研究基因功能的“四大绝招”（初步总结版）
精选
已有 10016 次阅读 2010-12-27 12:41 |个人分类:科学人生|系统分类:科研笔记|关键词:基因，过表达，低表达，misexpression
（说明：本文已经修改和补充，见：《研究基因功能的“七大绝招”和“三板斧”》）
生命科学的研究有很大一部分集中于研究基因及其产物的功能。到底有哪些方法可以用来研究基因功能呢？本文初步总结为“四大绝招”。
第一招：患得患失
得，指的是基因的过表达（Overexpression）；失，指的是基因敲除（Knockout）或者低表达（Under-expression）。例如研究的假说是基因A与记忆力呈正相关，那么可以这样设计实验：先过表达基因A，预期结果是记忆力增强，再降低基因A的表达水平，或者完全敲除（如果不是lethal的话），预期结果是记忆力减弱。一个高质量的实验设计，一般应该“患得患失”，两方面的实验都要做。
我们不仅要“患得患失”，还要“斤斤计较”。因为过表达或低表达的水平不同，表型改变可能也不同，甚至看不到表型改变。例如，用RNAi Knockdown一个基因的表达水平的70%也许看不到任何变化，但是Knockdown 90%就能观察到表型改变了。所以，当过表达或者低表达研究基因却没有得到预期结果的时候，就需要考虑基因表达水平的变化是否不足。
有时即使完全敲除一个基因也看不到任何表型的改变，此时也不能下“研究基因与研究表型无关”的结论。这就好比一个桥有十个桥墩，如果只去除掉桥墩4，在非过负荷的情况下，桥可能不会倒塌，可以正常通车。可是，如果先去除掉桥墩5，再去除桥墩4，桥就会倒塌了。我们能够认为桥墩4是无用的吗？当然不能。桥墩在这里好比处于同一个通路具有相似功能的基因，桥是否可以通车好比基因的表型是否正常。所以，在敲除一个基因A看不到表型改变的情况下，可以在基因B（与A的功能具有相似性，或者是上下游的基因）敲除的动物模型上敲除基因A，观察敲除后是否有变化。
有时候，全身性的过表达、低表达或者基因敲除会出现我们不想要的结果。例如，全身性的基因敲除会致命。为了解决这个问题，现已开发出许多种组织特异性和时间特异性的过表达、低表达和基因敲除技术，使得基因调控更加准确。
第二招：上下求索
基因需要经过转录为RNA、翻译为蛋白质至少两步才能发挥功能。所以，研究一个基因的功能，就可以在DNA、RNA和蛋白质的水平分别进行研究。DNA的水平相同，不代表RNA的水平相同；同样，RNA的水平相同，不代表在蛋白质的水平相同。哪怕就是在RNA水平，还有不同的剪切的可能。
一个基因翻译成蛋白质之后，常常需要同其它的基因及其产物相互作用才能发挥功能。例如基因S，翻译成蛋白质S，如果它是配体，就需要和受体结合，然后受体激活信号通路。如果S鉴定出来了而其余的通路基因没有鉴定出来，那就可以研究上游的配体和下游的信号通路基因分别是什么。一个转录因子，常常可以激活或抑制一系列基因的表达，究竟可以控制哪些下游基因，也值得研究。蛋白质发挥功能，常常会有正性调控和负性调控因子。从上游来看，哪些基因及其产物可以促进或抑制研究基因的表达水平？具体机制是怎样的？从下游来看，哪些基因及其产物可以增强或者减弱研究基因的功能？具体机制是怎样的？这些都可以研究。
所以，研究一个基因，就可以在不同的表达水平和不同的作用水平上“上下求索”。
第三招：背井离乡
背井离乡，指的是misexpression，就是在非正常时间、非正常位置、非正常物种（时间、地点、人物）表达一个基因。如果在正常情况下，研究基因具有特定功能，而且在非正常时间、非正常位置和非正常物种间表达的时候同样导致该功能，则我们下“该基因具有该特定功能”的结论就更有把握。
值得注意的是，misexpression不产生预期表型，并不能认为研究基因与该表型无关。因为一个基因发挥作用，需要很多其它基因的帮助。如果misexpression的部位、时间、物种缺乏该基因发挥功能需要的辅助基因，或者多了可以抑制该基因功能的其它基因的表达，则可以导致预期表型无法产生。如果misexpression产生了某一表型，不代表该表型是该基因的正常功能，原因同上。所以，misexpression告诉我们：该基因“可以”做什么，不代表该基因实际上做了什么。打个比方，我们把一个教授放到农村去，他没法接触到做科研需要的设备、文献等，而且迫于生计，他不得不自己种田维持生存。我们能够下结论说：教授的社会职能是种田吗？当然不可以。但是我们可以说：教授是“可以”种田的。
第四招：一网打尽
如上所述，每一个基因都有作用于它的上游基因，也有受它作用的下游基因。每一个上游基因和下游基因又分别有自己的上下游基因。除了上下游基因及其产物，细胞内、机体内的其它物质例如离子等也都会作用于基因自身。用马哲的观点来说就是联系无处不在，无时不有。这些联系构成了一个复杂的网络。目前生命科学的一个发展趋势就是研究基因网络。所以，研究一个基因的功能，还可以构建出它所处的网络。
一切道理都是相通的。上面提到的“四大绝招”也适用于研究日常生活和人类社会中遇到的问题。我们可以把基因替换为人，例如想要研究某一总裁的功能，就可以：将他撤职，看看公司有何变化；看看公司里面哪些人与总裁发生了联系，联系是怎样的，总裁与外界发生了哪些联系，哪些人可以领导总裁，总裁又可以领导哪些人；把他调换到另一家公司任职，看看那家公司有何变化；总裁与公司及外界事物形成了怎样一个网络等。
研究基因功能的“四大绝招”（初步总结版）
精选
已有 10016 次阅读 2010-12-27 12:41 |个人分类:科学人生|系统分类:科研笔记|关键词:基因，过表达，低表达，misexpression
（说明：本文已经修改和补充，见：《研究基因功能的“七大绝招”和“三板斧”》）
生命科学的研究有很大一部分集中于研究基因及其产物的功能。到底有哪些方法可以用来研究基因功能呢？本文初步总结为“四大绝招”。
第一招：患得患失
得，指的是基因的过表达（Overexpression）；失，指的是基因敲除（Knockout）或者低表达（Under-expression）。例如研究的假说是基因A与记忆力呈正相关，那么可以这样设计实验：先过表达基因A，预期结果是记忆力增强，再降低基因A的表达水平，或者完全敲除（如果不是lethal的话），预期结果是记忆力减弱。一个高质量的实验设计，一般应该“患得患失”，两方面的实验都要做。
我们不仅要“患得患失”，还要“斤斤计较”。因为过表达或低表达的水平不同，表型改变可能也不同，甚至看不到表型改变。例如，用RNAi Knockdown一个基因的表达水平的70%也许看不到任何变化，但是Knockdown 90%就能观察到表型改变了。所以，当过表达或者低表达研究基因却没有得到预期结果的时候，就需要考虑基因表达水平的变化是否不足。
有时即使完全敲除一个基因也看不到任何表型的改变，此时也不能下“研究基因与研究表型无关”的结论。这就好比一个桥有十个桥墩，如果只去除掉桥墩4，在非过负荷的情况下，桥可能不会倒塌，可以正常通车。可是，如果先去除掉桥墩5，再去除桥墩4，桥就会倒塌了。我们能够认为桥墩4是无用的吗？当然不能。桥墩在这里好比处于同一个通路具有相似功能的基因，桥是否可以通车好比基因的表型是否正常。所以，在敲除一个基因A看不到表型改变的情况下，可以在基因B（与A的功能具有相似性，或者是上下游的基因）敲除的动物模型上敲除基因A，观察敲除后是否有变化。
有时候，全身性的过表达、低表达或者基因敲除会出现我们不想要的结果。例如，全身性的基因敲除会致命。为了解决这个问题，现已开发出许多种组织特异性和时间特异性的过表达、低表达和基因敲除技术，使得基因调控更加准确。
第二招：上下求索
基因需要经过转录为RNA、翻译为蛋白质至少两步才能发挥功能。所以，研究一个基因的功能，就可以在DNA、RNA和蛋白质的水平分别进行研究。DNA的水平相同，不代表RNA的水平相同；同样，RNA的水平相同，不代表在蛋白质的水平相同。哪怕就是在RNA水平，还有不同的剪切的可能。
一个基因翻译成蛋白质之后，常常需要同其它的基因及其产物相互作用才能发挥功能。例如基因S，翻译成蛋白质S，如果它是配体，就需要和受体结合，然后受体激活信号通路。如果S鉴定出来了而其余的通路基因没有鉴定出来，那就可以研究上游的配体和下游的信号通路基因分别是什么。一个转录因子，常常可以激活或抑制一系列基因的表达，究竟可以控制哪些下游基因，也值得研究。蛋白质发挥功能，常常会有正性调控和负性调控因子。从上游来看，哪些基因及其产物可以促进或抑制研究基因的表达水平？具体机制是怎样的？从下游来看，哪些基因及其产物可以增强或者减弱研究基因的功能？具体机制是怎样的？这些都可以研究。
所以，研究一个基因，就可以在不同的表达水平和不同的作用水平上“上下求索”。
第三招：背井离乡
背井离乡，指的是misexpression，就是在非正常时间、非正常位置、非正常物种（时间、地点、人物）表达一个基因。如果在正常情况下，研究基因具有特定功能，而且在非正常时间、非正常位置和非正常物种间表达的时候同样导致该功能，则我们下“该基因具有该特定功能”的结论就更有把握。
值得注意的是，misexpression不产生预期表型，并不能认为研究基因与该表型无关。因为一个基因发挥作用，需要很多其它基因的帮助。如果misexpression的部位、时间、物种缺乏该基因发挥功能需要的辅助基因，或者多了可以抑制该基因功能的其它基因的表达，则可以导致预期表型无法产生。如果misexpression产生了某一表型，不代表该表型是该基因的正常功能，原因同上。所以，misexpression告诉我们：该基因“可以”做什么，不代表该基因实际上做了什么。打个比方，我们把一个教授放到农村去，他没法接触到做科研需要的设备、文献等，而且迫于生计，他不得不自己种田维持生存。我们能够下结论说：教授的社会职能是种田吗？当然不可以。但是我们可以说：教授是“可以”种田的。
第四招：一网打尽
如上所述，每一个基因都有作用于它的上游基因，也有受它作用的下游基因。每一个上游基因和下游基因又分别有自己的上下游基因。除了上下游基因及其产物，细胞内、机体内的其它物质例如离子等也都会作用于基因自身。用马哲的观点来说就是联系无处不在，无时不有。这些联系构成了一个复杂的网络。目前生命科学的一个发展趋势就是研究基因网络。所以，研究一个基因的功能，还可以构建出它所处的网络。
一切道理都是相通的。上面提到的“四大绝招”也适用于研究日常生活和人类社会中遇到的问题。我们可以把基因替换为人，例如想要研究某一总裁的功能，就可以：将他撤职，看看公司有何变化；看看公司里面哪些人与总裁发生了联系，联系是怎样的，总裁与外界发生了哪些联系，哪些人可以领导总裁，总裁又可以领导哪些人；把他调换到另一家公司任职，看看那家公司有何变化；总裁与公司及外界事物形成了怎样一个网络等。