In previous studies, we demonstrated that some sites in the first intron likely regulate gene expression. In the present work, we sought to further confirm the functional relevance of first intron sites by estimating the quantity of rare alleles in the first intron. A basic hypothesis posited herein is that genomic regions carrying more functionally important sites will have a higher proportion of rare alleles. We estimated the proportions of rare single nucleotide polymorphisms with a minor allele frequency < 0.01 located in several histone marks in the first introns of various genes, and compared them with those in other introns and those in 2-kb upstream regions. As expected, rare alleles were found to be significantly enriched in most of the regulatory sites located in the first introns. Meanwhile, transcription factor binding sites were significantly more enriched in the 2-kb upstream regions (i.e., the regions of putative promoters of genes) than in the first introns. These results strongly support our proposal that the first intron sites of genes may have important regulatory functions in gene expression independent of promoters.
We isolated and functionally characterized a Dendrobium Actin1 (DmACT1) promoter that drives strong gene expression in the orchid genus Dendrobium. A genomic fragment containing the region 3227 bp upstream of the coding region of DmACT1 was obtained by inverse PCR. Detailed comparison of the full-length cDNA and genomic sequences revealed that DmACT1 has a 1374 bp first intron in the 5' UTR. However, the 5' flanking sequences upstream of the coding region showed no obvious sequence similarities compared to those of known promoters, including plant actin promoters. Serial deletion constructs of the 5' flanking region from the translation initiation codon were fused to the coding sequence of a GUS/luciferase fusion reporter to identify the regulatory elements necessary for promoter activity. Transient assays in the flowers of Dendrobium revealed that the 5' UTR-intron greatly enhanced promoter activity. Moreover, the DmACT1 promoter with its 5' UTR-intron yielded approximately 10-fold higher reporter activity than the rice Act1 promoter-intron. Our data suggest that the DmACT1 promoter with its 5' UTR-intron is a useful tool for strong expression of transgenes in Dendrobium orchids.
C. elegans DLK-1 has been reported to play an important role in synaptogenesis by shaping the structure of presynaptic terminal. In this study, we investigated the expression pattern and regulation of the dlk-1 gene in C. elegans. To determine the expression pattern, we made a dlk-1::gfp fusion construct, named pPDdg1, which consisted of -2.2 kb 5' upstream region, the first exon, the first intron, and a part of the second exon of the dlk-1 gene. By microinjecting this construct into the worm, we observed that the DLK-1::GFP was expressed mainly in neurons. We next examined the regulatory elements of gene expression by deletion analysis of pPDdg1. Removal of a large portion of the 5' upstream region (${\Delta}-361$ to -2246) of the gene had little effect on the expression pattern, whereas deletion of the first intron led to elimination of the DLK-1::GFP expression in most of the neurons. Our results suggest that the first intron of the C. elegans dlk-1 gene contains the regulatory element critical for gene expression.
The intron has been a big biological mystery since it was first discovered in several aspects. First, all of the completely sequenced eukaryotes harbor introns in the genomic structure, whereas no prokaryotes identified so far carry introns. Second, the amount of total introns varies in different species. Third, the length and number of introns vary in different genes, even within the same species genome. Fourth, all introns are copied into RNAs by transcription and DNAs by replication processes, but intron sequences do not participate in protein-coding sequences. The existence of introns in the genome should be a burden to some cells, because cells have to consume a great deal of energy to copy and excise them exactly at the correct positions with the help of complicated spliceosomal machineries. The existence throughout the long evolutionary history is explained, only if selective advantages of carrying introns are assumed to be given to cells to overcome the negative effect of introns. In that regard, we summarize previous research about the functional roles or benefits of introns. Additionally, several other studies strongly suggesting that introns should not be junk will be introduced.
Homology-specific transcriptional and post-transcriptional silencing, an intrinsic mechanism of gene regulation in most eukaryotes, can be induced by anti-sense, co-suppression, or hairpin-based double-stranded RNA. Hairpin-based RNA interference (RNAi) has been applied to analyze gene function and genetically modify crops. However, RNAi vector construction usually requires high-cost cloning steps and large amounts of time, or involves methods that are protected by intellectual property rights. We describe a more effective method for generating intron-spliced RNAi constructs. To produce intron-spliced hairpin RNA, an RNAi cassette was ligated with the first intron and splicing sequences of the Brassica rapa ssp. pekinensis histone deacetylase 1 gene. This method requires a single ligation of the PCR-amplified target gene to SpeI-NcoI and SacI-BglII enzyme sites to create a gene-specific silencing construct. We named the resulting binary vector system pKHi and verified its functionality by constructing a vector to silence DIHYDROFLAVONOL 4-REDUCTASE (DFR), transforming it into tobacco plants, and confirming DFR gene-silencing via PCR, RT-qPCR, and analysis of the accumulation of small interfering RNAs. Reduction of anthocyanin biosynthesis was also confirmed by analyzing flower color of the transgenic tobacco plants. This study demonstrates that small interfering RNAs generated through the pKHi vector system can efficiently silence target genes and could be used in developing genetically modified crops.
The production of therapeutic proteins from transgenic animals is one of the most important successes of animal biotechnology. Milk is presently the most mature system for production of therapeutic proteins from a transgenic animal. Specifically, ${\beta}$-casein is a major component of cow, goat and sheep milk, and its promoter has been used to regulate the expression of transgenic genes in the mammary gland of transgenic animals. Here, we cloned the porcine ${\beta}$-casein gene and analyzed the transcriptional activity of the promoter and intron 1 region of the porcine ${\beta}$-casein gene. Sequence inspection of the 5'-flanking region revealed potential DNA elements including SRY, CdxA, AML-a, GATA-3, GATA-1 and C/EBP ${\beta}$. In addition, the first intron of the porcine ${\beta}$-casein gene contained the transcriptional enhancers Oct-1, SRY, YY1, C/EBP ${\beta}$, and AP-1, as well as the retroviral TATA box. We estimated the transcriptional activity for the 5'-proximal region with or without intron 1 of the porcine ${\beta}$-casein gene in HC11 cells stimulated with lactogenic hormones. High transcriptional activity was obtained for the 5'-proximal region with intron 1 of the porcine ${\beta}$-casein gene. The ${\beta}$-casein gene containing the mutant TATA box (CATAAAA) was also cloned from another individual pig. Promoter activity of the luciferase vector containing the mutant TATA box was weaker than the same vector containing the normal TATA box. Taken together, these findings suggest that the transcription of porcine ${\beta}$-casein gene is regulated by lactogenic hormone via intron 1 and promoter containing a mutant TATA box (CATAAAA) has poor porcine ${\beta}$-casein gene activity.
CRBP1 (cellular retinol binding protein 1) and CRBP3 (cellular retinol binding protein 3), are important components of the retinoid signaling pathway and take part in vitamin A absorption, transport and metabolism. Based on the role of vitamin A in chicken laying performance, we investigated the polymorphism of CRBP1 and CRBP3 genes in 349 chickens using single strand conformation polymorphism and DNA sequencing methods. Only one polymorphism was identified in the third intron of CRBP1, two polymorphisms were detected in CRBP3; they were located in the second intron and the third intron respectively. The association studies between these three SNPs and laying performance traits were performed in Erlang mountainous chicken. Notably, the SNP g.14604G>T of CRBP1 was shown to be significantly associated with body weight at first egg (BWFE), age at first egg (AFE), weight at first egg (WFE) and total number of eggs with 300 age (EN). The CRBP3 polymorphism g.934C>G was associated with AFE, and the g.1324A>G was associated with AFE and BWFE, but none of these polymorphisms were associated with egg quality traits. Haplotype combinations constructed on these two SNPs of CRBP3 gene were associated with BWFE and AFE. In particular, diplotype H2H2 had positive effect on AFE, BWFE, EN, and average egg-laying interval. We herein describe for the first time basic research on the polymorphism of chicken CRBP1 and CRBP3 genes that is predictive of genetic potential for laying performance in chicken.
OsMADS1 is a rice MADS box gene necessary for floral development. To identify the key cis-regulatory regions for its expression, we utilized transgenic rice plants expressing GUS fusion constructs. Histochemical analysis revealed that the 5.7-kb OsMADS1 intragenic sequences, encompassing exon 1, intron 1, and a part of exon 2, together with the 1.9-kb 5' upstream promoter region, are required for the GUS expression pattern that coincides with flower-preferential expression of OsMADS1. In contrast, the 5' upstream promoter sequence lacking this intragenic region caused ectopic expression of the reporter gene in both vegetative and reproductive tissues. Notably, incorporation of the intragenic region into the CaMV35S promoter directed the GUS expression pattern similar to that of the endogenous spatial expression of OsMADS1 in flowers. In addition, our transient gene expression assay revealed that the large first intron following the CaMV35S minimal promoter enhances flower-preferential expression of GUS. These results suggest that the OsMADS1 intragenic sequence, largely intron 1, contains a key regulatory region(s) essential for expression.
Elevated expression of carcinoembryonic antigen (CEA) has been implicated in various biological aspects of neoplasia such as tumor cell adhesion, metastasis, blocking of cellular immune mechanisms, and antiapoptosis function. Thus, the CEA could be an important target for anticancer therapy. In this study, we developed Tetrahymena group 1 intron-based trans-splicing ribozymes that can specifically target and replace CEA RNA. To this end, we first determined which regions of the CEA RNA were accessible to ribozymes by employing an RNA mapping strategy that was based on a trans-splicing ribozyme library. Next, we assessed the ribozyme activities by comparing the trans-splicing activities of several ribozymes that targeted different regions of the CEA RNA, and then the ribozyme that could target the most accessible site was observed to be the most active with high fidelity in vitro. Moreover, the specific trans-splicing ribozyme was found to react with and altered the target CEA transcripts in mammalian cells with high fidelity. These results suggest that the Tetrahymena ribozyme can be utilized to replace CEA RNAs in tumors with a new RNA-harboring anticancer activity, thereby hopefully reverting the malignant phenotype.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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