如果要研究一个基因的功能，该如何设计实验？基因功能常见思路解析_生物研究_实用技巧

随着分子生物学、基因工程以及基因测序等技术的飞速发展，人类对基因的认识也越来越深入，越来越多的未知新基因被发现，基因功能研究也成为生命科学领域中的重大课题。

一个基因除了包括一个蛋白质或RNA的全部编码序列，还应该包括编码区以外的转录功能必需的非编码区，如启动子、终止子等序列。功能基因就是细胞中的编码基因。

我们研究一个基因的时候，首先还是要知道这个基因的功能的。

基因功能研究一般（一）先用生物信息学分析对基因的结构和功能做预测，（二）然后就要对我们的推测进行验证。

如何用NCBI对基因功能做预测

当问到一个基因有什么功能时，通常最快捷的方式是去NCBI查询。

NCBI(National Center For Biotechnology Information)，美国国家生物技术信息中心，分子生物学，生物化学及遗传学领域常用数据库。

下面以人的GAPDH为例教你如何利用NCBI数据库寻找目的基因：

打开NCBI网站：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/，在“All Databases”下拉菜单中选择“Gene”，主页结果如下

输入基因名称，如“GAPDH”，点击“Search”查找。

小伙伴们可以直接点击“GAPDH–glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase”，进行查看。

或者可以把搜索结果往下拉，就会看到在不同物种中的基因“GAPDH”的查找结果，根据想要查看的物种，点击对应的结果，就可查看该基因的详细信息，包括染色体上的位置、isoform、表达量、发表的文章、homolog和具体的基因、RNA、蛋白的序列。

就算是这个基因在你的物种里没有做过，你也可以参考其他物种，看看主要在什么组织中起什么作用。就算不能直接查到你感兴趣的细胞，也可以关注一下这些细胞所在的组织。

一般来说一个基因的功能和这个基因所在的通路有关。因此基于通路数据库来查询基因的功能也是可以的。而 KOBAS (http://bioinfo.org/kobas/)是一个可以通过输入目标基因在相对应的通路数据库当中进行分析的工具。

在Annotation当中，我们可以输入想要分析的基因即可。

此外，还可使用GO，KEGG等方法对基因功能进行注释。

基因功能注释，简单来说，即是根据已有的蛋白库，对从基因组上提取到的蛋白序列进行比对，从而对基因中的模序和结构域、新基因编码的蛋白质功能、所参与的信号传导通路和代谢途径等的预测。

科学家们通常是如何研究基因在生物体中的功能呢？

（1）摸清基因在体内的表达规律

同一基因在个体的不同细胞或组织器官中以及不同的发育阶段表达均不相同，所以研究一个基因的功能时，我们往往要知道它在哪个器官、哪些细胞有表达，什么时候表达，表达量如何。

因此，对于很多研究，第一步一般都会去验证从测序结果中筛选到的基因，主要验证要研究的基因的表达量（RT-qPCR、Northern、WB）、表达在组织或亚细胞间的特异性（RT-qPCR、Northern、FISH、GFP融合蛋白、核质分离）、序列的准确性及是否有新的可变剪切（5’/3’ RACE）等。这一步可以缩小研究的范围。

（2）体内/体外验证该基因的功能

做完这部分基础的验证后，就需要验证基因的功能了。

研究基因功能有两种遗传学方法—正向遗传学和反向遗传学。

■ 正向遗传学是指，对细胞、组织或个体的基因组进行突变（自然突变或人工诱导突变），然后鉴定被改变的性状，找到突变基因并揭示其功能。

■ 反向遗传学是指，利用已知的基因组序列信息，通过分子生物学手段敲除/干扰/过表达靶基因并寻找其相对应的表型性状。

简单地说，正向遗传学是从表型变化研究基因变化，反向遗传学则是从基因变化研究表型变化。当在细胞、组织、生物体中进行敲除、敲低这个基因的表达水平时，常用的实验技术包括DNA层面的基因敲除（CRISPR及其相关衍生技术）；RNA层面的RNAi；蛋白层面的Trim-Away等。

■ 体外实验

体外实验，通过建立基因表达调控的细胞模型，再通过大小、增殖、凋亡、迁移等实验观察细胞表型的变化。

论证一个表型一般是采用多个不同原理的实验反复佐证，即同一个实验不同细胞做（通常需要做2个以上细胞株），同一个细胞做不同实验验证。

■ 体内实验

体内实验，通过建立动物模型观察相关表型的变化（包括存活能力、代谢等等），是对体外实验的确证。体内体外是完全不同的两个环境，要追求质量，动物模型的实验是必须的。

■ Rescue实验