生物生长发育过程中,基因表达受到时空特异的精准调控。基因组顺式调控元件是在转录水平参与基因调控的DNA序列,包括启动子、增强子、沉默子和隔离子等,它们分别通过起始、促进、抑制目标基因以及阻隔调控元件对目标基因的调控而影响基因的转录。调控元件的突变会造成基因表达的异常,进而导致生物体发生表型的改变,甚至导致疾病和死亡。因此,研究调控元件及对目标基因的调控,对于了解细胞增殖和分化、生物生长发育过程至关重要。沉默子作为一类重要的调控元件,通常不依赖位置和方向发挥抑制基因转录的功能。但是,目前人们对于它的功能和特征缺少认识,一方面是因为对沉默子的研究不足,另一方面则是现有研究往往是针对单个沉默子或者染色质开放区的基因组序列,限制了对沉默子更全面和系统的认识。为全面分析沉默子的特征和功能机制,本研究首先建立了全基因组沉默子的鉴定方法,通过将随机打断的基因组序列插入包含强启动子的报告载体中,鉴定插入序列的转录抑制活性。本论文利用此方法,在果蝇基因组鉴定沉默子,分析了沉默子在基因组上的分布。本研究发现果蝇的沉默子与已报道的增强子均不在外显子区富集,增强子主要富集在转录起始区,而沉默子则在转录起始区和转录终止区都富集。此外,沉默子的报告基因转录抑制活性与它们所处的基因组位置有一定的相关性,外显子区的沉默子活性最低,而启动子附近的沉默子活性较高。进一步的分析发现沉默子相邻基因表达水平较低。有趣的是,不同类型的基因对沉默子的响应不同,组织特异性基因比看家基因更易受到沉默子的抑制,且其表达水平与沉默子的数量和抑制活性呈正相关。此外,组织特异性基因拥有的沉默子比例更高,而看家基因中增强子的比例更高。其次,对沉默子表观遗传特征研究显示,沉默子缺乏特异的组蛋白修饰,但富集部分隔离子结合蛋白。分析结果还显示沉默子的活性与基因组上的染色质状态无关,而与其结合的转录因子相关。进一步的分析表明,调控元件、染色质状态、所结合的转录因子种类都可能与沉默子靶基因的转录调控有关。另外,本研究还发现当基因与临近沉默子分别位于不同的拓扑结构域时,基因的表达水平会明显高于与沉默子位于同一拓扑结构域的基因,这表明三维染色质结构限制了调控元件的功能范围,阻碍调控元件跨拓扑结构域发挥功能。再次,本研究同时从沉默子鉴定文库中鉴定出促进转录的增强子,部分新鉴定的增强子与已报道的增强子重叠,且新鉴定增强子的序列特征以及其表观遗传特征也与已报道的增强子相似。但是,新鉴定增强子的组蛋白修饰和转录因子的富集较弱,其在TAD边缘的富集程度也偏低。本研究还发现,新鉴定增强子的靶基因的表达水平低于已知增强子的靶基因,提示这些新鉴定的增强子在基因组上可能处于被抑制的状态。最后,本研究基于自转录水平检测实验的数据特征,结合测序读段数差异和曲线相似性开发了高效的沉默子识别软件Fast-NR。相比其他潜在或已报道的沉默子识别软件,Fast-NR在模拟数据以及实验数据中都拥有着更好的表现力,且其拥有的曲线相似性分析可以提高识别沉默子的能力。Fast-NR在果蝇沉默子鉴定文库中的应用提示这一软件可以提供强健的识别沉默子的计算方法。综上所述,本论文首先在果蝇全基因组范围内完成了功能性沉默子的鉴定,避免因为仅分析部分序列而可能带来的特征分析偏差。其次,本论文系统地分析了沉默子在基因组的分布特点、以及表观遗传特征。沉默子的特征分析是发展沉默子预测方法的重要前提,可以促进对沉默子作用机制的更深理解。第三,本论文沉默子鉴定基于报告质粒体系,独立于基因组环境,因此所鉴定的沉默子并不完全反映其在真实的基因组环境中的活性和功能。实际上在真实的基因组环境中,所鉴定的沉默子附近的基因表达水平明显更低,侧面验证了本研究所鉴定的沉默子的可信度。最后,本论文还分析了调控元件受多种表观遗传状态影响,协同调控目标基因的可能性,结果表明基因表达水平应该是多种调控的综合结果。总而言之,本论文表明所鉴定的沉默子可以抑制基因的表达,并为将来沉默子功能机制的研究提供了数据支撑。