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.
At the post-transcriptional and translational levels, microRNA (miRNA) represses protein-coding genes via seed pairing to the 3' untranslated regions (UTRs) of mRNA. Although working models of miRNA-mediated gene silencing are successfully established using miRNA transfections and knockouts, the regulatory interaction between miRNA and long non-coding RNA (lncRNA) remain unknown. In particular, how the mRNA-resembling lncRNAs with 5' cap, 3' poly(A)-tail, or coding features, are regulated by miRNA is yet to be examined. We therefore investigated the functional interaction between miRNAs and lncRNAs with/without those features, in miRNA-transfected early zebrafish embryos. We observed that the greatest determinants of the miRNA-mediated silencing of lncRNAs were the 5' cap and 3' poly(A)-tails in lncRNAs, at both the post-transcriptional and translational levels. The lncRNAs confirmed to contain 5' cap, 3' poly(A)-tail, and the canonical miRNA target sites, were observed to be repressed in the level of both RNA and ribosome-protected fragment, while those with the miRNA target sites and without 5' cap and 3' poly(A)-tail, were not robustly repressed by miRNA introduction, thus suggesting a role as a miRNA-decoy.
Sohn, Seong-Han;Choi, Min-Sue;Kim, Kook-Hyung;Lomonossoff, George
Plant Biotechnology Reports
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제5권3호
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pp.273-281
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2011
Diverse epigenetic phenotypes are frequently found during research on transgenic plants. To understand the factors underlying such diversity, hundreds of independent 35S-GFP transgenic N. benthamiana plants were analyzed. The diverse GFP-expression phenotypes of the transgenic plants were classified into three major types based on the GFP expression patterns and their response to 35S-GFP agroinfiltration: steady-green, silenced and non-uniform phenotype. The non-uniform phenotype was further sub-divided into five minor phenotypes: variegated, red-dropped, on-silencing, partitioned and misty, according to the distribution of GFP expression on the leaves. Many of transgenic plants continuously generated diverse phenotypes over several generations despite the transgene identity. Such epigenetic GFP phenotyping was found to be the result of spontaneous transgene silencing mediated by either or both of post-transcriptional gene silencing (PTGS) and transcriptional gene silencing (TGS). This finding was verified by the detection of 21- and 24-nt small interfering RNA (siRNA) molecules, and DNA methylation in the transgenic plants that showed repeated epigenetic variation. Agroinfiltration demonstrated that irregular distribution of GFP on a leaf was the result of erratic transgene silencing, and the technique also proved to be a rapid and effective method for selecting fully silenced plants within 3 days. Furthermore, two novel phenotypes described are potential materials for in-depth investigations into the genes and mechanisms responsible for spontaneous transgene silencing.
RNA interference (RNAi), a process of sequence-specific gene suppression, has been known as a natural gene regulatory mechanism in a wide range of lower organisms. Recently, we have reported that a transfection of human U6 promoter (hU6) driven hairpin small-interference RNA (siRNA) plasmid specifically knocks down the target gene by post-transcriptional gene silencing in mammalian cells. Here we report that transfection of polymerase chain reaction (PCR) products, containing human U6 promoter with hairpin siRNA, knocks down the target gene expression in human teratocarcinoma NT-2/D1 cells. Moreover, we showed 3' end termination sequence, 5 Ts, is not critical elements for knocking down in PCR-based siRNA system. Therefore, the PCR-based siRNA system is a promising tool not only for the screening but also to temporally regulate gene expression in the human progenitor cells.
The transient and rapid expression system of a foreign protein in planta is a very useful technique in biotechnology application. We have investigated optimum condition of Agrobacterium-infiltration technique in which expression level of foreign proteins were maximized without detrimental effects on plants using GFP and Cucumber mosaic virus 2b protein, which is known as an enhancer of gene expression and a suppressor of post-transcriptional gene silencing(PTGS). The optimum expression level of both RNA and protein of GFP with minimum leaf impairment was obtained at $OD_{600}$=0.2 of Agrobactrium inocula. The steady-state levels of GFP RNA and protein generally peaked at 3 and 7 days post-infiltration(dpi), respectively. In the presence of 2b, both the magnitude and duration of GFP expression was highly increased and we could detect GFP level until 17 dpi. On the other hands, the 2b-mediated higher accumulation of foreign proteins resulted in the repression of normal leaf growth, possibly due to the limitation of supply of energy or materials required for growth maintenance. Using this Agrobacterium-infiltration system with 2b and GFP, we tested a hypothesis for the threshold model of PTGS initiation. Four GFP transgenic lines of N. benthamiana, which shows different expression level of GFP were tested to determine the threshold level for PTGS initiation. Agrobacterium-infiltration of GFP into those GFP-transgenic plants resulted in the co-silencing of the transgenic GFP. It was found that very low concentration of Agrobacterium with GFP and GFP+2b($OD_{600}$=0.002-0.02) which could not phenotypically induce an additive GFP expression, was enough to trigger PTGS pathway in all GFP transgenic plants. This strongly indicates that each GFP-transgenic plant should be expressing the transgenic GFP at its own pre-determined level and there was no buffer zone of additive GFP-expression to the threshold. In other words, the PTGS seems to be immediately activated as a self-defensive mechanism if an internal balance of gene expression is broken.
RNA interference (RNAi) is the phenomenon of gene silencing by double-stranded RNA (dsRNA) at transcriptional and post-transcriptional levels in a sequence-specific manner. Reverse genetic approaches using RNA interference (RNAi) have become a major tool for biological researches since its discovery in the nematode Caenorhabditis elegans. In this review, we overview how the RNAi phenomenon was discovered and how the underlying mechanism has been elucidated. We also describe and discuss how RNAi experiments can be performed and how RNAi can be used for genetic studies.
오이모자이크바이러스 2b 유전자는 전사후유전자침묵(PTGS)을 억제하는 기능을 가진 억제인자이다. 식물체내 2b 유전자 기능을 분석하기 위해 Nicotiana benthamiana에 형질전환하였고 형태변화와 유전자 발현변화를 분석하였다. 8계통의 2b 유전자 형질전환체 중에서 1개의 유전자가 T0 개체에 삽입된 계통은 3개였다. 2b 유전자 형질전환체는 일반적으로 종자 확보가 어려웠지만 다행히 일부 배수화되지 않은 계통(hemizygote)에서는 소량의 종자가 확보되어 계통유지가 가능하였다. 고정계통의 전사체를 해독하여 대조와 비교분석한 바, 2b 유전 자는 특정유전자의 발현을 선택적으로 증대시키는 것이 아닌 다수의 유전자를 비선택적으로 발현을 증대시키는 것으로 판단되었다. 이러한 결과는 2b 유전자가 세포질에 존재하는 다양한 RNA의 대사중 분해를 억제하여 세포질내 RNA가 축적되고 이로 인해 단백질 합성도 증대되어 정상적 생장발달이 저해되고 기형적인 형태의 식물체가 되는 요인으로 판단된다.
MicroRNAs are non-coding short (~23 nucleotides) RNAs that mediate post-transcriptional regulation through sequence-specific gene silencing. The role of miRNAs in neuronal development, synapse formation and synaptic plasticity has been highlighted. However, the role of neuronal activity on miRNA regulation has been less focused. Neuronal activity-dependent regulation of miRNA may finetune gene expression in response to synaptic plasticity and memory formation. Here, we provide an overview of miRNA regulation by neuronal activity including high-throughput screening studies. We also discuss the possible molecular mechanisms of activity-dependent induction and turnover of miRNAs.
Many important horticultural and field crops are susceptible to virus infections or may possess a degree of resistance to some viruses, but become infected by others. Plant viruses enter cells through the presence of wounds, and replicate intracellularly small genomes that encode genes required for replication, cell-to-cell movement and encapsidation. There are numerous evidences from specific virus-host interactions to require the involvement of host factors and steps during viral replication cycle. However, viruses should deal with host defense responses either by general or specific mechanisms, targeting viral components or genome itself. On the other hand, the host plants have also adapted to defend themselves against viral attack by operating different lines of resistance responses. The defense-related interactions provide new insights into the complex molecular strategies for hosts for defense and counter-defense employed by viruses.
Transformation of cantaloupes with the coat protein (cp) gene of papaya ringspot virus type W (PRSV-W), Thai isolate, was used to introduce virus resistance. Binary vectors containing either the full length coat protein coding region under control of the 35S CaMV promoter(pSA1175), or the inverted-repeat of a coat protein coding region (pSA1304), were constructed and used for Agrobacteriummediated transformation of cotyledonary explants of the cantaloupe cultivar Sun Lady. Four independent transgenic lines were obtained using pSA1304 and one using pSA1175. Integration of the PRSV-W cp gene into the genome of these transgenic lines was verified by PCR amplification, GUS assays and Southern blot hybridization. In vitro inoculation of these lines with PRSV-W revealed that whereas the line containing pSA1175 remained sensitive, the four lines containing pSA1304 were resistant. The presence of small RNA species, presumably siRNA, corresponding to regions of the viral cp gene in transgenic lines resistant to PRSV-W supports the involvement of post-transcriptional gene silencing in the establishment of resistance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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