全 文 ：·技术与方法·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2014年第10期
诸多生物学功能的实现取决于基因在时间和
空间上的特异性表达。真核生物的基因表达调控是
一个极其复杂的过程，需要一系列转录调控因子
和 DNA 序列精确地相互作用。参与基因转录调控
的 DNA 序列称之为转录调控元件（Transcriptional
regulatory elements，TREs），主要包括启动子、增强
子、绝缘子等。据估算，哺乳动物基因组中约有 5%
的 DNA 序列含有编码信息，但仅有 1.5% 的序列能
够编码蛋白质［1］。最近的研究表明，许多疾病的发
生与转录调控元件的突变相关，因此，这些非编码
转录调控元件的筛选及功能探索对基因表达调控机
制和生物学功能研究具有重要意义［2］。
如何对基因组中的 TRE 进行准确预测，将是研
收稿日期 ：2013-12-26
基金项目 ：福建省教育厅科技项目（JA12434），泉州市科技计划项目（2012Z71）
作者简介 ：李文茂，男，硕士研究生，研究方向 ：肺癌靶向基因治疗 ；E-mail ：liwenmao@aliyun.com
通讯作者 ：许嵘，男，博士研究生，讲师，研究方向 ：基因治疗 ；E-mail ：xurong197886@sina.com
基因组转录调控元件分析方法研究进展
李文茂1  贾东方1  许嵘1，2
（1. 华侨大学生物医学学院，泉州 362021 ；2. 泉州医学高等专科学校，泉州 362100）
摘 要 ： 真核生物的基因表达是一个非常复杂的过程，需要多种转录调控元件的协同作用精确调控。全基因组转录调控元
件的筛选和鉴定对于基因表达调控机制和生物学功能研究具有重要意义。但转录调控元件的高效筛选及功能验证仍是研究人员面
临的主要挑战。结合近年来转录调控元件的研究成果，对基因组中转录调控元件的预测、筛选及功能验证方法做一综述。
关键词 ： 转录调控元件 高通量筛选 标志物
Research Advance in Genome-wide Identification of Transcription
Regulatory Elements
Li Wenmao1 Jia Dongfang1 Xu Rong1，2
（1. School of Biomedical Sciences，Huaqiao University，Quanzhou 362021 ；2. Quanzhou Medical College，Quanzhou 362100）
Abstract: Expression of eukaryotic genes is a complex process, achieved through the coordinated action of transcription regulatory
elements. The screening and identification of transcriptional regulatory elements in genome scale have crucial significance for understanding the
mechanism and biological function of gene expression regulation. However, the effectively screening and function verification is still the major
challenges for researchers. Herein, based on the latest research findings, we reviewed the methods of prediction, screening, function analysis of
transcription regulatory elements in genome.
Key words: Transcriptional regulatory element High throughput screening Biomark
究人员面临的一个重大挑战。与固定于基因 5 端的
启动子不同，一些调控元件在基因组中位置不固定，
如增强子，可以通过远程相互作用与远端启动子相
互作用，调控基因表达。对于转录调控元件的筛选，
传统的方法是通过比较基因组学寻找物种间同源非
编码 DNA 保守序列。近几年，随着基因芯片技术和
高通量测序技术的发展，通过检测转录调控元件的
相关表观修饰物，可以准确、快捷的对 TRE 进行分
析和定位。本研究对近几年 TRE 元件的表观标志物
研究及筛选方法进行分析、比较、探索，旨在为相
关研究提供参考以及思路。
1 转录调控元件指示性表观修饰物
在基因转录调控过程中，除了转录调控元件及
2014年第10期 65李文茂等：基因组转录调控元件分析方法研究进展
转录调控因子外，还存在许多表观修饰信息影响基
因表达调控。这些表观调控信息主要包括 ：组蛋白
修饰、染色质重塑和核小体变形等。组蛋白修饰是
其中表观遗传调控最重要的内容。在染色质中组蛋
白 N 末端容易受到修饰酶的甲基化、乙酰化等共价
修饰。这种组蛋白修饰往往对基因的表达具有很大
影响［3］。不同的 TRE 元件具有不同的组蛋白修饰模
式，且多种组蛋白形成修饰组合协同影响基因的表
达。不同的转录调控元件具有不同的表观修饰标志
物，根据这些标志物可以对相关调控元件在基因组
中的位点进行预测和定位（表 1）。
表 1 TRE 相关指示标志物
转录调控元件 指示标志物
活跃型启动子 DNase I、H2A.Z、H3K4me3、Pol II、H3K9me1
沉默型启动子 H3K4me3、H3K27me3、H3K9me2、H3K9me3
绝缘子 DNase I、H2A.Z、CTCF
强增强子 P300、H3K4me1、H3K4me2、H3K27ac、H3K9ac、
DNase I、H2A.Z
弱增强子 p300、H3K4me1、DNase I、H2A.Z
沉默型增强子 p300、H3K4me1、H3K27me3、H3K9me3
1.1 启动子
研究显示组蛋白 3 赖氨酸 4 三甲基化（H3K4-
me3）主要分布于启动子转录起始位点（Transcription
strartsite，TSS）周围，同时在增强子区域也存在［4］。
在对胚胎干细胞（Embryonicstem cell，ES）和分化
细胞的染色质 H3K4me3 修饰研究时发现，H3K4me3
广泛存在于所有类型的启动子中，与启动子元件存
在线性相关性［5，6］。此外，除 H3K4me3 修饰外，启
动子元件还存在一些其他表观特征，包括组蛋白乙
酰化、H3.3 组蛋白变体、DNase I 超敏性（DNase I
hypersensitivity）及 Pol II（RNA-polymerase II）聚合
酶结合位点等［7-10］。
不同活性的启动子元件，其表观修饰特征也
存在一定的差异。一些处于抑制状态的启动子元件
也具有独特的染色质修饰特征，如组蛋白 3 赖氨酸
27（H3K27） 甲 基 化、 组 蛋 白 3 赖 氨 酸 9（H3K9）
甲基化等。H3K27 三甲基化（H3K27me3）是一种
多 梳 蛋 白 抑 制 物，H3K27me3 在 沉 默 型 启 动 子 中
分布水平要比在活跃启动子高得多［11-14］。但研究
显示，H3K27me1 主要分别在活跃型启动子中［14］。
H3K9 的甲基化主要参与异染色质的形成和基因表
达沉默［15］。研究表明，H3K9 双甲基化和三甲基化
（H3K9me2 和 H3K9me3）主要分布在沉默型启动子
的 TSS 周围，而单甲基化（H3K9me1）却分布于活
跃型启动子 TSS 的周围［14］。
1.2 绝缘子元件
绝缘子是基因组中阻止增强子活性和异染色质
延伸的一种 DNA 元件。在哺乳动物中，转录抑制
因子 CTCF 一种广泛存在于脊椎动物中的锌指蛋白，
对绝缘子功能发挥的关键调控因子，且在染色质环
状结构的形成和稳定方面具有重要作用［16］。在不同
的细胞系中，CTCF（CCCTC-binding factor）结合位
点具有相同的序列，因此 CTCF 具有广泛性，可用
于绝缘子元件的筛选［14，17］。
1.3 增强子元件
1.3.1 P300 P300 是一种乙酰转移酶，它与某些特
异性转录因子，如 CREB 结合，可以使组蛋白发生
乙酰化进而激活基因的转录［18］。Heintzman 等［19］
利用 ChIP-chip 方法对人基因组中 30 Mb 区域进行组
蛋白修饰等相关研究时发现，P300 结合位点的分布
情况与增强子在基因组中的分布模式相吻合，且大
部分 P300 结合位点与 DNase I 位点和基因序列保守
区域相重叠。这些证据表明 P300 和增强子功能之间
可能存在着相关性。Visel 等［20］运用 ChIP-seq 技术
在小鼠胚胎组织中进行 P300 结合位点的进一步筛
选，将克隆的 DNA 片段进行转基因小鼠试验，证实
P300 结合位点可精确的鉴定出增强子片段。相比于
比较基因组学方法，P300 结合位点可以明显提高增
强子预测的精确度，且可以预测出序列保守性较弱
的增强子元件［20，21］。因此，P300 是一种有效预测
增强子的标志物。
1.3.2 组蛋白修饰和增强子的分类 早期对增强
子的组蛋白修饰物主要集中在组蛋白 3 赖氨酸 4
单甲基化修饰（H3K4me1）上。基因组范围内的
H3K4me1 分布模式研究发现，H3K4me1 的分布具
有高度的细胞特异性，且主要分布于增强子元件
区域，可用于增强子元件预测［19，22，23］。但研究显
示，单独的 H3K4me1 修饰并不能有效预测所有增
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第10期66
强子元件，一些 H3K4me1 片段在报告基因验证中
并不具有增强子活性［22］。在对鼠的胚胎干细胞及
其他几种分化细胞的全基因组分析发现，另一种组
蛋白修饰 H3K27 乙酰化（H3K27）与增强子功能元
件存在很大相关性［24］。Rada 等［25］研究发现，在
人胚胎干细胞中也发现了这种相关性。相比没有发
生 H3K27ac 修饰的增强子，H3K4me1 ＋和 H3K27ac+
增 强 子 片 段 显 然 具 有 更 强 的 基 因 表 达 调 控 活
性［24，25］。 在 令 H3K27ac-状 态 的 增 强 子 获 得
H3K27ac 修 饰 后 则 显 著 增 强 调 控 基 因 的 表 达 活
性，而增强子元件去 H3K27ac 修饰或 H3K4me1 和
H3K27ac 双修饰后，基因表达活性显著下降。因
此，H3K27ac 修饰对增强子元件功能具有重要影响。
Rada 等［25］将 H3K4me1 ＋、H3K27ac ＋型增强子归类
为活跃型增强子元件，认为这类元件与细胞特异性
调控功能相关。而 H3K4me1 ＋、H3K27ac-型增强子
可能与细胞分化功能相关，在分化的某个过程中处
于静止状态等待激活［25］。
此外，在进一步对增强子相关组蛋白标志物
研究时发现，一部分沉默型增强子还含有一种甲
基 化 抑 制 物（H3K27 me3 或 H3K9me3）。Zentner
等［26］ 根 据 H3K4me1、H3K27ac、H3K27me3 修 饰
及相关基因表达活性，将增强子元件分为 3 类 ：（1）
H3K4me1+、H3K27ac+ 活跃型增强子，参与细胞特
异 性 表 达 调 控 ；（2）H3K4me1+、H3K27ac-活 性 较
弱型增强子，它参与非特异性细胞功能调控 ；（3）
H3K4me1+、H3K27me3+（H3K9me3+）沉默型增强子，
该型增强子在发育过程中起作用。
Ernst 等［27］ 还对增强子相关组蛋白标志物进
行了进一步的研究，他们对 9 种细胞全基因组范
围进行 9 种组蛋白修饰物的高通量定位分析发现，
活跃型增强子分为两类 ：一部分增强子含有明显
的 H3K4me1、H3K4me2、H3K4me3、H3K27ac 和
H3K9ac 修饰。另一部分则 H3K4me1 和 H3K27ac 信
号很强，但是 H3K4me2 和 H3K9ac 修饰相对较弱。
而对于较弱型和沉默型增强子，H3K4me1 的修饰水
平较弱。同时，该研究也表明，活跃型增强子与细
胞特异性功能调控相关。
以 H3K4me1 和 p300 作为单一标志物并不能判
断增强子的表达活性，因此对增强子进行类型划分
非常有必要。通过组蛋白修饰模式，将增强子进行
分类，有助于对增强子类型以及增强子活性的预测
和筛选。Ernst 等［27］的研究发现 H3K27me3+ 沉默型
增强子比其他增强子序列上更保守，这也可能解释
了为什么大部分高度保守的序列在报告基因检测中
没有活性。
1.4 转录调控元件的染色质核小体变体特征
真核生物核小体由核心组蛋白八聚体和缠绕的
DNA 及组蛋白 H1 组成。含有 H3 变体 H3.3 和 H2A
变体 H2A.Z 的核小体很不稳定，容易在中性盐环境
中被破坏。通过这些变体可以改变染色质的空间构
象和稳定性，影响基因的转录。染色质中基因转录
调控区域普遍认为是一段核小体退化的区域，主要
分布在在启动子、增强子、绝缘子等区域［14，25］。
2 转录调控元件筛选方法
2.1 比较基因组学序列保守性分析
比较基因组学方法主要基于这样的理论 ：基因
组中许多功能序列由于净化选择保存下来，而非功
能性片段突变对机体的健康的影响微不足道，使得
这种突变可以漂移累积。随着物种间进化发生，发
挥重要功能的 DNA 片段比非功能性片段具有很低的
突变率而有序列保守性［28］。因此，同源基因间的序
列保守性与序列的功能性之间存在一定的线性相关
性［29］。通过算法分析出一定进化距离的物种间同源
基因的序列保守性，可用于转录调控元件在基因组
中分布的预测及定位。已有多种基因组浏览器和软
件用于物种间保守非编码序列筛选，如表 2。
此外，多个研究组已成功应用这种方法筛选到
多种转录调控元件［30-33］。
表 2 常用保守非编码序列预测软件
软件 地址
BLASTZ http ：//bio.cse.psu.edu
rVISTA http ：//nemo.lbl.gov/rvista/index.html
ECR browser http ：//nemo.lbl.gov/ecrBrowser
Ensembl. http ：//www.ensembl.org
UCSC http ：//genome.ucsc.edu
Pipmaker http ：//bio.cse.psu.edu/pipmaker
比较基因组学借助计算机进行算法分析，然后
对调控元件进行活性筛选，易于进行。且随着多个
2014年第10期 67李文茂等：基因组转录调控元件分析方法研究进展
物种基因组测序项目的完成，各物种的基因序列越
来越容易获取。因此比较基因组学日益成为调控元
件预测和筛选的重要方法。但由于算法等技术限制，
基于比较基因组学的方法并不能筛选出所有功能性
调控元件。很多功能性元件并没有呈现物种间序列
保守性［34，35］。根据 DNA 元件百科全书（Encyclopedia
of DNA elements，ENCODE）项目组公布的信息，现
已证实约 50% 的 TRE 序列没有显示序列保守性［36］。
此外，研究表明一些保守的非编码序列并没有生物
学功能［33，37］。因此，单独根据序列保守性筛选功能
性调控元件的成功率较低，并不是一种理想的方法，
但可作为功能性调控元件筛选的依据。
2.2 高通量筛选实验方法
2.2.1 DNase I 超敏性和 FAIRE DNase I 超敏性常
用于分析染色质中的相对开放性区域。转录调控因
子结合到 DNA 序列上需要形成相对开放的染色质构
象，使得这些位点对于 DNase I 的切割具有非常高
的敏感性。这些染色体开放区域常是一些 DNA 调控
元件位点，包括启动子、增强子、隔离子、绝缘子等。
利用 DNase I 超敏性结合基因芯片技术（DNase-chip）
或深度测序技术（DNase-Seq）可应用于全基因组转
录调控元件的筛选和鉴定［38-40］。与 DNaseI 超敏性
不 同，FAIRE（formaldehyde-assisted identification of
regulatory elements）方法则是利用甲醛对染色质进
行交联，通过超声波对染色质开放区域进行切割［41］。
虽然 DNase I 超敏性和 FAIRE 不能用于确定具体的
TRE 类型，但与其他方法相结合可以有效提高 TRE
的筛选效率。
2.2.2 染色质免疫共沉淀技术（Chromatin Immuno-
precipitation，ChIP） 染色质免疫共沉淀技术是在活
细胞状态下，通过甲醛交联蛋白质和 DNA，并将其
随机切割成小片段。通过某种转录因子的特异性抗
体富集与目的蛋白结合的 DNA 片段。传统的方法是
PCR 分析富集的 DNA 片段，该方法很难实现全基因
组范围的高通量研究。Ren 等［42］将 ChIP 技术和基
因芯片技术结合（ChIP-chip），实现全基因组范围转
录因子的定位和功能分析。近几年来高通量测序技
术的发展，结合 ChIP 技术发展的 ChIP-seq 技术被
广泛用于全基因组转录调控因子的研究。
基于 ChIP-chip/seq 等高通量方法可以全基因
组范围定位转录调控因子的结合位点，因此被广泛
应用于转录调控元件的高通量筛选。如通过 ChIP-
seq 技术绘制全基因组转录因子 CTCF 结合位点，用
于筛选绝缘子元件［17］。但 ChIP 技术需要针对每种
转录因子的特异性抗体，理论上若在基因组范围内
筛选所有的 TRE 元件需要制备针对每种转录因子
的抗体，这是几乎不可能完成的。但是应用 ChIP-
chip/seq 检 测 一 些 TRE 标 志 性 表 观 标 志 物， 可 以
为这一问题的解决提供光明前景。可以依据 ChIP-
chip/seq 技术检测的相关表观标志物在基因组中的分
布对 TRE 元件进行分析及预测。
3 转录调控元件的功能验证
DNA 片段的转录调控活性一般是通过报告基因
瞬时转染的方法进行验证。将预测的 TRE 序列插入
到荧光素酶报告基因质粒中，瞬时转染到细胞中，
通过检测荧光素酶报告基因的发光强度，对 TRE 元
件的活性进行对比分析 ；对于启动子活性的检测，
是将预测的 TRE 元件置于报告基因的上游 ；而增强
子活性则是在活性较弱的启动子元件下进行验证，
绝缘子元件需要置于增强子和启动子元件之间进行
验证。通过报告基因瞬时转染法可以高通量筛选分
析 TRE 元件［43-45］，但这种方法也存在一些缺陷。
例如，瞬时转染的质粒不能整合到基因组中，因此
DNA 片段不能正确呈现出染色质的构象，可能会出
现异常表达。其次用于体外培养的细胞不能真实模
拟体内环境。
动物模型转基因分析方法可以克服这些缺点，
该方法可以通过显微操作将质粒随机整合到受精卵
基因组中，通过报告基因在胚胎的表达模式可以检
测插入 DNA 片段的组织特异性和活性。目前已有多
种模式动物中应用于转基因分析筛 TRE 元件［46-48］，
Pennacchio 等［49］更是通过转基因小鼠分析对人基因
组中保守非编码序列进行高通量分析，筛选出 75 种
增强子序列。但是转基因分析对实验室条件要求严
苛，且实验成本相比瞬时转染要高，限制了该方法
的广泛应用。
4 结语
许多 TRE 在某种类型细胞或发育的某个阶段
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第10期68
处于沉默状态，在进一步的功能验证中无表达活
性。因此，需要有效的手段对相关调控元件基因组
中分布位置以及表达活性进行预测分析。比较基因
组学、DNaseI 超敏性、FAIRE 等方法不具有特异性，
不能对 TRE 的类型进行预测，且不能分析 TRE 元
件的活性状态。通过 ChIP-chip/seq 可以实现全基因
组范围筛选，并可对相关的 TRE 进一步细分。但目
前 ChIP-chip/seq 的分辨率较低，在基因组中分布范
围广，因此很难确定筛选序列的核心区域。但是通
过多种方法的综合分析及对比验证，将会大大提高
TRE 筛选的效率和成功率。
近年来，虽然相关表观修饰物的研究对 TRE 筛
选具有指导意义，但我们对染色质修饰机制及这些
修饰对基因的调控机制仍十分缺乏。同时还有许多
的新的表观修饰物去发现和归类。因此，随着筛选
技术的发展和相关机制的深入研究，基因调控元件
将进一步应用于基因治疗等领域的研究中。
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（责任编辑 狄艳红）
《生物医学工程与临床》是一本连接临床与生物医学工程的综合性刊物。是中国科技论文统计源期刊（中
国科技核心期刊），并已被美国《化学文摘》（Chem Abstract）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ of VINITI）、英国《国
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和新技术、新经验、新成果的推广。以生物医学工程高起点为目标，以突出临床医学为特色，内容涉及医疗
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