盧明雪,黃潔萍,李 芬,馬 云
(信陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,河南 信陽(yáng) 464000;信陽(yáng)師范學(xué)院大別山農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用研究院,大別山家畜遺傳育種實(shí)驗(yàn)室,河南 信陽(yáng) 464000)
啟動(dòng)子克隆技術(shù)及牛功能基因啟動(dòng)子研究進(jìn)展
盧明雪,黃潔萍,李 芬,馬 云*
(信陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,河南 信陽(yáng) 464000;信陽(yáng)師范學(xué)院大別山農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用研究院,大別山家畜遺傳育種實(shí)驗(yàn)室,河南 信陽(yáng) 464000)
基因啟動(dòng)子(promoter)是DNA上決定RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的序列,是基因的一個(gè)重要組成部分,控制基因表達(dá)的起始和表達(dá)的程度,而基因表達(dá)的最終產(chǎn)物是RNA和蛋白質(zhì),這兩大類物質(zhì)對(duì)維持生命活動(dòng)不可缺少。因此,對(duì)基因的啟動(dòng)子進(jìn)行克隆并研究其功能對(duì)研究基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制具有重要意義。本文主要就兩種常用的啟動(dòng)子克隆技術(shù)和啟動(dòng)子調(diào)控功能的研究進(jìn)展做了簡(jiǎn)要綜述,并對(duì)啟動(dòng)子的研究前景做了展望。
啟動(dòng)子克隆;牛;功能基因;調(diào)控功能
基因的表達(dá)主要包括DNA的轉(zhuǎn)錄和RNA的翻譯兩部分,其中,DNA轉(zhuǎn)錄部分主要由該基因起始轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)上游的啟動(dòng)子序列所決定。啟動(dòng)子元件包括核心啟動(dòng)子元件和上游啟動(dòng)子元件。核心啟動(dòng)子元件決定了轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)并起始轉(zhuǎn)錄,上游啟動(dòng)子元件通過(guò)TFII-D復(fù)合物調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄起始的頻率,提高轉(zhuǎn)錄效率。因此,啟動(dòng)子控制基因表達(dá)的起始時(shí)間和表達(dá)的程度,是基因表達(dá)調(diào)控的重要順式作用元件,同時(shí)也是基因工程表達(dá)載體的一個(gè)重要元件,在整個(gè)基因研究領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用。因此,對(duì)啟動(dòng)子的研究已成為近年來(lái)基因工程研究的熱點(diǎn)。在牛上,功能基因占很大比例,每個(gè)功能基因均存在啟動(dòng)子,啟動(dòng)子完整與否關(guān)系到該基因的表達(dá)與否及表達(dá)量的高低,進(jìn)而影響對(duì)應(yīng)的生理過(guò)程的發(fā)揮和相關(guān)表現(xiàn)型。因此,在對(duì)牛重要經(jīng)濟(jì)性狀的研究中,對(duì)基因啟動(dòng)子功能的研究是研究該基因?qū)μ囟ㄐ誀畹挠绊懽饔貌豢珊雎缘囊徊糠?。本文主要?duì)兩種常用的啟動(dòng)子克隆技術(shù)、功能基因啟動(dòng)子調(diào)控功能研究進(jìn)展方面做了簡(jiǎn)要綜述,為功能基因啟動(dòng)子的研究提供參考。
1.1 利用啟動(dòng)子探針載體篩選啟動(dòng)子
利用啟動(dòng)子探針載體篩選啟動(dòng)子,是指通過(guò)將內(nèi)切酶切割得到的不同擬啟動(dòng)子片段連接到含有報(bào)告基因的載體上,檢測(cè)下游標(biāo)志基因的表達(dá)活性以判斷擬啟動(dòng)子片段的轉(zhuǎn)錄活性的一種方法。該方法選用適當(dāng)?shù)南拗菩院怂醿?nèi)切酶消化切割染色體DNA,然后將切割產(chǎn)生的DNA限制片段群體與啟動(dòng)子缺失質(zhì)粒載體重組,并按照設(shè)計(jì)的要求使克隆的片段恰好插在緊鄰報(bào)告基因的上游位置;隨后再把重組混合物轉(zhuǎn)化給寄主細(xì)胞,構(gòu)建質(zhì)粒載體基因文庫(kù),并檢測(cè)報(bào)告基因的表達(dá)活性,若檢測(cè)報(bào)告基因具有活性,則該插入重組DNA片段具有啟動(dòng)子活性[1]。構(gòu)建含報(bào)告基因的啟動(dòng)子缺失質(zhì)粒載體篩選啟動(dòng)子是一種高效、快速分離啟動(dòng)子的方法。
該方法的最早是由Rachael等在大腸桿菌中以四環(huán)素抗性基因作為報(bào)告基因構(gòu)建了啟動(dòng)子探針質(zhì)粒pBRH3B,并克隆得到一些原核和真核啟動(dòng)子片段。隨后,F(xiàn)odor等[2]以大腸桿菌LacZ為報(bào)告基因構(gòu)建了酵母啟動(dòng)子探針質(zhì)粒載體并克隆得到一些啟動(dòng)子片段。同樣,Donna等[3]以氯霉素抗性基因作為報(bào)告基因,構(gòu)建酵母啟動(dòng)子探針質(zhì)粒并克隆得到一些啟動(dòng)子片段。張勇為等[4]以大腸桿菌質(zhì)粒載體pBlue或pUC18為骨架,用大腸桿菌轉(zhuǎn)座子Tn903的卡那霉素抗性(Kan’)基因?yàn)檫z傳標(biāo)記,構(gòu)建了啟動(dòng)子探針型系列載體pSUPV。魏云林等[5]以pBR322質(zhì)粒為基礎(chǔ),用來(lái)源于質(zhì)粒pJRD215的卡那霉素抗性基因片段作為遺傳標(biāo)記,并在pBR322中插入Acinetobacter菌屬特異性ori的DNA片段,構(gòu)建了能在Acinetobacter sp.DWC6和E.coli中正常復(fù)制的啟動(dòng)子探針質(zhì)粒pBAP1,從而篩選強(qiáng)啟動(dòng)子片段。張維等[6]以β-葡糖醛酸酶基因gusA作為報(bào)告基因,在乳酸菌表達(dá)載體pMG36e基礎(chǔ)上,構(gòu)建了乳酸菌啟動(dòng)子探針載體pMGPP,pMGPP的構(gòu)建不僅為篩選乳酸菌啟動(dòng)子提供了有效的工具,同時(shí)為高效乳酸菌表達(dá)載體的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。杜寶華等[7]以半乳糖苷酶基因作為報(bào)告基因,構(gòu)建啟動(dòng)子活性探針載體pMPlacZ,并且其構(gòu)建的啟動(dòng)子活性檢測(cè)載體可以有效、靈敏地用于甲基營(yíng)養(yǎng)菌MP688強(qiáng)啟動(dòng)子的篩選和啟動(dòng)子活性檢測(cè)。盡管該方法能夠用于隨即篩選啟動(dòng)子,獲得大量未知序列啟動(dòng)子片段,但不能特異分離某一特定基因的啟動(dòng)子片段而使其應(yīng)用受到局限。
1.2 利用PCR技術(shù)克隆啟動(dòng)子
該方法主要對(duì)于已知的基因序列,即根據(jù)已經(jīng)發(fā)表的基因序列設(shè)計(jì)引物,通過(guò)PCR技術(shù)克隆得到基因的啟動(dòng)子,并構(gòu)建含有報(bào)告基因的載體,轉(zhuǎn)染細(xì)胞后檢測(cè)報(bào)告基因的表達(dá)以判斷目的序列的轉(zhuǎn)錄活性。由于該方法比較簡(jiǎn)便、快捷,近年來(lái)研究者們較多采用此方法克隆基因啟動(dòng)子。
2012年,王秋華等[8]根據(jù)已公布的牛MyoG(Myogenin,肌肉生長(zhǎng)相關(guān)因子)基因的啟動(dòng)子序列,擴(kuò)增啟動(dòng)子缺失序列,利用雙熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)系統(tǒng)分別檢測(cè)啟動(dòng)子序列野生型和突變型的轉(zhuǎn)錄活性,結(jié)果表明,日本和牛MyoG基因(ID:281343)的166~2125 bp區(qū)域內(nèi)不同長(zhǎng)度片段均存在不同轉(zhuǎn)錄活性,該結(jié)果為進(jìn)一步研究MyoG基因的表達(dá)調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。2013年,劉敏等[9]采用PCR技術(shù)擴(kuò)增牛MSTN基因啟動(dòng)子,亞克隆至熒光素酶表達(dá)載體pGL3-Basic中,構(gòu)建重組報(bào)告載體pGL3-BasicMSTN-promoter,將重組報(bào)告載體pGL3-Basic-MSTN-promoter與內(nèi)參質(zhì)粒pRL-TK用脂質(zhì)體法瞬時(shí)共轉(zhuǎn)染小鼠成肌細(xì)胞系C2C12和小鼠胚胎成纖維細(xì)胞3T3-L1,通過(guò)雙熒光素酶活性檢測(cè)其啟動(dòng)子活性,結(jié)果成功構(gòu)建了牛MSTN基因真核報(bào)告載體pGL3-Basic-MSTN-promoter,并且該載體在C2C12細(xì)胞和3T3-L1細(xì)胞中的啟動(dòng)子活性比pGL3-Basic空載的活性高,這為進(jìn)一步研究MSTN基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。為檢測(cè)牛在C2C12細(xì)胞系中的表達(dá)活性,2015年,段美艷等[10]通過(guò)PCR技術(shù)從?;蚪MDNA中克隆獲得目ATP5B基因擬啟動(dòng)區(qū)不同截短片段,成功構(gòu)建7個(gè)系列缺失的牛ATP5B基因啟動(dòng)子雙熒光素酶報(bào)告基因重組質(zhì)粒,且證實(shí)-763~230 bp為牛ATP5B基因的核心啟動(dòng)子區(qū)域。利用相同的方法,王明明等[11]研究發(fā)現(xiàn)牛MYOZ2基因啟動(dòng)子核心區(qū)位于-84/+125 bp,而且MEF2,SRF,MyoD,YY1等轉(zhuǎn)錄因子可能參與MYOZ2基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控;陸杏蓉等[12]克隆獲得的水牛NOBOX啟動(dòng)子能夠啟動(dòng)EGFP在HEK-293T細(xì)胞上表達(dá),也能夠啟動(dòng)EGFP在CHO細(xì)胞上表達(dá),且與CMV啟動(dòng)EGFP在CHO細(xì)胞中的表達(dá)強(qiáng)度相似,表明獲得的水牛NOBOX是個(gè)強(qiáng)啟動(dòng)子。2016年,Xu等[13]通過(guò)克隆小鼠IRF-3(The interferon regulatory factor 3,干擾素調(diào)節(jié)因子3)(mIRF-3)基因5'側(cè)翼區(qū)的核苷酸序列,并根據(jù)其在NIH3T3細(xì)胞中調(diào)控mIRF-3基因的轉(zhuǎn)錄活性的分子機(jī)制的特點(diǎn),分析一系列5'缺失序列,結(jié)果顯示mIRF-3基因中的一段長(zhǎng)301bp的片段(-255/+46)對(duì)于啟動(dòng)子的活性是必不可少的,這個(gè)區(qū)域包含IK1, Egr2,Cmyb, E2F1 and YY1這5個(gè)假定的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn),之后通過(guò)siRNA策略敲除Egr2 或 YY1以及染色質(zhì)免疫共沉淀試驗(yàn),最終結(jié)果表明NIH3T3細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子Egr2 和YY1能夠調(diào)控mIRF-3的基礎(chǔ)啟動(dòng)子活性。
啟動(dòng)子克隆技術(shù)的方法有很多,除利用啟動(dòng)子探針載體篩選啟動(dòng)子以及PCR技術(shù)克隆啟動(dòng)子兩種技術(shù)外,還有利用環(huán)狀PCR(包括Inverse-PCR和Panhandle-PCR)、載體或接頭的染色體步行技術(shù)克隆基因啟動(dòng)子、YADE法、TAIL-PCR等其他技術(shù)。這些已經(jīng)被人們廣泛使用,每種方法都有各自的利弊,但因PCR技術(shù)更為方便、快捷,因此是目前人們使用最多的方法。
2.1 肉用性能相關(guān)功能基因啟動(dòng)子調(diào)控功能的研究進(jìn)展
1997年,Hinshelwood等[14]根據(jù)牛CYP19基因在子房(OV)和胎盤(pán)(PL)的特點(diǎn), P450芳香酶(CYP19基因的產(chǎn)物)在牛和人的子房顆粒細(xì)胞中均能表達(dá),然而在排卵之后只在人類黃體化的顆粒細(xì)胞能夠持續(xù)表達(dá),之后在牛和人的CYP19基因的啟動(dòng)子和5’側(cè)翼區(qū)亞克隆一個(gè)LUC(luciferase,熒光素酶)載體,轉(zhuǎn)染細(xì)胞檢測(cè)活性,結(jié)果表明在防止牛CYP19基因在黃體化的顆粒細(xì)胞中充分表達(dá)方面, CLS(cAMP-responsive element-like sequence ,類似cAMP應(yīng)答元件的序列)發(fā)揮了重要的作用。2011年,王洪梅等[15]將牛Nramp1(Natural resistance-associater macrophage protein,天然抗性相關(guān)巨噬蛋白)基因起始轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)上游不同長(zhǎng)度片段連接到pEGFP-N1和/或pGL3重組質(zhì)粒中,將獲得的重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)染293T和RAW264.7細(xì)胞,并進(jìn)行脂多糖誘導(dǎo),對(duì)不同片段的啟動(dòng)子活性進(jìn)行定性和定量測(cè)定,最終確定該基因啟動(dòng)子核心區(qū)域和主要的調(diào)控區(qū)域。2013年,Wang等[16]將CMV增強(qiáng)子的一個(gè)片段與MyoG基因啟動(dòng)子上游連接到一起,構(gòu)建雙熒光素酶表達(dá)載體和4個(gè)真核基因表達(dá)載體,然后將這4個(gè)載體和內(nèi)控的海腎熒光素酶報(bào)告基因載體phRL-TK轉(zhuǎn)染到牛的骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞中和牛犢成纖維細(xì)胞中,檢測(cè)雙熒光素酶報(bào)告體系中的啟動(dòng)子活性,結(jié)果表明CMV增強(qiáng)子能夠顯著地提高M(jìn)yoG基因啟動(dòng)子在肌肉衛(wèi)星細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄活性,并且具有特異性,本研究在提高外源基因在牛肌肉細(xì)胞中的高效表達(dá)方面提供了試驗(yàn)材料,并為獲得牛肌肉中啟動(dòng)子的高特異性和轉(zhuǎn)基因肉牛提供了理論基礎(chǔ)。同年,李飛等[17]根據(jù)GenBank中牛的MyoDⅠ基因序列,用PCR技術(shù)擴(kuò)增牛MyoDⅠ基因的擬啟動(dòng)子區(qū)域,構(gòu)建載體并轉(zhuǎn)染293T細(xì)胞,分析發(fā)現(xiàn)擴(kuò)增的關(guān)嶺牛MyoDⅠ基因擬啟動(dòng)子區(qū)域具有轉(zhuǎn)錄活性。2014年,杜巍等[18]擴(kuò)增牛結(jié)蛋白不同長(zhǎng)度的啟動(dòng)子截短片段,構(gòu)建載體并轉(zhuǎn)染不同細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)克隆的不同啟動(dòng)子截短片段均存在不同程度的轉(zhuǎn)錄活性,這為轉(zhuǎn)基因肉牛的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。2015年,孫曉麗等[19]為獲得帶有高效特異性啟動(dòng)子的IGF2(Insulinlike Growth Factor 2,胰島素生長(zhǎng)因子)表達(dá)載體,研究其對(duì)牛骨骼衛(wèi)星細(xì)胞增殖的影響,成功構(gòu)建了3種含有IGF2肌肉特異性啟動(dòng)子desminpro、CMV-MyoGpro和MyoGpro-double的真核表達(dá)載體轉(zhuǎn)染牛骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞和胎兒成纖維細(xì)胞, RT-PCR檢測(cè)IGF2的相對(duì)表達(dá)量,從而篩選高效特異性的載體。結(jié)果表明,pGL3-desminpro-IGF2是較高效的并具有特異性的載體,載體轉(zhuǎn)染體外培養(yǎng)細(xì)胞提高了增殖速度,并上調(diào)了細(xì)胞周期相關(guān)基因CDK6和IGF2的表達(dá),為轉(zhuǎn)基因肉牛的生產(chǎn)奠定了重要基礎(chǔ)。2016年,張?chǎng)┑萚20]通過(guò)設(shè)計(jì)特異性引物克隆關(guān)嶺牛MyoD基因家族CDS區(qū)和MyoD1啟動(dòng)子片段P1和P2,同時(shí)利用雙酶切的方法分別將CDS區(qū)和克隆的啟動(dòng)子序列連入pcDNA3.1(+)和p GL3-Basic基本骨架,構(gòu)建真核表達(dá)載體pcDNA3.1(+)-Myf5、pcDNA3.1(+)-Myf6、pcDNA3.1(+)-MyoD、pcDNA3.1(+)-Myo G和含螢火蟲(chóng)熒光素酶報(bào)告基因的報(bào)告載體,經(jīng)酶切和測(cè)序鑒定后,將真核表達(dá)載體和報(bào)告載體轉(zhuǎn)染小鼠C2C12細(xì)胞,結(jié)果表明關(guān)嶺牛MyoD、Myf5和Myf6轉(zhuǎn)錄因子與關(guān)嶺牛MyoD1啟動(dòng)子的作用位點(diǎn)不在其核心啟動(dòng)子區(qū)P2上。
2.2 奶牛功能基因啟動(dòng)子調(diào)控功能的研究進(jìn)展
2013年,鄭宜文等[21]采用亞硫酸氫鹽測(cè)序(BSP)技術(shù)檢測(cè)了不同發(fā)育時(shí)期奶牛乳腺組織及不同乳品質(zhì)泌乳期奶牛乳腺組織RPS6KB1啟動(dòng)子的甲基化特征,實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)RPS6KB1基因mRNA差異表達(dá),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在RPS6KB1基因啟動(dòng)子內(nèi)存在CpG及非CpG的甲基化模式,妊娠期奶牛甲基化程度高于泌乳期奶牛,熒光定量結(jié)果顯示不同發(fā)育時(shí)期RPS6KB1基因mRNA水平表達(dá)差異顯著(P<0.05),說(shuō)明RPS6KB1的表達(dá)受到其啟動(dòng)子甲基化的調(diào)控,非CpG甲基化模式可能具有與CpG甲基化模式相似的生物學(xué)功能,參與RPS6KB1的表達(dá)調(diào)控。同年,韓立強(qiáng)等[22]從奶牛組織中克隆得到4個(gè)不同長(zhǎng)度的SCD基因啟動(dòng)子片段(分別為212、380、416和760bp),采用生物信息學(xué)方法分析了啟動(dòng)子上不同的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn),將克隆片段與pGL3-basic熒光素酶報(bào)告基因載體進(jìn)行雙酶切,連接形成重組啟動(dòng)子載體pGL3-SCD1、pGL3-SCD2、pGL3-SCD3、pGL3-SCD4,將載體純化后,瞬時(shí)轉(zhuǎn)染到HepG2細(xì)胞,之后檢測(cè)啟動(dòng)子熒光素酶相對(duì)活性,結(jié)果表明pGL3-SCD4啟動(dòng)子上增加的片段(-398~-742)可能對(duì)于SCD基因的表達(dá)調(diào)控具有重要的作用。2016年,Hou等[23]已知SYK(Spleen tyrosine kinase,脾酪氨酸激酶)在干乳期的乳腺組織中的表達(dá)量比在泌乳期中的高,奶牛的乳腺上皮細(xì)胞以及與細(xì)胞增殖有關(guān)的信號(hào)分子能夠影響SYK的表達(dá)水平,使用雙熒光素酶報(bào)告基因進(jìn)行分析,表明SYK能夠增加AKT1基因啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄活性,這些結(jié)果表明,SYK激活A(yù)KT1在奶牛乳腺的轉(zhuǎn)錄水平影響乳腺上皮細(xì)胞的增殖,這在不產(chǎn)乳的奶牛的乳腺重塑過(guò)程中以及提高泌乳奶牛的泌乳持久力方面發(fā)揮重要的作用。
啟動(dòng)子是基因的一個(gè)組成部分,控制基因表達(dá)的起始時(shí)間和表達(dá)的程度,啟動(dòng)子就像“開(kāi)關(guān)”,決定基因的活動(dòng)。對(duì)啟動(dòng)子進(jìn)行研究不僅為研究物種進(jìn)化規(guī)律以及生物的生長(zhǎng)發(fā)育提供依據(jù),也為研究疾病的治療提供理論依據(jù)。啟動(dòng)子作為后基因組時(shí)代的研究重點(diǎn),其調(diào)控表達(dá)中序列和功能的關(guān)系、拷貝數(shù)和功能的關(guān)系、在基因中的位置和功能的關(guān)系、不同啟動(dòng)子之間復(fù)雜對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和功能的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系等方面有廣闊的研究空間和發(fā)展前景,啟動(dòng)子領(lǐng)域的研究進(jìn)步是后基因組時(shí)代發(fā)展的重要體現(xiàn),在牛領(lǐng)域中關(guān)于啟動(dòng)子的研究更是取得了很大的進(jìn)步,相信通過(guò)研究人員的不懈努力,能夠?yàn)閱?dòng)子的研究提供更多的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
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Progress of Promoter Cloning Technique and the Research of Functional Gene Promoters in Cattle
LU Ming-xue, HUANG Jie-ping, LI Fen, MA Yun*
(CollegeofLifeScience,XinyangNormalUniversity,Xinyang,Henan, 464000;InstituteforConservationandUtilizationofAgro-bioresourcesinDabieMountains,LaboratoryofDomesticAnimalGeneticandBreedinginDabieMountains,Xinyang,Henan, 464000)
Gene promoter is an important part of the gene, which is a DNA sequence determining RNA polymerase transcription start site. It can controls the start of gene expression and expression level. The gene expression products are mRNA and protein, which are necessary for maintaining the life activities. Thus, it is vital important to study on the promoter function of a gene and it’s regulation mechanism. In this paper, two common cloning technology and the regulation function of the promoter and prospected the in cattle were summarized .
promoter cloning; cattle; functional gene; regulatory function
2016-08-10
2016-08-15
本研究受國(guó)家自然科學(xué)基金(No.31172193),河南省優(yōu)勢(shì)特色學(xué)科一期建設(shè)工程項(xiàng)目(大別山農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用特色學(xué)科群)、河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目 (No.14IRTSTHN012) 及信陽(yáng)師范學(xué)院青年科學(xué)基金(2015037)資助。
盧明雪(1996-),女,河南新鄉(xiāng)人,本科,主要從事生物科學(xué)研究。
*通訊作者:馬 云(1974-),男,寧夏平羅人,博士,教授,主要從事生物技術(shù)與動(dòng)物遺傳育種研究。
S823
A
1001-9111(2016)06-0048-04