科学家是如何确定一个基因所代表的功能的？
确定一个基因的功能，就像是在茫茫大海中寻找一颗独特的珍珠，需要耐心、智慧和一系列精巧的工具。这个过程并非一蹴而就，而是由一系列严谨的科学实验层层递进、相互验证的结果。我们可以从几个关键的切入点来理解科学家们是如何做到的。
1. 从基因序列“猜”到它的作用：计算生物学与数据库的初步探索
一切的起点，都是基因的遗传密码——DNA序列。现代生物学早已进入了基因组学时代，这意味着我们拥有许多生物体完整的基因组序列。科学家们会利用强大的生物信息学工具，对一个未知功能的基因序列进行分析。
同源性比对（Homology Searching）： 这是最基础也是最重要的一步。科学家会将目标基因的序列与已知功能的基因序列进行比对。如果目标基因与一个在其他物种中已知功能是某个酶的基因序列非常相似，那么我们就可以“推测”它也可能编码一个类似的酶，或者参与类似的生化过程。就像通过比较两段文字，如果它们有大量的相似词汇和结构，很可能出自同一作者或探讨同一主题一样。数据库如NCBI的BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）是这类比对的“瑞士军刀”。
功能域预测（Domain Prediction）： 基因编码的蛋白质往往不是一个整体，而是由具有特定功能的“结构域”组成的。通过分析目标基因的序列，科学家可以识别出已知的蛋白质结构域。例如，如果一个基因序列中包含了“激酶结构域”，那么我们就可以推测它可能参与信号传导中的磷酸化过程；如果包含了“DNA结合域”，则可能与基因的调控有关。
生物物理学特性预测： 尽管是基于序列的预测，一些工具也能推测蛋白质的折叠方式、膜内定位的可能性等。这些信息能为后续的实验提供一些线索。
然而，这些基于序列的预测只是“猜想”，需要大量的实验来验证。
2. “敲掉”或“强化”基因，观察细胞或生物体的变化：遗传学操控与表型分析
这是确定基因功能最直接、最核心的手段之一。通过操纵目标基因的表达，科学家可以观察到由此产生的“表型”（Phenotype），也就是生物体或细胞的性状变化，并据此推断基因的功能。
基因敲除（Gene Knockout）： 顾名思义，就是让目标基因失去活性，无法编码有功能的蛋白质。在模式生物（如小鼠、果蝇、线虫、酵母）中，科学家可以通过基因工程技术，精确地删除或破坏目标基因。然后，他们会仔细观察这些“敲除”生物体在生长发育、生理功能、行为等方面与正常个体有何不同。
例子： 如果敲除某个基因后，小鼠出现生长迟缓、免疫力下降的现象，那么科学家就会推测这个基因可能与生长发育或免疫系统的正常运作有关。
基因敲低/沉默（Gene Knockdown/Knockdown）： 有时候，彻底敲除基因可能导致生物体无法存活，或者影响到其他相关的基因。这时，科学家会选择“敲低”基因的表达水平，使其表达量大大减少，而不是完全消失。这可以通过RNA干扰（RNAi）等技术实现。
基因过表达（Gene Overexpression）： 相反，科学家也可以通过引入额外的基因拷贝，或者使用强启动子，让目标基因的表达水平远高于正常。观察过表达后生物体或细胞发生的改变，也能帮助推断其功能。
例子： 如果一个基因在癌细胞中普遍过表达，并且过表达这个基因能促进细胞的生长和分裂，那么这个基因很可能与癌症的发生发展有关。
基因编辑技术（如CRISPRCas9）： 近年来，CRISPRCas9等基因编辑技术的飞速发展，极大地简化和提高了基因操控的效率和精确度。科学家可以利用这些技术进行大规模的基因敲除、敲低甚至基因插入等操作，以快速筛选和验证大量基因的功能。
3. 观察基因的“工作场所”和“工作搭档”：蛋白质组学与互作网络
基因的功能最终是通过其编码的蛋白质来实现的。因此，研究蛋白质的定位、活性和相互作用，是揭示基因功能的重要途径。
蛋白质定位（Protein Localization）： 科学家可以通过将目标基因编码的蛋白质与荧光蛋白（如GFP）融合，然后观察这种融合蛋白在细胞内的分布情况。例如，如果融合蛋白集中在细胞核内，那么这个基因编码的蛋白质可能与DNA复制、转录调控有关；如果它在细胞膜上，则可能参与信号接收或物质转运。
蛋白质相互作用（ProteinProtein Interaction, PPI）： 蛋白质很少是孤立工作的，它们常常组成复杂的蛋白质复合物，协同完成特定的功能。科学家们有多种技术可以研究目标蛋白质与其他蛋白质的相互作用：
酵母双杂交（Yeast TwoHybrid, Y2H）： 一种经典的体外检测蛋白质相互作用的方法。
免疫共沉淀（CoImmunoprecipitation, CoIP）： 在细胞内收集目标蛋白，然后看哪些其他蛋白被一同“沉淀”下来，从而推断它们是否存在相互作用。
质谱联用（如CoIPMS）： 在CoIP之后，利用质谱技术鉴定沉淀下来的蛋白质，是识别蛋白质复合物成员的强大工具。
化学交联质谱（CrosslinkingMass Spectrometry, XLMS）： 在细胞内将靠近的蛋白质分子“固定”住，再通过质谱分析，能够更真实地反映蛋白质在复合物中的接触关系。
通过构建蛋白质相互作用网络，科学家可以了解到目标基因所处的“生物学通路”，从而推断其可能的功能。如果一个基因编码的蛋白质与已知参与某种信号通路（如Wnt通路、MAPK通路）的蛋白质相互作用，那么这个基因很可能也参与到这条信号通路中。
蛋白质活性检测： 如果推测基因编码的是酶，科学家会尝试在体外分离并纯化该蛋白质，然后设计实验检测其是否具有催化某种生化反应的能力。例如，观察它是否能分解特定的底物，或者是否能磷酸化另一个蛋白质。
4. 基因在不同条件下的表达变化：转录组学与表观遗传学研究
一个基因是否“活跃”，它的表达水平如何，也常常能提供重要的功能线索。
转录组学（Transcriptomics）： 科学家可以利用RNA测序（RNASeq）等技术，检测在不同细胞状态、不同发育阶段或不同环境刺激下，目标基因的mRNA表达水平的变化。
例子： 如果一个基因在受到某种药物处理后表达量显著上调，并且该药物能抑制某种疾病的发展，那么这个基因的功能就可能与药物的药效机制有关。反之，如果某个基因在疾病状态下表达降低，则可能意味着它起到了保护作用。
表观遗传学（Epigenetics）： 研究DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传修饰，也可以揭示基因的功能。这些修饰虽然不改变DNA序列本身，但会影响基因的可及性和表达水平。
5. 基因缺失或突变造成的遗传病线索：临床遗传学与人类疾病研究
在人类身上，许多基因的功能是通过研究与之相关的遗传病来发现的。
疾病基因定位（Disease Gene Mapping）： 当某个家族中出现特定的遗传病时，科学家可以通过对患者的基因组进行测序，寻找与该疾病表型相关的基因突变。如果一个基因的特定突变在患者中普遍存在，并且在健康人群中罕见，那么这个基因就很可能是致病基因，其正常功能就与该疾病的预防或发生有关。
例子： cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) 基因的突变导致囊性纤维化，研究CFTR的功能就揭示了它在氯离子通道中的作用。
总结一下，确定一个基因功能的过程，是一个多维度、多角度、相互验证的科学探究过程。
它始于 序列的初步判断。
然后通过 基因的操纵与表型观察 来进行直接的功能验证。
蛋白质层面的研究 则揭示了基因工作的具体方式和合作模式。
基因表达谱的变化 提供了它在特定情境下的活跃度信息。
而 人类遗传病的关联分析 更是为我们提供了最直观、最重要的功能线索。
每一次实验的成功或失败，每一次新的发现，都可能让科学家们对这个基因的功能理解得更深入一步。这就像拼图一样，每一块碎片（实验结果）都至关重要，只有将它们巧妙地组合在一起，才能最终展现出基因所扮演的那个独特而重要的角色。这个过程充满了挑战，也充满了发现的乐趣。
1. 从基因序列“猜”到它的作用：计算生物学与数据库的初步探索
一切的起点，都是基因的遗传密码——DNA序列。现代生物学早已进入了基因组学时代，这意味着我们拥有许多生物体完整的基因组序列。科学家们会利用强大的生物信息学工具，对一个未知功能的基因序列进行分析。
同源性比对（Homology Searching）： 这是最基础也是最重要的一步。科学家会将目标基因的序列与已知功能的基因序列进行比对。如果目标基因与一个在其他物种中已知功能是某个酶的基因序列非常相似，那么我们就可以“推测”它也可能编码一个类似的酶，或者参与类似的生化过程。就像通过比较两段文字，如果它们有大量的相似词汇和结构，很可能出自同一作者或探讨同一主题一样。数据库如NCBI的BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）是这类比对的“瑞士军刀”。
功能域预测（Domain Prediction）： 基因编码的蛋白质往往不是一个整体，而是由具有特定功能的“结构域”组成的。通过分析目标基因的序列，科学家可以识别出已知的蛋白质结构域。例如，如果一个基因序列中包含了“激酶结构域”，那么我们就可以推测它可能参与信号传导中的磷酸化过程；如果包含了“DNA结合域”，则可能与基因的调控有关。
生物物理学特性预测： 尽管是基于序列的预测，一些工具也能推测蛋白质的折叠方式、膜内定位的可能性等。这些信息能为后续的实验提供一些线索。
然而，这些基于序列的预测只是“猜想”，需要大量的实验来验证。
2. “敲掉”或“强化”基因，观察细胞或生物体的变化：遗传学操控与表型分析
这是确定基因功能最直接、最核心的手段之一。通过操纵目标基因的表达，科学家可以观察到由此产生的“表型”（Phenotype），也就是生物体或细胞的性状变化，并据此推断基因的功能。
基因敲除（Gene Knockout）： 顾名思义，就是让目标基因失去活性，无法编码有功能的蛋白质。在模式生物（如小鼠、果蝇、线虫、酵母）中，科学家可以通过基因工程技术，精确地删除或破坏目标基因。然后，他们会仔细观察这些“敲除”生物体在生长发育、生理功能、行为等方面与正常个体有何不同。
例子： 如果敲除某个基因后，小鼠出现生长迟缓、免疫力下降的现象，那么科学家就会推测这个基因可能与生长发育或免疫系统的正常运作有关。
基因敲低/沉默（Gene Knockdown/Knockdown）： 有时候，彻底敲除基因可能导致生物体无法存活，或者影响到其他相关的基因。这时，科学家会选择“敲低”基因的表达水平，使其表达量大大减少，而不是完全消失。这可以通过RNA干扰（RNAi）等技术实现。
基因过表达（Gene Overexpression）： 相反，科学家也可以通过引入额外的基因拷贝，或者使用强启动子，让目标基因的表达水平远高于正常。观察过表达后生物体或细胞发生的改变，也能帮助推断其功能。
例子： 如果一个基因在癌细胞中普遍过表达，并且过表达这个基因能促进细胞的生长和分裂，那么这个基因很可能与癌症的发生发展有关。
基因编辑技术（如CRISPRCas9）： 近年来，CRISPRCas9等基因编辑技术的飞速发展，极大地简化和提高了基因操控的效率和精确度。科学家可以利用这些技术进行大规模的基因敲除、敲低甚至基因插入等操作，以快速筛选和验证大量基因的功能。
3. 观察基因的“工作场所”和“工作搭档”：蛋白质组学与互作网络
基因的功能最终是通过其编码的蛋白质来实现的。因此，研究蛋白质的定位、活性和相互作用，是揭示基因功能的重要途径。
蛋白质定位（Protein Localization）： 科学家可以通过将目标基因编码的蛋白质与荧光蛋白（如GFP）融合，然后观察这种融合蛋白在细胞内的分布情况。例如，如果融合蛋白集中在细胞核内，那么这个基因编码的蛋白质可能与DNA复制、转录调控有关；如果它在细胞膜上，则可能参与信号接收或物质转运。
蛋白质相互作用（ProteinProtein Interaction, PPI）： 蛋白质很少是孤立工作的，它们常常组成复杂的蛋白质复合物，协同完成特定的功能。科学家们有多种技术可以研究目标蛋白质与其他蛋白质的相互作用：
酵母双杂交（Yeast TwoHybrid, Y2H）： 一种经典的体外检测蛋白质相互作用的方法。
免疫共沉淀（CoImmunoprecipitation, CoIP）： 在细胞内收集目标蛋白，然后看哪些其他蛋白被一同“沉淀”下来，从而推断它们是否存在相互作用。
质谱联用（如CoIPMS）： 在CoIP之后，利用质谱技术鉴定沉淀下来的蛋白质，是识别蛋白质复合物成员的强大工具。
化学交联质谱（CrosslinkingMass Spectrometry, XLMS）： 在细胞内将靠近的蛋白质分子“固定”住，再通过质谱分析，能够更真实地反映蛋白质在复合物中的接触关系。
通过构建蛋白质相互作用网络，科学家可以了解到目标基因所处的“生物学通路”，从而推断其可能的功能。如果一个基因编码的蛋白质与已知参与某种信号通路（如Wnt通路、MAPK通路）的蛋白质相互作用，那么这个基因很可能也参与到这条信号通路中。
蛋白质活性检测： 如果推测基因编码的是酶，科学家会尝试在体外分离并纯化该蛋白质，然后设计实验检测其是否具有催化某种生化反应的能力。例如，观察它是否能分解特定的底物，或者是否能磷酸化另一个蛋白质。
4. 基因在不同条件下的表达变化：转录组学与表观遗传学研究
一个基因是否“活跃”，它的表达水平如何，也常常能提供重要的功能线索。
转录组学（Transcriptomics）： 科学家可以利用RNA测序（RNASeq）等技术，检测在不同细胞状态、不同发育阶段或不同环境刺激下，目标基因的mRNA表达水平的变化。
例子： 如果一个基因在受到某种药物处理后表达量显著上调，并且该药物能抑制某种疾病的发展，那么这个基因的功能就可能与药物的药效机制有关。反之，如果某个基因在疾病状态下表达降低，则可能意味着它起到了保护作用。
表观遗传学（Epigenetics）： 研究DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传修饰，也可以揭示基因的功能。这些修饰虽然不改变DNA序列本身，但会影响基因的可及性和表达水平。
5. 基因缺失或突变造成的遗传病线索：临床遗传学与人类疾病研究
在人类身上，许多基因的功能是通过研究与之相关的遗传病来发现的。
疾病基因定位（Disease Gene Mapping）： 当某个家族中出现特定的遗传病时，科学家可以通过对患者的基因组进行测序，寻找与该疾病表型相关的基因突变。如果一个基因的特定突变在患者中普遍存在，并且在健康人群中罕见，那么这个基因就很可能是致病基因，其正常功能就与该疾病的预防或发生有关。
例子： cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) 基因的突变导致囊性纤维化，研究CFTR的功能就揭示了它在氯离子通道中的作用。
总结一下，确定一个基因功能的过程，是一个多维度、多角度、相互验证的科学探究过程。
它始于 序列的初步判断。
然后通过 基因的操纵与表型观察 来进行直接的功能验证。
蛋白质层面的研究 则揭示了基因工作的具体方式和合作模式。
基因表达谱的变化 提供了它在特定情境下的活跃度信息。
而 人类遗传病的关联分析 更是为我们提供了最直观、最重要的功能线索。
每一次实验的成功或失败，每一次新的发现，都可能让科学家们对这个基因的功能理解得更深入一步。这就像拼图一样，每一块碎片（实验结果）都至关重要，只有将它们巧妙地组合在一起，才能最终展现出基因所扮演的那个独特而重要的角色。这个过程充满了挑战，也充满了发现的乐趣。
网友意见
首先你得有一个基因。很多时候不是研究一个基因，而是研究一个现象，然后发现是由某个基因介导的。这类研究是这样，先有一个模式生物，比如小鼠，果蝇，斑马鱼，线虫。然后关注一个我们感兴趣的表型，比如说眼睛的发育。然后对所研究的模式生物进行遗传诱变，比如用X-ray照射果蝇，然后看后代里有没有眼睛不正常的，有的话就挑出来。然后各种遗传学操作，做gene mapping去找到底哪个基因坏了导致的眼睛不正常。最后找到了，然后将其克隆出来，比对小鼠和人类的基因组有没有同源的基因，找到同源的基因。然后可能会在小鼠里敲除这个基因，然后看小鼠是不是也眼睛发育有问题。最后可以到人群里去找眼睛有遗传病的人，测序看他的基因组里的这个基因是不是也突变了。这样就可以确定这个基因的功能。所以一般是先有表型再去找基因，也就是所谓的正向遗传学。当然你也可以用反向遗传学，挨个敲掉基因看有没有你要的表型。因为科学家一般只关注自己感兴趣的基因，所以不会出现你说的那种情况，就是不会追着一个基因非要知道它的功能，而是有目的地找他所关心的基因。
另一方面，当然也可以直接在人里做研究，这就是所谓的人类遗传学。还是用眼睛做例子，你可以反过来直接在人群里找那种有家族式眼睛缺陷的人，建立家谱，然后测序他们的基因组。现在常有的是连锁分析或者基因组关联分析，也就是GWAS，目的就是看看到底哪个或者哪些突变与感兴趣的表型有联系，比如这里就是到底是哪个突变导致的眼睛缺陷。然后在小鼠里或者果蝇里定向敲除这些基因，看看他们是不是眼睛也有问题。所以你会发现，基因的功能是通过没有它发生了什么这个逻辑来反推他原来的功能的，而不是你想象的那样像追犯人那样看它到底做了什么。这也是遗传学的真谛所在。
说得远一点，其实功能这个概念很模糊，如果再细究你可能会问，那到底为什么没有这个基因，眼睛就不正常了呢？回答这个问题有多个途径。首先不管是模式生物遗传筛选还是人类家族系谱的研究，一般都不是发现一个单独的基因，可能是一堆基因，这一堆基因都造成眼睛缺陷。这时你需要确定这些基因的作用顺序，也就是基因A控制基因B，B再控制C呢，还是B控制A，A再控制C呢，还是他们分属不同的通路分别控制眼睛的发育而且缺一不可呢？这即是遗传学中的epistasis analysis，中文可能叫基因互作分析，或者上下游分析？总之你要先明确这堆基因的相互作用。然后你可以用生物信息学的方法将这些基因所编码的蛋白序列去比对已知功能的蛋白序列，然后你大概会得到一些信息，比如某个蛋白有个什么domain可能是酪氨酸激酶，某个蛋白可能是膜蛋白，某个蛋白可能是转录因子。这样这个pathway的模样就大概清晰了。然后生物化学也可以登场了，你可以体外表达这些蛋白，然后验证它们之间的相互作用，重组体内的生化过程，确定转录因子的靶点了，到底启动哪些基因表达，这些基因又有什么用。然后像施一公这样的人知道你的研究，就可能来找你合作，然后他就会去解析这些在眼睛发育过程中重要的蛋白的结构。然后，这些蛋白的样子就会被扒光放在你面前，你就知道它长什么样，在生化过程中都干了什么，怎么干的。
最后说一句，这个眼睛的发育还真是神奇，果蝇到小鼠到人类都是一个同源的基因控制的，所以比对类比是医学研究的灵魂啊，不要动不动就在人体里，你以为日本713细菌部队那些拿人做实验的机会那么容易获得吗？要不美国怎么连石井四郎都放了也必须要获得那些资料呢？
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