MicroRNA（miRNA）是一类小的(～22nt)非编码RNA，在转录后水平上通过结合在靶基因的mRNA序列上来负调节基因的表达。MicroRNA于20世纪末被发现，近十年来一直是生命科学领域的研究热点。现有的研究揭示miRNA几乎参与所有重要的生物过程，比如发育，分化，凋亡，细胞增殖和致癌发生。其作用方式具有多靶点的特性，且在不同组织中呈现出显著的表达差异，这表明miRNA在构成基因调控网络的复杂性以及形成网络的组织特异性方面具有重要地位。本文对此问题进行了系统研究，通过开发新的计算方法，预测并分析了miRNA转录起始位点(TSS)在不同细胞系中的特异性，从而深入认识miRNA的转录调控特性;基于本文确定的miRNA TSS数据，我们进一步在各种细胞系中预测得到较为可靠的转录因子(TF)对miRNA的调控关系;同时也对另一类长非编码RNA（lncRNA）进行了调控关系预测;利用迄今所知的大量miRNA和编码基因的信息数据，我们对多种组织中的基因表达谱、转录调控和转录后调控的关系进行整合，构建出完整的组织特异的基因调控网络。通过分析基因调控网络，本文试图从系统层面上认识miRNA在调控网络中的功能、作用模式以及在形成组织特异性网络中的作用。　　本研究具体分为三部分:　　1.细胞特异的miRNA转录起始位点(TSS)的识别。　　一般的，miRNA基因首先在细胞核里被RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ转录成miRNA初级转录本(pri-miRNAs)。然后RNaseⅢ型酶Drosha会将pri-miRNA加工成miRNA前体(pre-miRNA)，接着pre-miRNA会被转运到细胞质中并在Dicer的帮助下变成miRNA成熟体。MiRNA的转录过程与蛋白质编码基因基本一样，但是pri-miRNA在转录后会很快失去5帽的保护。因此，miRNA基因的全长转录本非常难以捕获，从而难以精确定位miRNA的转录起始位点(TSS)。　　我们设计了一个算法流程来预测miRNA的转录起始位点(TSS)，该流程整合了组蛋白H3K4三甲基化修饰(H3K4me3)和DNaseⅠ超敏感位点(DHSs)的数据，并结合了物种保守信息和序列特征。在每个细胞系中，距每个pre-miRNA最近的H3K4me3区域被认为可能包含了miRNA的TSS。该流程对来源于ENCODE项目的54个细胞系进行分析，成功预测了610个基因内的(intragenic)miRNA的TSSs和765个基因间区的(intergenic)miRNA的TSSs。在这些细胞系中，我们一共找到了2468个intragenic miRNAs的可变TSSs和4748个intergenic miRNAs的可变TSSs。以文献中的实验数据作对照，我们的方法显示出比其他方法更好的性能。值得注意的是，在预测的miRNA TSS位点处，细胞核内的CAGE信号要明显高于细胞质内的CAGE信号，这一现象支持了现有的miRNA产生的模型。对miRNA TSS细胞特异性的研究表明，对于在多个细胞系中具有活化TSS的miRNAs，intergenic miRNAs比intragenic miRNAs倾向于使用更多的可变TSS。因此，当intergenic miRNA的表达不具有细胞特异性时，依然可以通过特异的启动子被调控。　　本章的研究结果可以促进对miRNA组织特异性表达的理解，并且可以作为在不同细胞系中构建精确调控网络的基础。　　2.非编码RNA相关调控关系的预测。　　除了miRNA以外，另一类长度大于200bp的非编码RNA(lncRNA)被越来越多的发现。据报道，四分之三的人类基因组可以被适当地转录，除了已知的2万多个蛋白质编码RNA，大约占人类基因组的2％，其它转录本都是非编码RNA。这些基因组上的非编码部分，在正常的发育和生理过程中，以及疾病过程中都可能具有重要的功能。　　本部分中，我们预测了包括miRNA和lncRNA的非编码RNA的调控关系。首先，我们整合了不同预测工具和实验数据中的结果，得到了较可靠的miRNA对其靶基因的调控关系。其次，基于上一部分中预测的miRNA TSS，我们根据miRNA启动子上保守性的分布，系统地预测了TF-miRNA的调控关系。特别地，我们利用细胞特异的miRNA启动子数据研究了两个心脏细胞系，发现了一些心脏特异的miRNA启动子。在hsa-mir-21的心脏特异的启动子上我们找到了调控它的上游TF，通过对这些TF的功能富集，我们发现富集的功能与已报道的hsa-mir-21在心脏中的功能一致。最后，我们比较了不同类型lncRNA和miRNA的启动子的保守性，发现尽管lncRNA启动子的保守性程度明显低于miRNA，但是大多数类型的lncRNA启动子在TSS附近具有和miRNA相似的峰形。因此，我们用相似的方法预测了TF-lncRNA的调控关系，以助于揭示lncRNA参与的基因调控机理。　　3.组织特异的基因调控网络的分析。　　人类细胞在形态上和功能上都呈现丰富的多样性，不同细胞的各自独特的调控关系导致了多样的基因表达谱，进而导致不同细胞类型之间的巨大差异。我们构建了8个人类组织（脑，睾丸，卵巢，肝脏，脾脏，心脏，肾脏和前列腺）的调控网络，网络中包括TF，miRNA和非转录因子靶基因(non-TF)之间的调控关系。基于8个组织的基因调控网络，我们从三个水平上研究了它们的设计规则:节点的局部性质（比如度），网络模体(motif)和网络模体的整合。　　结果表明，组织网络中具有高入度和高出度的入中心节点和出中心节点。我们还发现，网络中的motif大多数是前馈回路，并且miRNA倾向于出现在组织特异的motif中。特别地，基于模体实例(motif instance)，我们发现了在不同组织中公有的领结型框架，它将研究的8个组织特异性的调控网络(TRN)分类为对称性网络，输入型网络和输出型网络。当研究不同细胞功能的特异性需求时，领结型框架可以作为今后理解调控系统结构的模型。将该工作中motif数据进行整理，我们还尝试构建了一个组织特异的网络motif数据库(TiMoD)，希望能为实验生物学、系统生物学等提供数据和相关信息。　　综上所述，本文以miRNA为主要研究对象，利用网络分析的方法从系统层面上研究miRNA在基因调控网络中的作用。首先，本文大规模预测了miRNA转录起始位点并系统研究了其细胞特异性规律，发现对于在多个细胞系中具有活化TSS的miRNA，intergenic miRNAs比intragenic miRNAs倾向于使用更多的可变TSSs。其次，通过整合不同的预测工具和本工作中预测的miRNA TSS，我们获得了较为可靠的miRNA相关的调控关系。最后，通过整合TF和miRNA相关的调控关系，本文构建了组织特异的基因调控网络。通过分析不同组织调控网络中motif的特点，本文发现miRNA倾向于出现在组织特异的motif中，并偏向性地占据了网络领结型结构的输入层，这表明miRNA对形成调控网络的组织特异性起重要作用。本文的研究结果将对miRNA的组织特异性，miRNA的转录调控过程，miRNA介导的基因调控网络及网络motif等方面的研究起到广泛且重要的作用。