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1、植物启动子的结构和功能及 其甲基化的研究进展 武汉大学资源与环境科学学院 2014级 环境科学 何宇宁 1.1 概况 1. 看 文 献 进 展 中文:24 英文:7 总计:31 1.1 综述 1. 看 文 献 进 展 1李一琨，王金发.高等植物启动子研究进展J.植物学通报，1998，15（增刊）：1-6. 2王颖，麦维军，梁承邺等.高等植物启动子的研究进展J.西北植物学报，2003，23（11）：2040 2048. 3路静，赵华燕等.高等植物启动子及其应用研究进展J.自然科学进展，2004，14（8）：856863. 4吴雪峰,赵开军等.植物启动子的诱导模序J.中国生物工程杂志，2004,2
2、4(12):14-21. 5李杰，张福城，王文泉，黄丽云.高等植物启动子的研究进展J.生物技术通报，2006, 17(4):658-661. 6夏江东,程在全,吴渝生等.高等植物启动子功能和结构研究进展.云南农业大学学报J.2006,21(1):7-14. 7王莹,韩烈保,曾会明.高等植物启动子克隆方法的研究进展.生物技术通报J.2007,(3):97-100. 8李宁,樊守金,张增艳.植物抗病相关启动子及其研究进展.植物遗传资源学报J.2007, 8(2): 234-239. 9张毅,尹辉,李丹,朱巍巍,李秋莉.植物启动子的化学因素诱导元件J.植物生理学通讯.2007,43(4):787-7
3、94. 10胡廷章,罗凯,甘丽萍,石汝杰.植物基因启动子的类型及其应用J.湖北农业科学，2007, 46(7):149-151. 11聂丽娜,夏兰琴等.植物基因启动子的克隆及其功能研究进展J.植物遗传资源学，2008,9(3): 385-391. 12马睿,陈华民,吴茂森,吴祖建,何晨阳.病原物诱导型植物启动子的研究方法J.生物技术通报, 2012,(11). 13王婧,李冰,刘翠翠,朱阵,张继瑜.启动子结构和功能研究进展J.生物技术通报.2014，(9)：40-45. 14张晶红,那杰.植物逆境胁迫耐受性启动子的研究进展J.植物生理学报.2014,50(6): 707-710. 1. 看 文
4、 献 进 展 1.2 研究 15金炜元.重组克隆技术中植物启动子分析载体的改进研究D.浙江大学，2007. 16左永春,李前忠,杨磊,杨乌日吐.基于PCWM扫描模型的植物启动子分析及识别J.内蒙古大学学报(自然 科学版).2008,39(5):536-542. 17迟婧,耿丽丽,高继国,束长龙,张杰.植物叶片基因组DNA快速提取方法J.生物技术通报,2014,(9):51-57 18柳小庆.玉米胚特异性高表达启动子的基因组规模筛选、克隆和功能鉴定D.中国农业科学院生物技术 研究所,2014. 19刘聚波,张玉娟,陈洁,沈法富.棉花GhRCA1基因启动子的克隆及序列分析J.分子植物育种, 201
5、4,12(4):701-711. 20汪莹，孔俊花等.番茄果实成熟相关转录因子的研究进展J.园艺学报.2014，41（9）：1811-1820. 21虞飞博,周洁等.水稻病程相关基因OsPR1b启动子的表达特性研究J.生物技术通讯.2014,25 (4)：467- 473. 1. 看 文 献 进 展 1.3 启动子甲基化的研究 22段丽君.拟南芥microRNA启动子甲基化的分析以及AtWRKY30转录因子的生物学功能研究.D.山东 农业大学，2012. 23单存海,钟鸣等.镉胁迫对拟南MLH1基因启动子甲基化的影响J.植物生理学报,2011,47(3):298-304. 24冯伟兴,王科俊等
6、.基因启动子甲基化对转录因子结合的抑制作用分析方法J.生物化学与生物物理进 展.2011,38(2):177-184. 25Meishan Zhang et al. DNA cytosine methylation in plant development. Journal of Genetics and GenomicsJ. 2010(37) :1-12. 26Rebecca A. Mosher and Charles W. Melnyk. siRNAs and DNA methylation:seedy epigeneticsJ. Trends in Plant Science .2010
7、, 15(4):204-211. 27Jihua Ding et al. RNA-Directed DNA Methylation Is Involved in Regulating Photoperiod-Sensitive Male Sterility in RiceJ. Molecular Plant ,2012,5(6): 1210-1216 . 28Mladen Naydenov et al.High-temperature effect on genes engaged in DNA methylation and affected by DNA methylation in Ar
8、abidopsisJ. Plant Physiology and Biochemistry ,2015,87: 102-108. 29Jerzy Paszkowski et al.Gene silencing and DNA methylation processesJ. Current Opinion in Plant Biology,2001,4:123129. 30Huilan Yia et al.DNA methylation changes in response to sulfur dioxide stress in Arabidopsis plantsJ. Procedia En
9、vironmental Sciences , 2013,18: 3742. 31A.K.M. Nazmul Haque et al.Cytosine methylation is associated with RNA silencing in silenced plants but not with systemic and transitive RNA silencing through graftingJ. Gene ,2007,396:321331. 2.1 启动子的位置 2. 植 物 启 动 子 的 结 构 5 上游元件核心元件 转录起始位点 外显子1内含子1 AATAAA 3 转录
10、终止位点 5调控序列 启动子结构基因终止子 3调控序列 2. 植 物 启 动 子 的 结 构 2.2 启动子的结构 AACAAUGGC 翻译起始密码子 转录 起始 位点 TATA框 转录因子 RNA聚合酶II 启动子核心元件 0-20 -30 -80bp-220bp 上游启动子元件 CAAT框/GC框/G框 2.3 启动子的分类 花椰菜花叶病毒(CaMV)35S启动子 根癌农杆菌Ti质粒T-DNA区域的胭脂碱合成酶基因(Nos)启动子 章鱼碱合成酶基因(Ocs)启动子 水稻actin1(Act1)启动子。 在营养器官中的研究和应用 在生殖器官中的研究和应用 光诱导表达启动子 热诱导表达启动子
11、创伤诱导表达启动子 激素诱导表达启动子 真菌、细菌共生诱导 组成型启动子 组织特异型启动子 诱导型启动子 双向启动子 可变启动子 串联启动子 2. 植 物 启 动 子 的 结 构 重点文献介绍 3. 看 文 献 进 展 硕士学位论文 拟南芥microRNA启动子甲基化的分析以及AtWRKY30转录因子的 生物学功能研究 （2012.段丽君.山东农业大学） 在模式植物拟南芥中，对 miRNA 启动子区域甲基化以及 WRKY30 的生物学功能进行了分析。 概念 3. 看 文 献 进 展 表观遗传学 在基因的DNA序列不发生变化的条件下，基因表达发生的改变也是可 以遗传的，不仅可以影响个体的发育，而
12、且还可以产生可遗传的表型 变化，由此开辟了一个新的领域，即表观遗传学(生物体从受精卵发育 成成体的过程中，基因表达活性变化的模式) DNA甲基化修饰、组蛋 白修饰、染色质重塑以及非编码RNA调控 DNA 甲基化 表观遗传学修饰途径之一，通过 DNA 胞嘧啶（C）甲基化的形式存储 并且稳定遗传，在生物生长发育过程中具有重要的调控作用。在修饰 过程中，DNA 的甲基化并不改变基因的碱基序列，而是通过影响基因 的表达而改变基因的功能。 MicroRNA MicroRNA（miRNA）是在真核生物中发现的一类内源的具有调控功 能的非编码小 RNA,可通过与靶 mRNA 的互补在转录后水平或翻译水 平上
13、介导靶基因的沉默,在动植物的生长发育方面也发挥着重要的作 用。 重点文献介绍 3. 看 文 献 进 展 DNA 甲基化作用（植物） 被甲基化的碱基有2种，即N6-甲基腺嘌呤和5-甲基胞嘧啶 多数DNA甲基化发生在GC富含区和高度重复序列区 转录区域有甲基化修饰的基因表达水平普遍很高 在启动子区域甲基化修饰的基因表达水平受抑制 DNA甲基化和转座子沉默和内源基因转录表达密切相关 重点文献介绍 3. 看 文 献 进 展 DNA 甲基化作用（植物） 广泛存在3类甲基转移酶催化上述的甲基化修饰反应： 甲基转移酶MET1（Methyltransferase1）。MET家族在植物甲基化酶中占统 治地位，它
14、既能使CpG二核苷酸中胞嘧啶甲基化，又能维持其甲基化 染色质甲基化酶 CMT（Chromomethylase），是植物特有的甲基转移酶， 能特异性地维持非 CpG 位点（ 主要是CpHpG 位点）的甲基化。 结构域重排甲基转移酶 DRM（Domains Rearranged Methyltransferase） ，DRM 家族只在催化域的排列顺序上存在差异，特异指导在 CpHpG 和 CpHpH 处发生从头甲基化。植物中非 CpG位点的甲基化往往由 RNA 介导的 DNA 甲基化机制进行调控。（H表示A/C或T） 3. 看 文 献 进 展 DNA 甲基化作用（植物） 在拟南芥中存在三种形式的甲
15、基化修饰，即 CpG，CpHpG 以及CpHpH。 这三种形式的甲基化修饰分别由不同的路径调控，并且需要通过小 RNA 介导以 及组蛋白修饰才能完成 DNA 甲基化修饰。 3. 看 文 献 进 展 重点文献介绍 3. 看 文 献 进 展 DNA 甲基化作用（植物） DNA 甲基化调节基因的表达有 3 种可能的机制： 5-甲基胞嘧啶伸入 DNA 双螺旋的大沟，从而影响转录因子的结合，影响相关 基因的表达； 序列特异性的甲基化 DNA 结合蛋白 MDBP21 和 MDBP22 与甲基化的启动 子序列特异性结合,从而抑制转录因子与靶序列的结合，从而激活或抑制基因 表达； 在甲基化 DNA 上结合有特
16、异的蛋白质，或称为甲基 CpG 结合蛋白，这些蛋 白质能与转录因子竞争甲基化 DNA 结合位点。 重点文献介绍 3. 看 文 献 进 展 DNA 甲基化作用（植物） DNA 甲基化与基因组防御 通过 DNA 甲基化可以抑制转座子和外来 DNA 的转录，降低由非等位基因之 间的转座和重组导致的基因组的破坏。 DNA 甲基化与植物生长发育 在植物生长发育过程中，如果甲基化修饰水平不足或降低，将会导致生长发育 不正常和表型异常。 DNA 甲基化与转基因沉默 转基因沉默（transgene silencing), 即当向生物体内导入外源基因时，引起目 的基因及其与目的基因序列同源的内源基因的表达被特异
17、性抑制的一种基因调 控现象。 DNA 甲基化与植物抗逆性 植物在外界环境刺激下 DNA 甲基化水平会发生动力学改变,且 与不同的环境 胁迫有关.环境因子如臭氧、强光、热、冷、干旱、重金属以及病源体均可以 引起氧化胁迫，形成含有活性氧的原子团或活性氧元素，这可能是去甲基化的 开关 。 重点文献介绍 3. 看 文 献 进 展 文献结论 拟南芥启动子区域甲基化的 miRNAs 共有 15 个 通过重亚硫酸盐测序法分析得出，不同 miRNA 启动子区域的 CpG 位点甲基 化一般都比较稳定，维持在 30%60%。 MiRNA396a 启动子区域的甲基化调控 miRNA396a 自身的表达。 MiRNA
18、396a 启动子区域甲基化参与了植物对非生物胁迫的响应。在外界胁迫 条件下，miRNA396a 通过改变启动子区域甲基化修饰水平调控 miRNA396a 的表达。 MiRNA 启动子区域甲基化修饰提供了一条新的 miRNA 表达调控方式，在植 物细胞分化、生长发育以及响应非生物胁迫的过程中发挥重要的调节作用。随 着分子生物学的进一步发展，miRNA 作用机理的研究会更加深入，表观遗传 学中关于 miRNA 与 DNA甲基化之间的联系也会有新的研究进展。 应用与思考 3. 看 文 献 进 展 研究表明，在 DNA 水平上，活性氧攻击导致主要化合物 8-羟基鸟 苷的形成，生物体可通过 DNA 糖基化酶催化的切除修复机制修复 这种氧化损伤引起的损伤。但当胁迫太强烈时或者导致修复无效时 相邻胞嘧啶的甲基化会受到影响，从而诱导异常的表观遗传效应， 导致癌症发生。 有理由推测，植物也会发生相似的事件，植物在受到损伤后，5-甲 基胞嘧啶的分布和修饰水平随之改变，立即激活植物体内的 DNA 修复系统。一些核酸外物质的甲基化在植物逆境胁迫中也发挥着重 要作用。 基因启动子甲基化的变化可作为检测某些重金属污染对植物遗传毒 性效应潜在的、有用的生物标记物。