真核生物细胞的分化、发育以及对环境变化的响应等基本生物学过程决定于时空特异性的精确的基因表达,基因转录是基因表达的第一步,也是最有效的调控环节。因而,基因转录调控信息的发现和调控关系的获得对认识生物体发育和病变等各种生物过程的分子机理十分重要,转录调控网络的结构、逻辑和动力学规律将是描述生物过程的基础性内容。过去十多年中全基因组序列数据的积累和高通量实验技术的发展已经为人类揭示转录调控信息及其组织结构和功能提供了大量数据。对于高等的哺乳动物和植物,虽然迄今已有不少工作对一些局部生物体系或特定过程进行基因调控网络研究,但其结果的可靠性在很大程度上还取决于是否能够获得充足的数据和识别调控信息的准确度。至于如何完整、准确地获得一种反映某生物体全局性基因转录调控关系网络仍然是当前系统生物学领域的一个重大挑战,也是当前国际相关领域的一个新的研究热点。本文以揭示真核基因转录调控关系为目的,围绕转录调控元件的识别,在系统研究转录调控元件在基因组序列非编码区富集性质和建立统计模型的基础上,发展了一个新的转录调控元件预测方法,在提高稳定性和对噪音数据的适应性方面进行改进,为构建局部转录调控网络提供方便、普适的数据分析软件工具;同时,基于全基因组范围保守性转录因子结合位点搜索,构建了人基因组全局基因转录调控网络并对网络特性进行了初步探索,为各种规模的转录调控网络研究分析提供了基础的参考平台。具体包括以下三个研究内容：1.转录调控元件在启动子区域的富集性分布是其最重要的特性之一,也是许多预测算法中使用的基本原理,本文第二章中,通过研究转录调控元件在基因组各不同区域以及各类不同大小基因组中的分布规律,基于调控元件在特定基因组区域出现频率与全基因组或外显子区域出现频率的统计比较,建立了合理的表述元件富集性的数学模型和富集度评估指标。应用该模型对酵母、果蝇基因组进行了分析,发现多数已知的转录调控元件在酵母Saccharomyces cerevisiae基因组的基因间区富集,特别是,在酵母基因组中,调控元件在基因上游600bp的区域显著富集；而在较为复杂的果蝇基因组中,大约70%的已知转录调控元件在基因间区和内含子区域中的分布仅相对于外显子区富集。这些结果表明了富集度作为调控元件评估指标的实用性。2.针对目前调控元件预测算法对直系同源数据要求偏高、影响实用性的问题,本文第三章中提出了一个改进的调控元件保守性计算模型,并结合上述转录调控元件富集度模型,开发了一个新的整合富集性和进化保守性的、不依赖进化树的转录调控元件notif预测方法。利用人工模拟进化关系序列对新方法的测试表明,该方法在不同进化距离情况下都具有较好的特异性;使用本方法对实际生物数据7组拟南芥共表达基因的分析结果显示,本方法比其它同类方法具有更好的motif识别能力；进一步对直系同源序列噪音数据的测试表明,本方法的性能受杂序列的影响最小。总之,与已有6个被广泛使用的算法相比,本方法在保证预测灵敏度和特异性的条件下,明显提高了对直系同源数据噪音的稳定性,且在使用中不需要输入进化树信息,从而提高了对不同质量的实际数据的适应能力,为各种实际应用情形下的局部基因调控网络构建提供实用的计算工具。3.全基因组尺度上的大规模基因转录调控网络依然是当前系统生物学研究中的一个重大挑战,本文第四章基于功能性的转录调控关系具有保守性的假说,利用转录调控元件的保守性和microRNA结合位点的保守性,通过在人基因组启动子序列保守区域搜索已知转录调控元件motif的匹配,建立了转录因子与靶基因之间的调控关系;并基于microRNA在其靶基因3’UTR上结合位点的保守性和序列互补性,借助多种预测工具获得了microRNA与其靶基因的作用关系,从而初步建立了基因组尺度上的全局人基因转录调控网络。进一步利用组织的基因表达谱数据和microRNA表达谱数据推断出肾、肝、脾和心脏等6个组织的基因转录调控网络,首次尝试了对组织水平的各转录调控网络和基因组全局网络特性的比较分析。为了解基因组范围全局基因转录调控网络和各组织转录调控网络的拓扑结构和网络特性奠定了初步基础,为表达谱数据分析诠释提供一个完整、详细的参考网络。