功能互补实验

功能互补实验（英文：Functional complementation assay）是一种经典的遗传学实验策略，用于确定或验证一个特定基因（或DNA序列）的功能。其核心原理是：将待测基因（通常来自一种生物）引入到另一种因同源基因缺陷而表现出特定表型（通常是突变型）的宿主细胞或生物体中，观察该外源基因能否恢复宿主的正常表型。若能恢复，则证明该待测基因与宿主缺陷基因功能同源。

核心概念与逻辑

• 互补：指两个遗传元件（在本实验中即宿主的缺陷基因和引入的外源基因）共同作用，产生野生型（正常）表型。

• 基本假设：如果两个基因功能相同或高度相似，那么其中一个基因的产物应该能够替代另一个基因产物的功能。

• 关键对照：

  • 阳性对照：将宿主自身的功能性基因（野生型等位基因）重新导入突变体，应能恢复表型。

  • 阴性对照：导入一个空载体（不含目的基因），应不能恢复表型。

标准实验流程

1. 选择合适的宿主系统：

   • 通常使用一个模型生物（如酵母、大肠杆菌、线虫、果蝇、特定哺乳动物细胞系），该宿主在某已知基因上存在明确的突变（如敲除、失活突变），导致其易于观察的缺陷表型（例如，营养缺陷型、温度敏感型、药物敏感型、形态异常等）。

2. 构建表达载体：

   • 将待测的候选基因（或其cDNA）克隆到一个能在宿主中表达的表达载体上。该载体通常包含强启动子、选择性标记（如抗生素抗性基因）等。

3. 转化与筛选：

   • 将重组载体导入宿主突变体细胞中。

   • 利用选择性培养基（如添加抗生素或缺乏某种营养成分）筛选出成功转化了载体的细胞。

4. 表型分析：

   • 在非选择性条件或特定诱导条件下，观察转化子的表型是否恢复为野生型。

   • 成功互补的判断标准：携带待测基因的转化子表现出与携带野生型基因的转化子相似的表型，而携带空载体的转化子则保持突变表型。

主要应用

1. 基因功能鉴定（正向遗传学）：

   • 克隆未知功能的基因：当通过遗传筛选得到一个具有特定表型的突变体后，可以用野生型基因组文库或cDNA文库转化该突变体，通过功能互补筛选出能恢复其表型的克隆，从而直接克隆到导致该表型的基因。

2. 验证候选基因功能（反向遗传学）：

   • 当通过生物信息学分析（如同源比对）预测某个基因可能具有某种功能时，可将其导入已知相关功能缺陷的突变体中，验证其能否互补，从而确认其功能。

3. 研究直系同源基因与功能保守性：

   • 将来自不同物种（如人类、小鼠）的候选直系同源基因导入酵母或细菌的相应突变体中，测试其能否互补。若能成功，则强有力地证明了该基因功能的深度保守性，并确认了其直系同源关系。

4. 研究基因家族成员的功能特异性：

   • 将同一个基因家族的不同成员（旁系同源基因）分别导入同一突变体，观察它们互补能力的差异，从而推断其功能分化程度。

5. 确定蛋白质的关键结构域或关键氨基酸：

   • 通过构建待测基因的系列缺失突变体或点突变体，进行互补实验，可以确定哪些区域或位点对其功能是必需的。

优缺点

• 优点：

  • 直接且有力：表型恢复是基因功能最直观、最有力的证据之一。

  • 体内验证：在完整的细胞或生物体背景下进行，考虑了细胞环境、蛋白质相互作用网络等复杂因素。

  • 灵敏度高：即使待测基因的功能仅部分恢复表型，也能被检测到。

• 缺点：

  • 依赖于合适的突变体：需要有易于操作、表型明确的突变体宿主系统。

  • 并非总能成功：物种间可能存在表达、翻译后修饰、亚细胞定位或蛋白互作伙伴的差异，导致跨物种互补失败，即使两个基因在进化上同源。

  • 过表达可能带来假象：外源基因的过表达有时可能非特异性地掩盖或补救突变表型，产生假阳性结果。

经典与前沿案例

• 酵母营养缺陷型互补：这是最经典的范例。例如，将人类cDNA文库导入不能合成亮氨酸（*leu2-*突变）的酵母菌中，在缺乏亮氨酸的培养基上筛选能生长的克隆，从而克隆人类的功能同源基因。

• 人类疾病基因的鉴定：将人类候选基因导入果蝇或线虫的相应疾病模型突变体中，验证其能否挽救疾病相关表型，从而确认该基因在疾病中的作用。

• 植物抗病基因验证：将候选抗病基因导入易感植物品种中，测试其能否赋予对特定病原体的抗性。

参考文献

1. Botstein, D., & Fink, G. R. (1988). Yeast: an experimental organism for modern biology. Science, 240(4858), 1439–1443. （阐述了酵母作为功能互补实验理想模型的优势）

2. Sherman, F. (2002). Getting started with yeast. Methods in Enzymology, 350, 3–41. （详细介绍了酵母遗传学操作方法，包括互补实验）

3. Kachroo, A. H., et al. (2015). Evolution. Systematic humanization of yeast genes reveals conserved functions and genetic modularity. Science, 348(6237), 921–925. （大规模使用功能互补实验，将人类基因导入酵母突变体，研究功能保守性）

4. Winzeler, E. A., et al. (1999). Functional characterization of the S. cerevisiae genome by gene deletion and parallel analysis. Science, 285(5429), 901–906. （展示了大规模基因缺失库的构建，这些缺失株是功能互补实验的理想受体）

5. Giaever, G., et al. (2002). Functional profiling of the Saccharomyces cerevisiae genome. Nature, 418(6896), 387–391. （利用化学基因组学与互补实验思想，系统评估基因功能）