Seed-specific expression of sesame microsomal oleic acid desaturase is controlled by combinatorial properties between negative cis-regulatory elements in the SeFAD2 promoter and enhancers in the 5'-UTR intron
- 作者
- Mi Jung Kim, Heeja Kim, Jeong Sheop Shin, Chung-Han Chung, John B. Ohlogge, Mi Chung Suh
- 单位
- School of Life Sciences and Biotechnology, Korea University; Department of Biotechnology, Dong-A University; Department of Plant Biology, Michigan State University; Department of Plant Biotechnology and Agricultural Plant Stress Research Center, College of Agriculture and Life Sciences, Chonnam National University
- 杂志
- Molecular Genetics and Genomics（2006）
- DOI
- 10.1007/s00438-006-0148-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解析芝麻SeFAD2基因种子特异性表达的转录调控机制，特别是启动子中负调控元件与5'-UTR内含子增强子之间的协同作用。
研究策略
利用GUS报告系统，对SeFAD2启动子进行5'端缺失系列分析、内含子内部缺失分析，并在转基因拟南芥中检测GUS表达；同时比较AtFAD2内含子的作用，并通过外源ABA处理研究ABA响应区域。
核心内容
本研究利用GUS报告系统结合5'端缺失和内含子内部缺失分析，在转基因拟南芥中系统解析了芝麻SeFAD2基因种子特异性表达的转录调控机制。研究发现，该基因的表达并非由传统正调控元件单独驱动，而是由启动子中-660至-180区域的负调控元件与5'-UTR内含子中的增强子协同控制：删除负调控区域后，种子特异性表达转变为组成型表达；而内含子的存在可使GUS活性提高约25至40倍，其中+791至+1,517区域对增强效应至关重要，且该内含子本身具有启动子样活性。相比之下，拟南芥AtFAD2内含子仅带来约2至3倍的提升，表明内含子介导的表达增强在FAD2基因中具有保守性但强度存在物种差异。此外，外源ABA处理可使SeFAD2 mRNA水平诱导约2倍，ABA响应元件定位于-660至-548和-179至-53区域。这些结果揭示了芝麻FAD2基因通过负调控元件与内含子增强子的组合作用实现种子高表达与组织特异性的复杂调控逻辑，为油料作物脂肪酸代谢工程的精准表达调控提供了新思路。
创新点
发现SeFAD2种子特异性表达是由启动子负调控元件和内含子增强子组合控制的，而非传统正调控机制；鉴定出内含子中参与表达增强的关键区域（+791至+1,517），并发现内含子具有启动子样活性；定位了ABA响应元件所在的启动子区域。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Arabidopsis thaliana (哥伦比亚生态型) | 脂肪酸生物合成（油酸→亚油酸） | SeFAD2 | 微粒体油酸脱饱和酶 (FAD2) | 催化 | 芝麻FAD2基因，催化油酸第12-13位碳脱氢生成亚油酸，在转基因拟南芥中分析其启动子和内含子调控元件。 |
| Arabidopsis thaliana (哥伦比亚生态型) | 脂肪酸生物合成（油酸→亚油酸） | AtFAD2 | 微粒体油酸脱饱和酶 (FAD2) | 催化 | 拟南芥FAD2基因，组成型表达，其内含子增强基因表达约2-3倍。 |
| Arabidopsis thaliana (哥伦比亚生态型) | 脂肪酸生物合成 | SeFAD2启动子 | — | 调控 | 包含负调控元件（-660至-180）和正调控元件（-179至-53），以及ABA响应元件（-660至-548和-179至-53）。 |
| Arabidopsis thaliana (哥伦比亚生态型) | 脂肪酸生物合成 | SeFAD2 5'-UTR内含子 | — | 调控 | 长1,574 bp，内含子介导表达增强（IME），+791至+1,517区域为必需，具有启动子样活性。 |
| Arabidopsis thaliana (哥伦比亚生态型) | 脂肪酸生物合成 | AtFAD2 5'-UTR内含子 | — | 调控 | AtFAD2内含子可增强GUS表达2-3倍，但不改变组成型表达模式。 |
| Sesamum indicum (芝麻) | 脂肪酸生物合成 | SeFAD2 | FAD2脱饱和酶 | 催化 | 在芝麻发育种子中表达，受ABA诱导，mRNA水平在种子中期最高。 |
关键发现
- SeFAD2启动子-660至-180区域含有负调控元件，删除该区域导致GUS从种子特异表达转变为组成型表达
- SeFAD2内含子使GUS活性提高约25-40倍（P2.4(+intron) vs PF1(-intron)），P1.9(+intron)相比PF4(-intron)在发育种子中提高约15倍、其他组织超过100倍
- 内含子内部缺失分析表明+791至+1,517区域对表达增强至关重要
- AtFAD2内含子使GUS活性提高约2-3倍
- 外源ABA处理诱导SeFAD2 mRNA约2倍，ABA响应元件位于-660至-548和-179至-53区域
- PF4(-intron)对比PF5(-intron)的GUS活性高40倍以上，表明-179至-53区域含正调控元件。
研究结论
芝麻SeFAD2基因的种子特异性表达受启动子中负调控元件（-660至-180）与5'-UTR内含子增强子（+791至+1,517）的组合调控，内含子介导的表达增强（IME）在植物FAD2基因表达调控中具有保守性和重要性，ABA参与该基因的种子发育调控。