高等植物启动子研究进展

2 组织或器官特异性启动子
这类启动子调控下的基因转录一般只发生在某些特定器官或组织中，目前已发现这类启动子中一般同时存在几种 控制组织特异性表达的元件，其表达特异性由这些元件的种类、数目及相对位置等共同决定。深入研究这些启动子不仅有助于阐明植物形态、 发育、代谢途径等基础理论，而且具有广泛的应用价值。
2.1 根特异启动子
根的发生和发育是植物发育过程中的重要问题，研究根中特异表达基因及其启动子无疑是重要的。拟南芥根中特异表达的黑芥子酶(myrosinase)是由Pyk10基因编码的。Pyk10启动子中存在若干器官特异性表达和 植物激素应答的特异元件，如ACGT-核心序列、CANNTG-motifs、GATA-motifs、诱导物(elicitor)应答元件W-box((T)TGAC(C))、植物激素应答 元件(如as-1元件、生长素和脱落酸应答元件、Myb元件)和细胞特异表达元件等。其中ACGT，CANNTG，GATA等顺式作用元件是决定组织器官特异 表达的转录因子结合位点，Myb元件在控制植物次生代谢、调节细胞形态建成及信号传导通路中起作用。
根特异表达系统可用于研究转基因植物的高渗胁迫耐受、植物修复和根际分泌等问题。BoriSjuk等用根特异启动 子mas2'，GFP和烟草钙网蛋白(calreticulin)基因构建融合表达载体，水培转基因烟草结果表明，根细胞不仅能够高效生产GFP，而且可将目的 蛋白质分泌到液体培养基中。因此利用该启动子与其他有用的能编码蛋白质的基因融合，不仅可大量生产目的蛋白质，且更便于回收产物。
2.2 茎特异启动子
Trindade等利用cDNA-AFLP技术从马铃薯中分离了一个与乙醇脱氢酶非常相似的TDF511(transcript derived fragment)，其基因Stgan可能参与植物体内影响赤霉素水平的复合物的合成。在NCBI数据库中，比较Stgan启动子与马铃薯的patatin Ⅰ和Ⅱ、 蛋白酶抑制子、nodulin 22K和23K等编码蛋白质基因的启动子，发现它们包含一些可能与蔗糖应答反应有关的共有序列；该启动子还包含植物 中几个保守的转录因子(如Dof1，Dof2，Dof3和PBF)的结合位点。构建Stgan启动子-GUS融合表达载体转化烟草，GUS组织化学染色显示该启动子 驱动基因在茎结节处特异表达，可能参与块茎形成过程。
研究在茎中特异表达基因的启动子，不仅可从分子水平了解茎的发生、分化过程，更重要的是利用这些启动子调 节植物代谢可满足人类需求，如人们对木质素生物合成及其调控的研究。木质素是植物体内仅次于纤维素的一种含量丰富而重要的有机大分子 物质，它的存在对于增加植物机械强度、远距离水分运输和抵抗外界不良环境的侵袭都是非常有益的。然而，木质素的存在也有一定的负面作 用。因此，人们希望通过调节木质素的合成以降低其含量。目前多使用CaMV35S启动子驱动目的基因，近年来已分离一些木质素生物合成途径中 关键酶基因的启动子，如4CL，F5H等基因的启动子，人们正在尝试利用这些特异性启动子来调节木质素的生物合成。Bell-Lelong等已从拟南芥 中分离了肉桂酸羟-4-基化酶(cinnamate-4-hydroxylase，C4H)基因的启动子，本实验室首次从毛白杨中分离了C4H启动子，并对该启动子的功 能进行了初步鉴定。GUS组织化学染色和GUS荧光测定结果表明。G4H启动子驱动外源基因在烟草茎的维管组织中丰富表达，有望将来利用该启动 子驱动功能基因调控木质素的生物合成过程。
2.3 叶特异启动子
Marraccini等从咖啡(coffea arabica)中克隆了1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(rubisco)小亚基基因RBCS1， 该基因在一年生植物咖啡的叶中特异表达。研究发现RBCS1启动子上游GTGGTTAAT序列与豌豆RBCS3A启动子的BoxⅡ核心序列相同；在其启动子G -box(GCCACGTGGC)两侧分别有一个类I-box(核心序列为GATAAG)，形成I-G-I结构，推测G-box十个碱基的回文结构可能结合某个转录因子；其AT-1 box(AGAATTTTTATT) 与其他RBCS和CAB基因的AT-1 box(AATATTTTTATT)相比只有两个碱基不同；类L-box(AAAATTAACCAA)与马铃薯RBCS1和RBCS3A启动子的相同。由此 可见，植物叶特异表达顺式元件具高度保守性。
有趣的是Taniguchi等在玉米中发现了一个双元启动子系统(dual promoter system)。PPDK(pyruvate， orthophosphate dikinase)是C4植物光合反应中的一个叶绿体酶，该酶基因Pdk具有一个双元启动子系统(C4Pdk启动子和细胞质Pdk启动子)。这 两个启动子的区别在于起始密码子和拼接方式的差异，C4Pdk启动子驱动Pdk转录成较长的mRNA。基因产物定位在叶绿体中；细胞质Pdk启动子在 Pdk基因的第一个内含子中，驱动Pdk转录成较短的mRNA，它所编码的蛋白质定位于细胞质中，又称为细胞质Pdk启动子。C4Pdk启动子是受光诱 导的强启动子，驱动基因在玉米叶肉细胞中特异表达；而细胞质Pdk启动子是个弱启动子，且不具有组织特异性。大多数C4植物的光合作用相关 基因的表达具有细胞特异性，且主要在转录水平调节基因表达活性，因此，可利用该启动子在C4植物叶肉细胞中高效表达外源基因。
2.4 花特异启动子
高等植物发育过程中花器官的形成是一个十分复杂的过程，它包括一系列器官分化及严格控制的细胞及生化变化 ，同时伴随大量基因的协同表达。目前人们最为关注的是花药中特异表达的基因，抑制或破坏这些基因的表达可导致雄性不育，即可利用基因 工程的方法创造雄性不育系。
人们克隆了许多花药特异表达的基因，如在花药绒毡层特异表达的TA29，A9、在花粉壁特异表达的Bp4A等，但这 些基因都是在花药营养细胞中表达，与生殖细胞的分化无关。Singh等从百合(Lilium longiflorum)中克隆了一个LGC1基因的启动子，该启动子 驱动的基因只在雄配子细胞中表达。LGC1启动子-242～-183 bp之间可能包含某种顺式作用元件，它的缺失会导致细胞特异性表达特性丧失，由 此可知LGC1在生殖细胞中的表达特异性可能是由于其他细胞中存在某些转录因子抑制该基因表达的结果。这是迄今为止发现的第一个有关雄配 子细胞特异性的启动子，在研究花药发生和受精作用中将会是一个有用的工具。
2.5 果实、种子特异性启动子
利用果实或种子等器官特异性启动子调控基因表达，不仅可提高基因在这些部位的表达量，将生物能耗降到最低 ，利于表达产物的分离，而且可有目的地提高转基因植物果实或种子的营养或改善其品质。
番茄E8启动子是成熟果实中乙烯应答性基因的启动子，其-409～-263bp可控制E8基因在果实成熟过程中特异表达 ，-2181～-1088bp为乙烯应答激活域。Sandhu等利用E8启动子驱动呼吸道合胞病毒F抗原基因成功转化番茄植株，用果实特异表达抗原喂饲小鼠，可诱导小鼠产生特异 的粘膜免疫反应、血清学抗体反应及TH1型细胞免疫反应。基因表达调控与免疫学的有效结合，使得转基因植物口服疫苗可在不久的将来问世。 2A12是番茄中另一种果实特异性启动子，毛自朝等利用该启动子驱动ipt调节果实内源激素的含量，不仅可获得无籽果实，还能改善果实的品质 。
种子特异性启动子中研究较多的是胚乳特异性谷蛋白基因启动子。谷蛋白占水稻种子储藏蛋白总量的70％～80％ ，早在1986年Takaiwa等就克隆了第一个水稻谷蛋白基因的cDNA。该基因转录起始位点-261～-1 bp之间有若干控制种子特异性表达的顺式作用元件，如AACA-box、种子凝集 素-box、未成熟种子核因子结合位点等。此外，启动子更上游处还有若干增强子和调节元件，如-300bp处的RY重复序列，它是核蛋白的结合位 点。Yoshihara等研究发现水稻谷蛋白启动子上游-104～-60bp之间有两个顺式作用元件AACA和GCN4，GCN4能增强启动子的活性，而启动子的组织特异性则须两者协同作用。
虽然植物食物中包含人类营养所需的绝大多数矿物质和有机养分，但日常摄入的食物往往不足以提供人体所需的 营养。因此人们希望通过植物基因工程提高植物中所含的营养物质。水稻谷粒中含有铁蛋白，但多积累在糊粉层，在谷粒加工过程中会失去很 多铁。Vasconcelos等用水稻胚乳特异性谷蛋白基因启动子驱动大豆铁蛋白基因，使转基因水稻谷粒中铁和锌的含量都有所增加，而且铁蛋白主 要积累在胚乳中，不会在食品加工过程中丢失。无独有偶，Datta等利用水稻谷蛋白特异启动子驱动八氢番茄红素合酶基因PSY，在水稻胚乳中 成功合成维他命原A。
以植物为生物反应器生产生物可降解塑料是本实验室研究目标之一。叶梁等使用大豆7S种子特异性启动子，构建 二价和三价种子特异性表达载体转化油菜。这样将产物聚-3-羟基丁酸酯(PHB)定位与种子质体中，不仅增加了底物供应，也减少PHB对植物生长 发育的影响。为优化已有表达框架，减小基因沉默发生几率，Zhang等从油菜H165基因组DNA中分离到napinB启动子的部分序列——nap300。序 列分析表明，napinB启动子包含一些在进化上保守性很高的序列，如AT-rich sequenc，TACACAT保守序列、RY重复序列、G-box等，这些顺式作 用元件可能对种子特异性表达起重要的调控作用。将nap300与GUS基因融合转化烟草，GUS在胚和胚乳中均有表达；GUS荧光检测显示nap300启动 子具有驱动基因在种子发育晚期表达的能力。

3 诱导型启动子
与组织器官特异性启动子相比，诱导型启动子有着独特的优点：它可根据需要在植物特定的发育阶段、组织器官 或生长环境下，快速诱导基因转录的“开”与“关”。根据来源，可将诱导型启动子分为天然存在的启动子和人工构建的启动子。
3.1 天然的诱导型启动子
长期进化过程中，植物通过启动不同基因的表达可在一定范围内适应光、温、水等环境的变化。这些基因的启动 子通常包含比较保守的顺式作用元件，利用这些保守元件可以推测新基因的可能功能，也可用这些环境应答基因的启动子与抗逆基因融合，从 而使转基因植物更好地适应逆境。
天然诱导型启动子包括光、温度、激素应答启动子等。光应答启动子中通常存在GT-1-motif，I-box，G-box和 AT-rich sequence等顺式作用元件；温度应答启动子中多存在HSE-motif，CCAAT-box，CCGAC-motif等；激素应答启动子中则包含各种激素应答 元件。G-box作为蛋白结合的一个高度保守的位点，是植物中通用的受信号诱导的顺式作用元件，在植物和动物中具高度保守的核心序列CACGT 。G-box通常与另外一个顺式作用元件如I-box，H-box等协同作用，在细胞接受外界信号时调节转录起始的频率。这种机制可能是通过G-box及 其结合蛋白相互作用产生一个内部环境，其他调节蛋白与启动子区域有效结合，使细胞准确而有选择地起始转录。
有些诱导型启动子同时具有组织特异性，如RBCS1启动子，既包含叶特异表达元件，又带有几个光应答元件 (LREs)，受光的诱导调节。当转基因烟草由光照转入黑暗时，该启动子驱动的GUS活性比在光下低许多，Northern杂交几乎检测不到GUS的表达。
由于植物生长环境及基因表达的复杂性，从外界环境的刺激到启动应答基因的表达之间的信号通路往往是相互交 叉的，这样启动子中包含的顺式作用元件通常也不止一种，如从葡萄中克隆的白藜芦醇合酶基因Vst1启动子，当病虫侵害、UV照射、臭氧环境 或化学物质诱导时均可启动Vst1的表达。Riou等发现该启动子上分别带有乙烯和臭氧的应答元件，可适应不同的外界刺激。拟南芥rd29A基因在 干旱、高盐碱、低温或脱落酸诱导时表达。其启动子-174～-55区域包含干旱应答因子(DRE，TACCGACAT)和ABA应答因子(ABRE，ACGTGG/TC)，且 该基因在ABA诱导表达时，DRE和ABRE是相互独立的。
当植物受病虫害侵犯时，受伤部位会立刻启动细胞程序性死亡，即发生所谓超敏反应(hypersensitive response 。HR)。HR通常会启动未受伤部位产生次级防御反应，从而对一般的病虫害产生普遍抗性，这种现象称为系统获得性抗性(systemic acquired resistance，SAR)。烟草中SAR基因是一个至少包含十二个成员的家族，SAR也受一些诸如水杨酸(SA)，INA(dichloroisonicotinic acid)和 BTH(benzothiadiazole)等化学物诱导。烟草Sat8.2b基因启动子-205/-201是as-1元件(TGACG)，-146/-141和-276/-271为两个GT-1结合序列 (GGAAAT)，-97/-94、-322/-318和-761/-758分别是Dof结合基序(AAAG)，前两者被认为可以与SA应答的转录因子结合而起关键作用。启动子缺 失实验表明Sar8.2b启动子-927～-728和-351～-197bp分别包含有SAR高效诱导基因表达所需的顺式作用元件，缺少了这两个DNA片段。转基因烟 草GUS表达活性明显降低。
3.2 人工构建的诱导型启动子
在开发植物天然存在的诱导型启动子的基础上。人工构建可诱导表达系统以满足不同需求。目前研究最多、最深 入的可诱导表达系统是化学诱导表达系统。自第一次用化学诱导表达系统TetR，通过CaMV35S启动子成功调节cat基因的表达以来已有20多年的 历史，现已发展成日臻完善的植物表达外源基因的可诱导表达系统。该系统包括两个转录单元：一是与化学诱导物结合的转录因子的表达，另 一个转录单元包含一个应答元件，经诱导物处理后，通过它激活转录因子，从而激活或抑制目的基因的表达。
一个理想的化学诱导表达系统应具备以下特点：首先，外源基因在植物体自身不表达或低水平表达，当添加诱导 物后，高效诱导基因表达；其次，诱导物需要有较强的专一性；第三，诱导物可快速启动基因表达的“开”与“关”；而且诱导物对植物无毒 或低毒。根据控制基因表达的方式，可将化学诱导系统分为两大类：阻遏型启动子系统和激活型启动子系统。
3.2.1 阻遏型启动子系统
该系统建立在阻遏蛋白与转录因子在空间构型相互作用的基础之上。当诱导物不存在时，激活蛋白与阻遏蛋白结 合，基因正常转录；添加诱导物后，诱导物与激活蛋白结合或阻止其与阻遏蛋白结合，阻遏蛋白则与启动子上的某些顺式作用元件结合，抑制 基因转录，如以四环素抑制子为基础的四环素抑制系统(tTA)。Love等用包含四环素抑制子的启动子Topl0与报告基因GFP相连转化拟南芥，发现 用100 ng/mL的四环素即可抑制GFP的表达，而且改变培养基中四环素的浓度，可调节GFP的表达水平。
3.2.2 激活型启动子系统
在抑制型启动子系统中，抑制基因转录所需诱导物的量往往超出植物适应的范围，而且在真核生物中激活基因比 抑制基因转录更容易，近年发展了一些激活型启动子系统，如地塞米松诱导的GR系统、雌二醇诱导的ER系统、杀虫剂诱导的EcR系统等。激活型 启动子系统的优点是只有当诱导物存在时才能启动基因表达，去除诱导物后，基因表达很快被关闭，这样就可以人为地精确、快速控制基因的表 达。
Bohner等研究了一种可双向调控外源基因表达的系统，他们将改造的启动子Top10与报告基因GUS相连，使用转录 激活子TGV作为基因开关。转基因烟草结果表明，用地塞米松处理3小时后基因表达量达到高峰；用四环素处理6小时即可关闭基因表达。该诱导 系统最大的优点在于可迅速调节基因的表达与否，当外源基因可能对植物产生不良影响时这一点显得尤为重要。
为了满足应用需要，人们开始研究便于在大田使用的诱导表达系统，杀虫剂诱导的EcR系统就是一个很好的范例 。Unger等利用欧洲玉米螟(Ostrinia nubilalis)的蜕皮激素配基结合结构域(EcR LBD)、玉米C1激活域(AD)和GAL4 DNA结合结构域(DBD)构建化 学诱导激活子，把它与玉米ms45最小启动子相连，构建成可受杀虫剂诱导的人工启动子诱导系统。他们利用该系统在玉米雄性不育突变株ms45 中成功地诱导了育性恢复基因MS45的表达。