研究基因功能的“七大绝招”与“三板斧”

研究基因功能的“七大绝招”与“三板斧”2011.12.6-12.8（说明：本文是对大约一年前的博文《研究基因功能的“四大绝招”（初步总结版）》的修改和补充，仍存在继续修改的可能。

本文可能适合的读者是生物医学的科研新手和非生物医学领域的人。

）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“七大绝招”和“三板斧”。

掌握了这“七大绝招”和“三板斧”，设计实验更容易，看文献听学术报告也更轻松。

第一招：天地人合无论是学习还是研究，必须遵循的一个原则是“从生活中来，到生活中去”。

学习的时候，如果与日常生活中熟悉的、简单的事情结合起来理解，就可以化繁为简，化难为易。

学习的目的是为了应用，学到的东西，必须应用到日常生活中去。

怎样研究基因的功能？要回答这个问题，我们先看怎样研究人的功能。

假如你是男生，喜欢上了一个“女生”，可是这个“女生”长得扑朔迷离，帅气中带着妩媚，羞涩中透出豪爽。

所以，你面临的第一个问题就是：TA到底是男还是女？第二个问题是：TA是不是学生？如果是的话，是本校的吗？你不认识TA的任何朋友，所以也没法打听。

为了回答这几个问题，你决定翘课跟踪TA。

你发现，白天的大多数时间，TA去了本校教学楼的教室。

你守在教室的洗手间旁边，观察TA下课的时候上洗手间，去的是男洗手间还是女洗手间。

高兴的是，你发现TA去了女洗手间（终于松了一口气）。

不过你比较小心，为防万一，你又跟踪她，看她晚上回宿舍去的是男生宿舍还是女生宿舍。

不出所料，她去了本校的女生宿舍。

这下你终于放心了：她是本校的一个女生。

因为她去女洗手间和女生宿舍，提示她是女的。

因为她白天去本校教室，晚上去本校女生宿舍，提示她是本校女生。

上述事例告诉我们：一个人什么时候，在哪里活动可以提示其身份。

同样，基因表达的时间和部位，常常可以提示其功能。

例如，如果基因A在胚胎发育过程中表达，成年后不表达，则提示该基因与发育有关。

基因B在在大脑的海马中表达，而海马与记忆有关，那么这个基因可能与记忆有关。

接下来的问题就是：她是哪个系的？她有什么兴趣爱好？你发现，她有两个个形影不离的好朋友。

你恰好有同学认识她的这两个朋友。

同学告诉你：她两个好朋友都是中文系的，都喜欢打羽毛球。

这时，你基本上就可以认为这个女生是中文系的，爱好之一是羽毛球了。

以上所述可以归纳为三点：天时，地利，人和。

“天时”指基因及其产物什么时候表达，“地利”指的是基因及其产物表达于哪个部位。

“人和”可以进一步引申为两点：1. 近朱者赤，近墨者黑。

就是说一个人会与他经常接近的人相似。

基因也是如此，相互作用的一些基因常常具有类似的功能，它们为了完成同一个功能而通力合作。

例如，如果实验发现蛋白C与蛋白D相互结合，而基因D是某一信号通路的受体，则基因C可能也是该信号通路的成员。

2. 近猪者吃，近墨者喝。

就是说一个人不仅会经常接触与自己类似的人，还经常接触自己的工作对象。

例如，一个经常与学生接触的人，既可能是学生（近朱者赤），也可能是老师（近猪者吃）。

同理，与一个基因接触的其它基因或者物质，也可能是其作用的对象。

例如，如果蛋白质F与DNA结合在一起，则提示其对DNA发挥作用，可能参与DNA复制、转录等。

“合”指的是合理。

亿万年的进化使不合理的基因基本上都被淘汰了，所以存在的基因其功能必定是合理的，至少具有合理性的一面。

合理的表现就是能够促进个体的生存和繁衍。

合理遵循两个原则：一，经济原则。

生物不会浪费物质和能量在一个无用或者冗余的基因上。

凡是一个基因可以实现的功能，没有必要用两个基因。

二，有效原则。

基因的功能应该促进而不是损害生物的生存和繁衍。

根据合理性原则，无需任何实验证据，我们不难想到非编码DNA序列是有用的，不是无用的垃圾。

第二招：患得患失有人说，金钱不是万能的，但是没有金钱是万万不能的。

那么，金钱到底有什么作用呢？有两种方法可以知道答案。

第一种方法是你去一个陌生的地方，突然钱包被偷，所有的现金、信用卡和可以换钱用的物品都没有了。

此时，你就知道钱的作用是什么了。

第二种情况是你买彩票突然中了一千万，很快，你也可以知道钱的作用是什么。

得到和失去，都可以让我们知道事物和人物的功能，而其中失去更为有效。

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。

第三招：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”。

第四招：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。

第五招：内外兼修体外实验（In vitro）简单便捷，可以很快得到结果。

可是，体外实验的条件和体内的情况不一样，体外实验得到的结果一般还需要体内实验（In vivo）来验证。

“内外兼修”指的是既做体外实验，又做体内实验。

这一招不是太常见，有些文章不一定同时做体内和体外实验。

第六招：十面埋伏当你论证一个观点的时候，可能会有人反驳你。

一篇好的文章，必须提前想到这些反驳，并通过做相应实验设下“埋伏”，反驳这些可能的反驳；此外，还应通过类似实验重复验证来增加结论的可靠性，这就叫做“十面埋伏”。

中医诊治病人，需要“望闻问切”，把四种方法得到的信息综合起来才能做出正确的诊断，这叫“四诊合参”。

（题外话：电视剧里仅仅通过望诊或者仅仅把脉就开药的中医，基本上都是骗人的。

实际生活中遇到这样的中医，可以判断为江湖游医。

）历史学上有一个说法叫做“孤证不立”，就是说如果只有一条证据支持一个论点，那么这个论点是不可靠的。

生活中，如果有一个人说某人有问题，他不一定真的有问题。

可是如果很多人都说他有问题，那他就很可能真的有问题了。

如果仅仅从一篇文章的角度来考虑，做这么多的实验不是很有必要。

例如，做了第一个实验，结论成立的可能性是80%，做了第二个，可能性上升到95%。

可是，科研是积累性的，你的结论是别人推理的基础，你推理的基础则是前人的结论。

假如A1引用了你的文章，A2又引用了A1的文章，如此反复一直到A10。

如果每篇文章结论正确的概率是80%，则A10文章结论正确的概率是0.8010=10%，如果每篇文章结论正确的概率是95%，则A10文章结论正确的概率是0.9510=60%。

差别从一开始的15%，变成6倍了。

所以，多做实验增加结论的可靠性，对于科学的长期发展是至关重要的。

看文献的时候，你会发现作者做了一大堆实验，这么多的实验就像唐僧在你耳边念经一样，把你弄得晕头转向。

为了提高看文献的效率，一般只看关键实验，次要的实验可以略过。

当你做学术报告时，由于时间有限，只报告关键实验。

等到观众提问时，这些次要实验就可以派上用场了。

例如，听完你的报告，有听众提问说：“我觉得你的结果还有两种可能的解释，包括。

你怎样得出这个结论的呢？”此时，你就可以从容自若的说：“这是一个很好的问题。

针对第一种可能，我们做了XX实验，结论不支持这个可能。

针对第二种可能，我们做了XX 实验，发现。