德克萨斯农工大学兽医和生物医学科学学院(VMBS)的研究人员开发了一种新的虚拟工具，使科学家能够更有效地研究基因功能，并有望减少基因研究中使用的动物模型数量。

该工具称为基因敲除推理(GenKI)，使科学家能够模拟单个细胞中基因之间的关系，以便研究哪些基因影响细胞功能。了解每个基因的用途对于开发从癌症到普通流感等各种疾病的新疗法至关重要。

“分子生物学家和其他科学家使用所谓的‘敲除模型’来研究目标基因，”VMBS兽医综合生物科学系教授JamesCai博士说。“科学家们将删除(或‘敲除’)一个基因，以了解其功能。正如我们在《核酸研究》杂志上发表的那样，我们新开发的虚拟工具，由我的博士生杨勇建领导，将允许研究人员在不使用大量小鼠模型的情况下研究基因，并且更容易了解基因如何相互作用。”

着眼大局

发现生物体中每个基因的功能可能具有挑战性。人类拥有20,000到25,000个蛋白质编码基因，有些植物可能拥有超过40,000个。

更复杂的是，基因经常协同作用来控制身体的不同部位，这意味着基因敲除研究并不总能捕捉到基因功能的全貌。

“基因是一个巨大网络的一部分，”蔡说。“他们有合作伙伴、备份，甚至彼此之间存在远距离关系。有时确定哪些基因有联系并不容易。

“当科学家想要一起研究基因时，他们可以进行所谓的‘双敲除’，但它很昂贵，而且仅限于两个基因，”他说。“理论上，随着技术的发展，虚拟工具可能能够敲除两个、三个或更多基因。”

使用虚拟工具进行基因研究的另一个优点是研究人员可以研究跨组织反应，或者基因在多个组织、器官和系统之间可能存在的关系。

“研究实验室通常专门研究身体的某一方面，比如中枢神经系统或新陈代谢，”蔡说。“因此，他们倾向于专注于研究来自一个地方的组织样本，例如肝脏。但有些基因可能发挥不止一种作用，因此我们预计，使用像GenKI这样能够访问多种组织细胞类型的虚拟工具将使其成为可能。更容易看到那些跨组织连接。”

专注于要点

使用计算机化工具也是有益的，因为它允许研究人员研究他们无法通过其他方式研究的基因。

蔡说：“当你使用组织时，你不能敲除任何对身体功能至关重要的基因，否则你将不会有一个可行的模型。”“这迫使科学家研究基因的补偿效应，或者说继发效应，而不是目标基因本身。

“有了GenKI，我们可以停止任何基因的功能，并且模拟仍然有效，”他解释道。“我们所要做的就是将基因表达水平设置为零或降低它，该工具将向我们显示哪些其他数据点受到变化的影响。”

GenKI还将使科学家能够在研究过程中比使用组织更早地获得问题的答案。

“即使你只是想回答初步问题，你也可以开始模拟，”蔡说。“希望随着技术的发展，科学家将能够越来越依赖该工具而不是动物模型。”

基因研究的未来

生物体非常复杂，这使得数字模拟的创建具有挑战性。

“目前，该工具可以模拟人类和小鼠个体细胞中的基因关系，”蔡说。“我们从一些简单的事情开始，以确保该工具的准确性。”

虽然该工具仍在开发中，但蔡预计，随着越来越多的人向他的团队发送不同细胞类型的数据，他们将能够扩展该工具的功能，同时保持高水平的准确性。

“最终，我们希望能够模拟其他细胞类型，甚至其他生物体，”他解释道。

“通过这项技术，我们可以在15年内将动物模型的使用减少50%，”他说。“但我们不能单独做到这一点——这需要文化变革。需要不断努力构建该工具，以便研究人员可以依赖它。”

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