基因本体论（Gene Ontology，GO）是一种为基因产品（如蛋白质或RNA）赋予功能注释的系统，它通过结构化的词汇描述生物体内基因及其产物的功能。GO 是生物信息学中用来描述基因产品的功能、细胞位置以及参与的生物过程的一个标准化系统。它的目标是通过一个通用的术语体系，为不同物种的基因和基因产物提供统一的注释平台。

GO的三大类目

GO 包含三个主要的功能类目，每个类目代表着基因产物的不同特征：

1. 生物过程（Biological Process，BP）: 描述基因产品参与的生物学目标或过程，例如细胞分裂、信号传导、代谢过程等。
2. 分子功能（Molecular Function，MF）: 描述基因产品执行的具体活动或功能，通常是某种酶的催化活性、结合活性等。
3. 细胞成分（Cellular Component，CC）: 描述基因产品在细胞中的位置或结构成分，如细胞膜、细胞质、核糖体等。

GO图的概念

GO 图是 GO 的一种可视化方式，它展示了基因产品与这些三大类目的关系。GO 采用有向无环图（Directed Acyclic Graph, DAG）来组织和表示这些注释。这个结构意味着：

• 每个 GO 术语都是图中的一个节点。
• 节点之间的边表示术语间的层次关系（即“is-a”关系或“part-of”关系）。
• 有向无环图意味着从一个节点出发，沿着边所形成的路径不会回到该节点。

GO图中的术语关系

GO 图中的每个节点（术语）可以与其他术语通过不同类型的关系相连，主要包括以下几种关系：

1. is-a（是一个）关系：表示从具体到抽象的分类。例如，“DNA修复” is-a “修复过程”。
2. part-of（是……的一部分）关系：表示某个过程是另一个更大过程的一部分。例如，“核糖体生物合成” part-of “核糖体形成”。
3. regulates（调控）关系：包括“正调控”（positively regulates）和“负调控”（negatively regulates），表示一个过程对另一个过程的调节作用。

GO图的特点

• 层次结构：GO图的结构层次分明，从高层次的广泛定义（如代谢过程）到具体的过程（如脂肪酸代谢）。
• 多重父节点：一个 GO 术语可以有多个父节点，这意味着它可能是多个广义类别的一部分。例如，“蛋白质磷酸化”既是“磷酸化”的一种，也可以是“蛋白质修饰”的一种。
• 无环结构：由于是无环图，GO图不会存在术语之间的循环关系，即不会发生某个过程是自身的子类的情况。

GO图的应用

1. 功能注释：研究人员可以通过 GO 注释了解特定基因或基因产物的功能、作用位置和参与的过程。例如，在研究一个新发现的蛋白质时，可以通过查询 GO 注释了解该蛋白质的已知功能。
2. 功能富集分析：在基因表达分析中，GO常用于识别特定基因集合中功能的富集情况，帮助研究人员了解实验结果背后的生物学意义。
3. 数据整合与比较：GO 术语标准化了功能描述，可以跨物种进行数据整合与比较，例如不同物种基因功能的对比研究。

例子：GO图中的节点和边

假设有一个 GO 图，描述一个基因的生物过程参与情况：

• GO 术语 "蛋白质代谢过程" (GO:0019538)
• "蛋白质代谢过程" 的子类 "蛋白质降解" (GO:0006515)
• "蛋白质降解" 通过 "is-a" 关系连接到 "蛋白质代谢过程"
• 如果一个基因的功能被注释为参与 "蛋白质降解"，那么它也可以间接地注释为参与 "蛋白质代谢过程"，因为前者是后者的子类。

这样，通过 GO 图，研究人员可以从一个基因的具体功能推测出它可能在更广泛的生物过程中扮演的角色。

总结

基因本体论（GO）和GO图为科学家提供了一种组织和表示基因及其产物功能的标准化方法。它的有向无环图结构不仅能体现功能的层次性和关联性，还能帮助研究者进行系统的功能注释与生物学研究分析。对于复杂的生物信息学分析，如基因表达谱的功能富集分析，GO 是不可或缺的工具之一。