华南植物园在双生病毒中发现一种新型的基因表达增强序列

学术 2024-12-29 17:30 上海

来源：PBJ

近日，中国科学院华南植物园邓书林团队在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“A novel geminivirus‐derived 3′ flanking sequence of terminator mediates the gene expression enhancement”的研究论文。该研究工作在双生病毒甘薯曲叶病毒（SPLCV）的SBG51卫星DNA中发现了一段序列，当该序列作用于终止子的下游时，可以显著地提高上游基因的表达水平。而且这种基因表达增强作用不依赖启动子和终止子类型，并能维持启动子时空表达特异性。进一步研究发现人工合成串联重复的“ATAAA”和“TTAAA”关键元件，也可增强表达。这种新型的基因表达增强序列及核心元件在植物和酵母细胞中均有效，为合成生物学优化表达载体和基因编辑精准控制基因表达提供了有力的新工具。

提高目标基因的表达水平一直是现代分子生物技术，以及合成生物学的一个重要方面。一个基因表达模块通常由三个必需元件组成：启动子，基因编码区和终止子，其中启动子和终止子都可以调控基因的表达量。植物病毒是挖掘植物基因表达调控元件的主要来源之一。例如，植物基因工程中广泛应用的35S启动子和35S终止子来源于花椰菜花叶病毒（Cauliflower Mosaic Virus，CaMV）。植物病毒的基因组通常很小，因此其基因表达调控元件一般非常精简，较短的调控元件有利于对基因表达模块的编辑及设计。由此可见，在植物病毒中挖掘基因表达增强元件，具有巨大的开发潜力。

双生病毒科是病毒界中最大的一个科。双生病毒通常含有一个或两个单链环状DNA，分别称为单组分双生病毒和双组份双生病毒，单组分双生病毒通常还伴随一个卫星DNA。甘薯曲叶病毒是单组分双生病毒，是危害甘薯产业最严重的DNA病毒。邓书林团队今年上半年发表文章，建立了简便高效的甘薯曲叶病毒侵染体系，并利用SBG51卫星DNA设计了病毒诱导的基因沉默（VIGS）系统（Zhang Yi，et. al, Phytopathology Research 2024）。在进一步对SBG51卫星DNA的研究过程中，研究人员发现如果将SBG51的序列插入基因表达模块的终止子下游，可以显著地增强上游基因表达。而插入在启动子上游并没有明显的效果。不仅如此，该基因增强效果可以与不同的启动子与终止子组合起作用。在烟草叶片瞬时表达系统中，可以与UBQ10启动子或35S启动子组合，可以将目的基因GFP的表达量增强6~10倍，从而进一步增强了GFP蛋白的积累和叶片中的荧光强度（图1）。

图1

非常有价值的是，这种基因增强的方法，可以保留上游启动子的时空表达特异性。例如与感知光周期的关键基因成花素基因FLOWERING LOCUS T（FT）的启动子组合，构建转基因拟南芥，不仅增强了目的基因表达水平，而且保持了FT启动子感受光周期昼夜节律变化的表达模式。另外，与气孔特异性表达的基因TOO MANY MOUTHS （TMM）的启动子组合，可以显著增强目的基因在气孔细胞中的特异性表达（图2）。

图2

作者进一步将基因表达增强序列聚焦在123bp富含AT（A 腺嘌呤、T 胸腺嘧啶）的区域，并鉴定到了“ATAAA”与“TTAAA”核心调控元件。通过人工合成的方式串联重复两种核心元件，并插入到终止子下游，可以通过串联序列的长度，精准控制基因表达增强的程度（图3）。这种基因表达增强方式在酵母细胞中也得到了验证（图4）。本研究中发现的DNA序列及核心元件，在合成生物学高效生产重组蛋白，以及基因编辑原位增强表达等领域具有重大的应用前景。

图3

图4

中国科学院华南植物园的陈焕镛副研究员张艺与慕恩（广州）生物科技有限公司贤一博博士为本文的共同第一作者，华南植物园邓书林研究员为本文的通讯作者。华南植物园的研究生杨恒、杨选钢、余天丽、刘赛和助理研究员梁敏婷，以及慕恩（广州）生物科技有限公司创始人兼CEO蒋先芝博士也参与了本项目的研究。本研究得到了广州市科技计划项目（E33309）、国家自然科学基金面上项目（32170304、 31871285）、广东省科技计划项目（2023B1212060046）及北京生命科学研究院有限公司开放基金（BLSA, No: 2024200CD0180）的资助。

参考文献：Zhang Y., Yang X., Huang L. and Deng S. A highly efficient Agrobacterium-mediated infectious system for Sweet potato leaf curl virus and a deltasatellite-based VIGS vector. Phytopathology Research 2024 6(23).

本文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.14561

Please cite this article as: Zhang, Y., Xian, Y., Yang, H., Yang, X., Yu, T., Liu, S., Liang, M., Jiang, X. and Deng, S. (2024) A novel geminivirus-derived 30 flanking sequence of terminator mediates the gene expression enhancement. Plant Biotechnol. J., https://doi.org/10.1111/pbi.14561.

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