , 李新海2 , 雷开荣1
1 重庆市农业科学院生物技术研究中心, 逆境农业研究重庆市市级重点实验室, 重庆, 401329
2 中国农业科学院作物科学研究所, 北京, 100081
作者    通讯作者
《分子植物育种》网络版, 2011 年, 第 9 卷, 第 12 篇   doi: 10.5376/mpb.cn.2011.09.0012
收稿日期: 2010年10月22日    接受日期: 2010年12月11日    发表日期: 2011年02月15日
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谢树章等, 2011, 内含子调控转基因植物外源基因的表达研究, 分子植物育种 Vol.9 No.12 (doi: 10.5376/mpb.cn.2011.09.0012)

摘要

内含子在真核基因表达中具有重要调控作用,近年来逐渐成为植物转基因中提高外源基因表达水平的研究热点。本文主要对内含子的剪接与分类、真核mRNA内含子特性和剪接机制进行概述,重点分析了内含子对转基因植物外源基因表达的调控作用,以及影响内含子调控真核基因表达的相关因素,最后讨论展望了内含子在植物转基因研究的应用前景。本文期望通过真核基因内含子的有效利用,采用适当的载体构建策略,提高外源基因在植物体内的表达水平。

关键词
内含子;转基因植物;基因表达;调控机理

 绝大多数真核生物的基因为断裂基因,主要由内含子(intron)和外显子(exon)组成。人们一直认为外显子的主要功能是编码蛋白质,而内含子没有功能作用,是一种垃圾DNA (junk DNA)。但随着分子生物学的深入研究和基因工程技术的飞速发展,现已发现内含子在基因表达中具有重要的调控作用,已成为植物转基因中提高外源基因表达的研究热点(Brinster et al.,1988;李杨等,2004)。本文主要对内含子的剪接与分类、真核mRNA内含子特性和剪接机制进行概述,重点分析了内含子对转基因植物外源基因表达的调控作用,以及影响内含子调控真核基因表达的相关因素,最后对内含子在植物转基因研究的应用前景进行了展望。以期通过真核基因内含子的有效利用,采用适当的载体构建策略,提高外源基因在植物体内的表达水平。

1 内含子的剪接及分类
真核生物基因的基本特征是其被一个或多个内含子所间隔,这些间隔DNA在转录后被除去以形成具有完整读码框的mRNA,这一过程称为内含子剪接。根据剪接方式与结构不同,内含子可以分为三类:自我剪接内含子、真核tRNA内含子和真核mRNA内含子。

1.1 自我剪接内含子
自我剪接内含子指的是内含子的删除和外显子的连接通过RNA自身催化完成。在没有蛋白质存在的情况下,RNA分子可经由自身的自我剪接反应将内含子剪接掉,该过程除了需要鸟苷酸和Mg2+外,不需要任何酶的参与,并可将相邻片断的5’端、3’端连接成为成熟的RNA。通过碱基配对的方式,这些RNA在一定条件下与底物RNA结合,从而催化底物在特异位点断裂,因而被称之为核糖核酸内切酶(ribozyme)。动植物细胞以及细菌、真菌中都存在这一类酶,它们自身的RNA分子具备自我剪接(self-splicing)的功能。

1.2 真核tRNA内含子
真核tRNA内含子的剪接机制
以酵母为例,首先核酸内切酶在两端把内含子切开,然后内含子被释放出来,同时产生两个“tRNA”半分子,然后再由RNA连接酶和磷酸酯酶在ATP存在下起作用,将这两个“tRNA”半分子进行连接,产生成熟的tRNA分子(丁红梅等,2006)。

1.3 真核mRNA内含子

随着基因组测序计划的进行,发现绝大多数真核基因都含有内含子,并且主要是真核mRNA内含子。真核基因的前体mRNA(pre-mRNA)大部分含有1个或多个内含子,在mRNA 成熟的过程中,这些内含子序列的删除和外显子序列的连接过程称为前体mRNA的剪辑(pre-mRNA splicing)。因为前体mRNA只有经过剪辑才能成为可翻译的成熟mRNA,而内含子的剪辑跟mRNA 3’末端的形成及mRNA的运输密切相关,所以前体mRNA的剪辑,既是真核生物基因表达的一个重要环节,也是调控基因表达的一个关键步骤。

真核mRNA内含子的剪接部位一般有三个:3’端剪切点AG、5’端剪切点GT和靠近3’端含A序列的分支点。真核mRNA内含子的剪接是由剪接体来完成,剪接体是由前体mRNA、核内小分子核糖核蛋白(snRNPs)以及其它相关蛋白质因子组装成的精密装置。

2 内含子的序列特征
根据序列结构的特点,内含子主要有两种类型:U2-型内含子和U12-型内含子,U2-型内含子普遍存在,约占总数的99%,而U12-型内含子含量则很少(<0.4%) (徐军望等,2003)。

2.1 U2-型内含子

U2-型内含子的典型特征是其DNA序列的5’剪接位点一般为AG/GTAAGT的保守序列,3’剪接位点末端为TGCAG/G的保守序列。分支点位于3’SS上游约20-30 nt处,序列并不保守,一般含有一个腺苷酸,腺苷酸的突变或缺失会降低剪接的效率甚至导致pre-mRNA无法剪接。植物内含子一个显著特点就是分支点下游富含UA序列,UA序列均匀地分散于整个内含子中,为保证剪接的保真度和精确性起着关键作用(Ko et al.,1998)。

例如,徐军望等[5]分离得到水稻EPSP合酶基因的第一内含子EPI,其5’端剪接位点序列为GGTGAGA,3’端的剪接位点序列为ATTAGG,这符合真核生物剪接位点序列的一致规则。EPI序列的AT含量丰富,在704个核苷酸对中A+T共为449个,约占内含子核苷酸总数的63.8%.这些结构特征表明,EPI序列是一种典型的植物内含子。

2.2 U12-型内含子
U12-型内含子又称为AT—AC型内含子,刘晓琼等(1997)从真核细胞基因组发现了一类新型的核mRNA内含子,其剪接位点是保守的双核苷酸,为5’端的AT和3’末端的AC。这类内含子虽然含量较少,但是在哺乳动物、植物和昆虫的核基因组中均有发现(Pomposiello et al., 2001; Lee et al., 2007)。

3内含子的功能及对转基因植物外源基因表达的影响
3.1选择性剪接

选择性地对pre-mRNA 不同剪接位点进行不同组合的剪接,称为选择性剪接。通过选择性剪接,由一条pre-mRNA可生成多条成熟的mRNA。某些基因的选择性剪接具有组织特异性或受发育调节(Storbeck et al.,1998)。

西葫芦羟基丙酮酸还原酶基因(HRP) 中内含子在5' 剪接位点的可变剪接产生了两种不同的蛋白HRP1和HRP2。这两种蛋白的细胞器定位不同,HRPI定位于过氧化物体,HRP2定位于细胞质(Lopez et al.,1998)。由于真核基因借助选择性剪接明显地扩大了编码蛋白质的能力,所以选择性剪接成为蛋白质多样性的一个重要保障,而蛋白质多样性在进化过程中加大了蛋白组的表现复杂性(Kriventseva et al., 2003 )。

3.2 内含子可能具有启动子的功能
Borokov等(1997)发现马铃薯蔗糖合成酶基因的内含子序列含有一个类似启动子的结构,这种结构具有调节基因自身启动子的活性,从而提高蔗糖合成酶的表达水平。Salgueiro等(2000)研究发现玉米泛素基因第一个内含子能够启动GUS基因的表达,具有类似于启动子的功能,进而分析该内含子的结构特征,发现其具有TATA box结构(TATAA)和CAT box结构(CAAT)。 

3.3 内含子可能具有增强子的特征
Gidekel等人(1996)在研究拟南芥延伸因子1b基因(eEF-1b)的第一个内含子时发现,当把该内含子以正向或反向插入到35S启动子的上游时,都能够提高下游GUS基因的表达活性,且这种内含子序列不位于转录单位内。所以GUS基因表达活性的提高可能是由于内含子中存在着类似于增强子的结构特征。

谢先芝等(2001)通过DNA重组实验表明,番茄蛋白酶抑制剂II基因的内含子TPI 序列能够有效促进GUS基因的表达,而且这种促进作用与该序列的插入位置及方向都没有关系, 呈现出明显的增强子特性。另外,GUS酶组织化学染色荧光检测和凝胶阻滞实验也均证明TPI序列可能还具有启动子的活性。

周迅蕾等(1999)构建了一系列包含Nodal基因的完整第一内含子及其部分片段的荧光素酶报告质粒,并通过瞬时转化的方法测定它们对报告基因转录活性的影响。该内含子5 ' 端24kb 的DNA片段可以使报告基因的转录活性提高约8倍。这一结果表明,在Nodal基因的第一内含子中可能存在着控制Nodal基因表达的顺式增强子元件。

3.4 内含子对转基因植物外源基因表达的调控
内含子在剪接过程中参与了5’端的加帽及3’端PolyA的形成,提高mRNA分子的稳定性,从而增强基因的表达效率,这种由内含子介导使基因表达活性得到增强的现象,称做内含子增强效应(Intron-mediated enhancement, IME)。一般情况下,内含子通过其增强效应来增强基因的表达。

内含子能通过选择性剪接使单一基因产生多种蛋白质,能在不同方面影响基因表达,包括多腺苷酸化、影响转录、mRNA输出及翻译效率等。内含子能通过mRNA衰退来增强真核细胞基因转录忠实性,很多研究显示基因的最佳表达离不开内含子的作用(Nott et al., 2003; Lynch et al., 2003)。因此,内含子可作为提高转基因生物外源基因表达的重要元件之一。

内含子增强基因表达的作用最初由Callis等(1987)1987年在转基因玉米中发现,玉米乙醇脱氢酶基因(adh1)第一内含子对外源基因的表达有明显增强作用,同时该基因的其它内含子也存在一定的增强作用。随后,Vasil等(1989)也发现玉米的果糖合成酶基因的第一个内含子可以使CAT表达水平提高近10倍。水稻肌动蛋白基因的第三个内含子也能使目的基因的表达水平提高2~6 倍(Luehrsen et al.,1994)。

Fu等(1995) 将马铃薯蔗糖合成酶基因sus3和sus4的5’-UTR 除去内含子后,通过转基因植物进行研究。结果表明,内含子的去除,不但影响该基因在马铃薯中的表达水平(如在马铃薯块茎中表达水平降低至1/8,在根中降低至1/4),而且也改变了该基因在不同组织器官的表达水平。如在转基因烟草植株中,除去sus3 5’-UTR的内含子后,该基因在发育后期花药维管束中的表达水平有所下降,而在花粉中的表达水平却明显提高(可提高100倍)。由此可见,真核mRNA内含子对基因的组织特异性表达既有正调控作用,又有负调控作用。

Salgueiro等(2000)研究表明,在未成熟的三叶草花序和小麦盾片中,玉米泛素基因的第一个内含子和第一个外显子能够启动GUS基因的瞬时表达,并且表达活性比起泛素基因启动子作为调控序列时高出50倍。另外,玉米adh1基因的第一个内含子也可以启动 GUS 基因的瞬时表达,但表达水平相对较低。

Vain等(1996)将ubi内含子和chsA内含子分别置于CaMV35S启动子与uidA基因之间,转化玉米愈伤组织,结果显示,ubi内含子促使uidA基因的表达量提高了26倍,而chsA内含子促使uidA基因的表达量提高了92倍。Humara(1998)将Sh1-int1和Adh1-int1两个内含子分别与GUS基因构建表达载体,然后转化五针松和欧洲黑松,检测表明Sh1-int1提高基因的表达量2-6倍,而Adh1-int1降低基因的表达量。

Plesse等(2001)研究表明,烟草多聚泛素基因前导内含子不仅能够极大提高基因的表达量,而且能够调控基因的组织特异性表达。徐军望等(2003)将水稻EPSP合酶第一内含子(EPl)序列插入CaMV35S启动子和GUS基因之间,转化烟草,结果表明EPl内含子的存在可以使GUS的平均表达水平提高3倍,最高单株可提高6倍。Wang等(2008)利用拟南芥Agamous基因的3’末端第二内含子构建AG-I-35S (–60)::Barnase表达载体,转化烟草,研究证明该内含子对基因表达具有很强的调控作用。

王悦冰(2008)将来自玉米泛素蛋白基因的第一内含子(ubil)、水稻肌动蛋白基因的第一内含子(actl)、玉米乙醇脱氢酶基因的第一内含子(adh1)、马铃薯高赖氨酸基因SBgLR基因的第二内含子(SBgLR2)构建瞬时表达载体后,基因枪轰击玉米愈伤组织。对报告基因GUS进行了组织化学分析和荧光定量分析。结果表明,ubil增强基因表达活性的能力最强,它的存在可使GUS的表达活性提高5倍,actl可使GUS的表达活性提高3倍,adhl和SBgLR2没有增强GUS基因的表达活性。根据实验结果,将ubil插入到含有Bt crylAh基因的植物表达载体中,然后转化玉米。ELISA检测表明,Tl、T2代转基因植株CrylAh蛋白的平均表达量提高20%。这表明玉米ubil可以有效增强crylAh基因在转基因玉米中的表达。

可以看出,近年来对内含子增强植物基因表达的研究越来越多,表1列出了2000年以来的主要研究成果。

 
表1 2000-2010年内含子调控转基因植物外源基因表达研究
Table 1 the research progress of Eukaryotic gene introns in regulation of plant gene expression in the last ten years

4内含子基因调控的影响因素
内含子对基因表达的增强程度跟许多因素有关,如内含子自身特征、启动子和外显子序列特征、内含子在载体上的位置、目的基因序列结构、细胞类型及细胞生理状态等。

4.1 内含子自身特征
内含子自身的长度和组成会影响内含子功能表达。不同内含子对同一基因表达活性的作用效果不同。在转基因玉米中,玉米蔗糖合成酶基因shl 的第一个内含子能使报告基因的表达水平增强近40倍(Clancy et al., 2002),而玉米乙醇脱氢酶基因adhl 的第一个内含子仅使报告基因的表达水平提高了4 倍。adhl基因的第二个内含子和第六个内含子均能不同程度地增强报告基因的表达,但其第九个内含子却不能。

4.2 启动子的影响
实验表明,内含子对基因表达增强程度受驱动转录的启动子影响。在adh1基因自身启动子的作用下,adh1 基因的第一个内含子对报告基因表达的增强程度明显大于其在CaMV35S 启动子的作用下(王悦冰等,2008)。另外也有一些实验显示,内含子对基因表达的增强程度可能与所用启动子的强度成反比(Lorkovi et al., 2000)。

4.3 外显子序列的影响
外显子序列也影响内含子增强基因表达的程度。玉米 adh1 基因第二个内含子相邻的外显子缺失时,第二个内含子增强报告基因表达的特性也随之消失。另外,当 HSP82 基因的内含子5’帽端60~90 个核苷酸外显子序列存在时,能极大地提高增强报告基因GUS的表达水平,而3’ploy端外显子序列如果也存在则会消除内含子的增强效应(Sinibaldi et al.,1992)。

当单独使用内含子时可以增强基因表达水平,但是如果有其相邻外显子的协同作用,基因表达水平可以得到进一步提高。Maas等(Maas et al.,1991)通过DNA重组将表达子I或玉米sh1基因第一个内含子放置于35S启动子和CAT基因之间,并转化到水稻和玉米中,检测其瞬时表达活性水平。当只加入一个表达子I的情况下,能使基因表达水平提高10倍;仅加入sh1基因第一个内含子的情况下可使基因表达水平上升100倍;当将两者同时插入在启动子和CAT基因之间时,则可使基因的表达水平上升达1000倍。
4.4 内含子的位置和方向
Bourdon等(Bourdon et al.,2001)将三个玉米内含子序列分别置于报告基因荧光素酶编码序列的三个不同位点后转化玉米原生质体,结果发现三个内含子都被正确的剪切,但其中只有一种内含子能增强基因的表达。

将玉米Adhl基因的第一个内含子置于5’端时,报告基因CAT的表达能提高100倍,而位于3’端时,基因的表达仅能提高5倍。若置于转录区以外,则CAT的表达不会增加(Mascerenhas et al.,1990)。这表明内含子序列的位置也是影响基因表达的重要因素。
同时,内含子序列在基因编码区内的位置也影响基因的表达。王悦冰(2008)将ubil分别插入到GUS基因的+13、+115、+513位编码区内,结果表明:ubil位T'+13位时,报告基因表达活性提高4.26倍;当ubil分别位于报告基因的+115、+513位时,报告的表达活性分别提高了3.2倍和0.97倍;而当5'-UTR和+13位同时插入2个拷贝的ubil时,基因的表达活性提高了1.55倍。

内含子的方向变化也会影响基因的表达。将玉米趋缩基因(sh1)的第一个内含子正向插入嵌合结构 35S-cat的cat 编码区上游,能促使cat 表达活性提高60~150倍,而将其反向插入同样位置时,则对cat表达活性起抑制作用(谢先芝等, 2001)。

4.5 宿主细胞的类型
不同的宿主细胞也会影响内含子对基因表达的调控。Tanaka等(Tanaka et al.,1990)多项研究显示,内含子对基因表达的增强作用主要发生于单子叶植物,在双子叶植物中并不明显。Xu等(1994)研究发现TPI-intl内含子能够增强目的基因在单子叶植物中(水稻,玉米,小麦)表达,但对基因在双子叶植物(番茄,烟草,大豆)的表达则影响很小。

同种植物不同组织细胞中内含子的影响也不同。例如,  在玉米糊粉粒原生质体中adh1 基因第一个内含子可提高报告基因表达活性44倍,而在胚乳细胞原生质中仅提高16.5倍(Gallie et al.,1994)。

5 内含子在植物转基因研究的应用
在表达载体构建策略中,为了使基因能表达或提高表达效率,需要充分利用相关的调控元件,而内含子已成为提高转基因植物外源基因表达的重要元件之一。表2为目前主要商业化转化体中启动子和内含子的应用策略。一些内含子不仅能够提高基因的表达水平,而且还调控基因的组织特异性表达。但目前对其调控机理的研究还不甚清楚。随着分子生物学和生物技术的发展,内含子增强效应终将能够与提高外源基因的表达水平有机的联系起来,推动转基因研究的更快发展。


表2 商业化转化体中启动子和内含子的应用
Table2 applications of promoters and introns in Commercialized transformants

作者贡献
谢树章参与题目选定、文献资料收集和梳理分析、初稿撰写与修改润色;李新海、雷开荣参与总体思路和文章结构的确立、文章结构修改、文字润色。全体作者都阅读并同意最终的文本。

致谢
本研究由国家转基因生物新品种培育重大专项课题(2008ZX08011-003)和重庆市科技攻关计划项目(CSTC,2009AB1110)共同资助。

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