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您离发表 10 分文章之间还差一个「组织特异性启动子」

发布时间:2019-03-26 15:38 |  点击次数:

组成型启动子(如 CMV、EF1A、UBC 等)在大部分细胞中都能维持较稳定的表达活性,但其应用主要局限于细胞层面。相比而言,组织特异性启动子可调控外源基因在某些特定来源的细胞或组织部位中表达,因此更加适用于在体研究。

那么如何找到一个适合自己研究方向的特异性启动子呢?今天,小编就带你解析特异性启动子的筛选和验证的经典思路,看看其「生产过程!
 

特异性启动子有什么特征呢?跟常规启动子有什么区别呢?


目前,大部分的特异性启动子是从特定细胞专一表达的基因启动子鉴定得来的,如神经元特异性启动子 Syn 来源 SYN1。特异性启动子主要由两大部分组成:核心启动子+特异性调控元件(甲基化修饰位点、特定转录因子调控位点等),调控元件多座落在核心启动子临近位置。

我们分析两篇特异性启动子研究的文章,观摩下特异性启动子的筛选过程:
 

内皮细胞特异性启动子 ICAM-2 Promoter 的筛选【1】
 

第一步

首先鉴定在您研究细胞中特异性表达的基因。这一步主要采用的有高通量测序、芯片、质谱等技术方法,比较基因在不同组织细胞中的表达情况,筛选到在目的组织细胞中高表达,而在其他组织细胞中低表达的基因。

 

第二步

根据第一步筛选到的基因,预测其启动子,常取翻译起始位点 ATG 之前的序列分析,取多个物种进行比对。

 

吉凯小知识为什么要对序列进行多物种比对?原理是功能性序列在物种进化过程中是趋于保守的,典型的就是蛋白质在物种间高度保守。虽然启动子序列非保守,但是核心调控序列是保守的。以下是文章中人和小鼠 ICAM 启动子比对情况。

 

-0.33 kbp 人 ICAM-2 启动子序列和小鼠对应序列的比较

 

第三步

预测完启动子序列后还不够,需要通过实验筛选出具有活性、片段最短特异性启动子:

首先,构建不同长度的启动子(通常取 -5k 或者 -3k 至 ATG 这一段);

其次,根据第二步分析的同源性情况进行启动子截短,将众多的调控序列包含在不同的截短体中;

最后,在目的以及非目的细胞中验证不同截短体启动子的表达情况,即可筛选出较短并具有特异性表达活性的启动子序列。

这篇文章在主动脉内皮细胞 BAEC 与非内皮细胞 COS 中检测了不同长度 ICAM-2 启动子的表达情况,证明了 0.33kbp 启动子在体内和体外都具有高特异性,并且在 5' 区域上游增加到 2.7kb 并不会增加其表达活性。

 

不同长度启动子的活性对比

BAEC:主动脉内皮细胞;COS:非内皮细胞

 

第四步

筛选特异性调控因子,成为验证特异性启动子的必经之路。

特异性调控因子的筛选方法常采用「对预测的转录因子进行单点或者组合突变的手段。

这篇文章采用突变和凝胶电泳迁移证明了 ICAM-2 启动子中的 Sp1 位点和 2 个 GATA 位点是顺式作用的正调节因子。Sp1 位点的突变中止了主动脉内皮细胞 BAEC 中核蛋白的特异性结合,在 BAEC 细胞中 ICAM-2 的活性减少了 70%。同时 P8 的突变也使 ICAM-2 的活性减少了 70%。

 

点突变鉴定核心调控因子


通过以上 4 步,一个内皮细胞特异性启动子就出炉啦,还能发一篇启动子筛选和验证的文章。是不是很 easy?不就是将筛选的特异性表达基因做启动子截断以及验证嘛,有啥难的!如果这样想,就是 too young, too simple了。为什么这么说呢?

上篇文章中的特异性启动子调控位点恰好是在临近启动子的区域,但是新的研究发现:在人 21 和 22 号染色体上,只有 22% 的转录因子结合位点分布在蛋白编码基因的 5' 端;也就是说,还存在调控位点远离启动子的情况。比如巢蛋白(Nestin)是成年神经干细胞特异性表达蛋白,其特异性的表达就由 2 号内含子与启动子共同调控。

 

那么怎么做呢?

以下小编列举几篇关于Nestin研究思路的文章,以供参考【2】【3】

 

一、还是比对同源性

文章发现大鼠和人巢蛋白 2 号内含子的 3' 端部分含有高序列相似性的结构域,但启动子区域却不具有同源性。于是研究人员在 SV40 启动子前添加了不同长度的内含子序列,通过检测启动子活性的改变,证明2号内含子可以在Nestin阳性细胞(P19/F9)中增强启动子表达活性:

 

内含子驱动的启动子在 Nestin 阳性细胞(P19/F9)与阴性细胞中的表达活性

 

二、通过位点突变筛选特异性调控因子验证机制

 

第一步的实验显示出最短调控区段为 2 号内含子中的 320bp,于是分析这段序列,找到了 POU factor binding site(以 TFBIND 预测),并且做了点突变,验证了其为主调控因子:

 

 

三、序列拼接

在筛出位于内含子的最短调控序列后,将其置于核心启动子(多为 TSS 上游 300~500 bp)上游,整合后的序列即为特异性启动子。


以上文章重点论述的是内含子调控功能,也可以参考以下文章直接以不同长度的内含子加不同长度的启动子拼接验证【4】

 

构建不同组合形式报告系统

P1: CMV 启动子

P2: 400bp 核心启动子

P3: 内含子 2+核心启动子

P4: 内含子+CMV 启动子

P5: 4kb 启动子

P6: 内含子+4kb 启动子


将上述质粒转染至MEF细胞, P3 与 P6 结果一致,所以认定内含子 2+Nestin 核心启动子的组合为最短特异性启动子。

 

不同组合质粒的荧光表达情况


除了单内含子调控的 Nestin 之外,还有双内含子调控的视网膜双极细胞特异性启动子 Opto-mGluR6【4】;也有部分文章构建来自不同基因区段组合的启动子,如巨细胞特异性启动子SP146-C1【5】。这些不按套路出牌的特异性启动子简直是在为广大科研工作者挖坑!因此,小编强烈建议大家在自己的课题研究中尽量通过查找文献,使用已经前人验证的特异性启动子,而不是自己亲自动手去筛选。

近几年火热的腺相关病毒(AAV),通过特定血清型与特异性启动子的组合,可实现基因的定向递送,已经成为动物模型基础研究的常用载体系统,以及临床试验中基因治疗的热门选择。

吉凯基因通过文献查阅,序列优化,共提供 20 余种不同器官的特异性启动子腺相关病毒AAV载体,覆盖神经、肌肉、骨骼、心血管、眼科、肝脏、肾脏、脂肪、胰腺等多个研究领域。并有科研大咖的亲测经验分享(点击查看)。

 

注 意

特异性启动子是可以跨物种使用的哦,原因嘛就在于功能性调控序列在物种间是保守的,所以不必纠结于启动子来源的物种类型
 

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参考文献:

【1】The Human ICAM-2 Promoter is Endothelial Cell-specific in Vitro and in Vivo and Contains Critical Sp1 and GATA Binding Sites

【2】An Evolutionarily Conserved Region in the Second lntron of the Human Nestin Gene Directs Gene Exmession to CNS Progenitor Cells and to Early Neural Ciest Cells

【3】Second Intron of Mouse Nestin Gene Directs its Expression in Pluripotent EmbryonicCarcinoma Cells through POU Factor Binding Site

【4】AAV-Mediated Transduction and Targeting of Retinal Bipolar Cells with Improved mGluR6 Promoters in Rodents and Primates

【5】A macrophage-specific synthetic promoter for therapeutic application of adiponectin