【干货】一分钟解锁基因调控的秘密 — 转录因子与靶基因预测

    在生物学的广阔领域中，解锁基因表达调控对于揭开生命奥秘至关重要。转录因子（Transcription Factor, TF）作为调控基因转录的核心分子，通过与靶基因上游的特定序列结合，参与调控下游基因的转录过程。这一过程涉及复杂的分子互作网络，对于解析生物体的发育、代谢和疾病机制具有重要意义。

    ♦基因功能研究：通过预测转录因子与靶基因的结合关系，揭示基因在特定生物过程中的功能，为基因功能注释和基因网络构建提供有力支持。

    ♦疾病机制解析：分析疾病相关基因与转录因子的互作关系，揭示疾病发生的分子机制，为疾病诊断和治疗提供新的思路和方法。

    ♦作物遗传改良：在水稻等作物中，预测转录因子与靶基因的互作关系，为作物遗传改良和分子设计育种提供理论依据和实践指导。

    如何准确预测转录因子与靶基因的结合关系，一直是困扰生物学研究者的难题。

    最好的办法就是网站预测+实验验证，那最常用和权威的网站有哪些呢？

 

转录因子与靶基因预测网站  

hTFtarget

网址：
https://guolab.wchscu.cn/hTFtarget/#!/

简介：hTFtarget是一个全面的人类转录因子数据库，收录了659个转录因子的ChIP-seq实验样本和699个转录因子的高可信度DNA结合序列。该网站分为tf、target、peak、co-regularion、co-association和prediction六个模块，用户可以根据需要查询特定转录因子的调控基因，或查找特定基因的转录因子。
 

JASPAR（开放存取的转录因子结合位点模型数据库）

网址：
https://jaspar.elixir.no/

简介：JASPAR可用于预测动物、植物、真菌等转录因子的结合位点motif信息。网站数据完全公开，且数据来源经过严格筛选，它以PFMs的形式存储人工编辑的高质量TFs DNA结合图谱。
 

TRANSFAC（转录因子的调控元件和靶基因数据库）

网址：
http://gene-regulation.com/

简介：TRANSFAC是一个经典的转录因子及其靶基因数据库，收录了转录因子和对应的家族信息，以及转录因子调控的基因和转录因子结合位点TFBS等信息。该数据库有专业版和公开版两个版本，专业版数据丰富，但收费；公开版本免费，但收录的数据较少。
 

TRRUST（人类TF-靶标相互作用的数据库）

网址：
https://www.grnpedia.org/trrust/   

简介：所提供的TF-target互作信息能够避免假阳性高。TRRUST目前包括两个物种：人和小鼠，分别包含800个人类TF和828个小鼠TF的8,444和6,552个TF目标调节关系。TRRUST数据库还提供调节模式（激活或抑制）的信息，已知有8,972个调控信息，占比59.8％。
 

ENCODE（编码转录调控的项目数据库）

网址：
https://www.encodeproject.org/

简介：主要含有: 人、老鼠、蠕虫、苍蝇这四个物种的数据。该数据库大多数还是原始数据，如果是需要进行原始数据分析的话，可以从这里下载数据。
 

CistromeData Browser

网址：
http://cistrome.org/db/#/

简介：主要收录了小鼠的转录因子、组蛋白修饰和染色质可及性样本，可以说是目前最全面的研究ChIP-seq和DNase-seq的数据库。
 

Gene Transcription Regulation Database （GTRD）

网址：
http://gtrd20-06.biouml.org/

简介：数据库整合了由SRA、ENCODE、GEO等资源库收集的人、大小、线虫、果蝇、酵母、拟南芥等生物的ChIP-seq 、DNase-seq等实验鉴定的转录因子结合位点和转录共激活蛋白关系，其优点是数据信息非常全面。
 

PlantTFDB（专门用于收录和研究植物转录因子的数据库）

网址：
https://plantregmap.gao-lab.org/index.php

简介：PlantTFDB是一个功能强大、数据丰富的植物转录因子数据库，收录了165个物种，包括绿藻、轮藻、地钱、苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物等多个类群。其中拟南芥、玉米、水稻、大豆等的转录因子家族成员，可以直接做为已知的，用于未知物种的该家族成员的鉴定。

 

实验验证

    在转录因子和靶基因预测后，需要通过实验手段找到靶基因上游的转录因子。以验证转录因子和启动子互作为例，我们来看下有哪些实验方法。

目前互作的实验方法分为体内和体外两种：

    体内方法是通过在细胞或生物体内进行实验来模拟生物体内的情况，更接近生物体内的真实情况。实验方法主要是双荧光素酶报告基因实验和ChIP-qPCR。

    体外方法通常使用生物技术手段合成转录因子和靶基因启动子的核酸序列，然后进行体外结合实验。主要方法是酵母单杂交（Y1H）和凝胶阻滞实验（EMSA）

1、双荧光素酶报告实验（体内）

    双荧光素酶检测是转录调控研究中十分重要的实验手段，主要应用于启动子和转录因子。在双荧光素酶检测中，将萤火虫荧光素酶作为实验报告基因，海肾荧光素酶作为内参报告基因，以消除转染效率和细胞状态等差异对实验结果的影响。

    在双荧光素酶报告实验中，将靶基因启动子片段插入到萤火虫荧光素酶表达序列上游，构建实验报告基因质粒，再将要检测的转录因子表达质粒与两种报告基因质粒共转染相关细胞。如果转录因子能够激活靶基因的启动子，则萤火虫荧光素酶基因就会表达，且其表达水平与转录因子的作用强度成正比。

双荧光素酶实验原理图

2、ChIP-qPCR（体内）

    ChIP-qPCR结合了染色质免疫共沉淀（ChIP）和定量聚合酶链反应（qPCR）两种技术。特别适用于验证转录因子与启动子的相互作用，因为它是在活体内研究DNA和蛋白质相互作用，更能够真实地反映体内蛋白因子与基因组DNA结合的状况，从而验证蛋白与特定启动子的相互作用。

    这项技术帮助研究者判断在细胞核中基因组的某一特定位置会出现何种组蛋白修饰。利用抗体抗原特异性结合，将与目的蛋白相结合的DNA片段沉淀下来，能够真实地反映结合在DNA序列上的调控蛋白。然后再使用qPCR技术对富集得到的DNA片段进行定量分析。

ChIP-qPCR实验流程图

3、酵母单杂实验（体外）

    酵母单杂交（Yeast One-Hybrid）是一种用于研究蛋白质与DNA序列之间相互作用的实验技术。它结合了酵母细胞内的转录激活和检测系统，用于筛选和鉴定与给定DNA序列相互作用的蛋白质，具有高通量筛选、较低的假阳性率、定量分析能力以及适用于多个研究领域的优势。

    酵母单杂交技术原理：是由酵母双杂交GAL4系统衍生发展而来，其核心概念是将一个已知的DNA序列（称为“诱饵”）插入到酵母表达载体中，并通过一个最小启动子驱动报告基因（如HIS3或lacZ）的表达。待研究的转录因子与诱饵DNA结合后，会激活报告基因的表达，从而通过检测酵母细胞的生长情况或颜色变化来判断结合事件的发生。

酵母单杂交原理图

4、凝胶阻滞实验EMSA（体外实验）

    凝胶阻滞实验（EMSA，Electrophoretic Mobility Shift Assay），又称电泳迁移率变动分析或凝胶电泳迁移率检测，是一种用于研究转录因子和其相关的DNA（或RNA）结合序列相互作用的技术。它能够对各类转录因子的DNA（或RNA）结合活性进行定性和半定量分析，是研究细胞信号转导通路的关键实验技术。

    EMSA实验原理：当核酸探针与样本蛋白混合孵育时，探针可以和蛋白质结合进而形成蛋白-探针复合物，由于这种复合物分子量较大，进行凝胶电泳时这种复合物比无蛋白结合的探针迁移速度慢，即表现为相对滞后。

EMSA实验原理图

    预测+实验结合能更加准确的验证转录因子和靶基因结合的关系，如果多个实验结果均支持预测结果，则可以认为转录因子确实调控靶基因的表达。同时，还可以进一步分析转录因子对靶基因表达的具体调控机制，如调控方式、调控强度等。

    转录因子和靶基因预测后的实验验证是相对复杂的过程，需要综合运用多种实验技术和方法。通过严格的实验验证，以确保预测结果的可靠性和准确性。

    我司能够提供包括双荧光素酶实验、酵母杂交（YIH/Y2H）、ChIP、EMSA、荧光素酶蛋白互补实验（LCA）、双分子荧光互补（BIFC）、免疫共沉淀（Co-IP）、GST pull-down、等在内的十余种前沿互作技术服务，期待与您一起携手合作，共同探索生命的奥秘，推动生命科学的发展，让生物技术服务人类健康生活。