分子功能

分子功能（英文：Molecular Function， MF）是基因本体论（英文：Gene Ontology， GO）三大本体分支之一，用于描述基因产物（主要是蛋白质，也包括功能性RNA）在分子水平上的具体活动或任务。它回答“基因产物在分子层面具体做什么？”这一问题，描述其内在的、可测量的生化或生物物理能力，通常是在单个分子的尺度上。

核心概念与定义

分子功能描述的是基因产物的基本活性，而不涉及其在更广泛的细胞过程或生物学情境中的作用。其关键特征包括：

• 分子层面：关注单个分子或直接相互作用的分子复合物的活动。

• 任务导向：描述“能够执行的任务”，例如结合、催化、转运。

• 情境独立：不指定该功能发生的时间、地点或目的。同一个分子功能（如“ATP水解活性”）可以在不同的细胞组件中，为不同的生物学过程服务。

表1：分子功能术语示例与层级关系

本体结构与组织

分子功能术语被组织成一个有向无环图（英文：Directed Acyclic Graph， DAG），其层级结构从非常具体的活性逐步泛化到更宽泛的概念：

• “is a”关系：表示子项是父项的一个特定类型。例如：

  • “丝氨酸型内肽酶活性” is a “内肽酶活性”

  • “内肽酶活性” is a “水解酶活性，作用于肽键”

  • “水解酶活性” is a “催化活性”

• 主要顶层类别：

  • 结合（英文：Binding）：与其他分子（离子、小分子、大分子）的非共价、选择性相互作用。

  • 催化活性（英文：Catalytic activity）：加速生化反应。

  • 转运蛋白活性（英文：Transporter activity）：介导物质的跨膜移动。

  • 结构分子活性（英文：Structural molecule activity）：为细胞或细胞外结构提供物理支撑。

  • 分子转导活性（英文：Molecular transducer activity）：接收和传递信号，如受体活性、G蛋白活性。

  • 分子功能调节剂（英文：Molecular function regulator）：调节其他分子功能活性的分子，如抑制剂、激活剂。

应用与意义

1. 基因产物功能注释：实验证据（如酶活测定、结合实验、亲和纯化质谱）用于确定蛋白质的分子功能，并以标准化的GO术语进行注释。这是理解基因功能的基础。

2. 功能富集分析（英文：Functional enrichment analysis）：当获得一组感兴趣的基因（如差异表达基因）后，进行分子功能富集分析可以揭示这些基因是否显著富集于某种特定的分子活动。例如，一组上调基因可能富集在“细胞因子受体结合”或“转录因子活性”上，从而直接提示其在信号接收或基因调控中的潜在机制。

3. 酶学与代谢通路研究：通过注释“催化活性”，可以将基因产物映射到具体的生化反应中，是重建代谢网络和通路的关键。

4. 药物靶点发现：许多药物通过调节特定蛋白质的分子功能（如抑制酶的催化活性、阻断受体的结合活性）发挥作用。系统分析疾病相关基因的分子功能有助于识别潜在的药物靶点。

5. 蛋白质家族分类：共享相同或相似分子功能的蛋白质通常属于同一个家族或超家族，有助于进行进化分析和功能预测。

挑战与局限性

• 活性与功能的区别：分子功能描述的是一种能力，并不等同于其在细胞中实际承担的角色。一个具有“蛋白激酶活性”的酶可能参与多种不同的“生物学过程”（如细胞增殖、凋亡、免疫应答）。

• 复合功能：许多蛋白质具有多个分子功能域，可以执行多种活动。

• 活性调控：蛋白质的活性可能受到翻译后修饰、亚细胞定位或结合伴侣的严格调控，而静态的GO注释有时难以捕捉这种动态复杂性。

• 非编码RNA：对功能性非编码RNA（如miRNA， lncRNA）的分子功能定义和注释仍是一个不断发展的领域。

参考文献

1. The Gene Ontology Consortium. (2021). The Gene Ontology resource: enriching a GOld mine. Nucleic Acids Research, 49(D1), D325–D334. （GO官方联盟的最新资源综述，涵盖分子功能本体的更新）

2. Ashburner, M., et al. (2000). Gene ontology: tool for the unification of biology. Nature Genetics, 25(1), 25–29. （基因本体论奠基论文，确立了三大本体的框架，包括分子功能）

3. Huntley, R. P., et al. (2014). The GOA database: gene ontology annotation updates for 2015. Nucleic Acids Research, 43(Database issue), D1057-D1063. （介绍了GO注释的更新，其中包含大量分子功能注释的工作）

4. Rhee, S. Y., Wood, V., Dolinski, K., & Draghici, S. (2008). Use and misuse of the gene ontology annotations. Nature Reviews Genetics, 9(7), 509–515. （讨论了如何正确使用和解释GO注释，对理解分子功能注释的局限有指导意义）

5. Yu, G., Wang, L. G., Han, Y., & He, Q. Y. (2012). clusterProfiler: an R package for comparing biological themes among gene clusters. Omics: a journal of integrative biology, 16(5), 284-287. （广泛使用的GO富集分析工具，支持对分子功能进行富集分析和可视化）