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人類基因組計劃的實施，使人們初步破解了人體的基因密碼，並利用不斷發展的測序手段，獲得了大量靜態的鹼基序列。
然而，新的命題接踵而至：如何解析這些序列信息？這些序列背後對應什麼功能？這些功能是如何實現的？
為此，功能基因組學應運而生。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員馬潤林表示，功能基因組學就是要解析生物的遺傳信息，從基因組水平和層次上，對其內的各個基因或特定序列進行功能分析，揭示目標基因組的功能及調控機制。
微觀世界破譯宏觀問題
在一個物種的基因組中，如果基因功能不被解析，龐大的基因組只是A、T、G、C四種鹼基的序列排列，那人們將無法從中獲取遺傳信息。
而如果運用功能基因組學的缺失突變研究原理，敲除基因組的某個基因，觀察生物個體發育成熟後與正常表型有何不同，便可鑑定出這個基因的功能。
以個體為對象，功能基因組學可以研究生殖發育相關基因及其異常導致的疾病，如出生缺陷。就整個物種比如人類而言，分析人類某些染色體上遺傳標誌性特徵還可以推測人類遷徙。
馬潤林的實驗室就在做著上述兩個課題。其中，人類遷徙相關課題的研究完善了世界人類遷徙圖譜，不僅有力地證明了現代人類的祖先源自非洲，還揭示了現代東亞人群（中國人）的祖先在最後一個冰川時代經過「南線」和「北線」兩條遷徙路線。
這個結果可以部分解釋大家所統稱的「南方人」和「北方人」所表現出種種差異的遺傳基礎。
馬潤林介紹說：「我們通過在全基因組水平上開展不同個體的重測序，獲得了不同個體之間的遺傳變異和生物多樣性的情況，摸清這兩個情況就很容易了解到生物的進化、起源和遷徙，我們甚至可以推測生物進化過程中基因組內的變化、基因組與外部環境的互相作用。」
在功能基因組學領域內，科研人員還通過研究肉眼看不到的基因，解決了宏觀世界裡很多的問題，比如疾病與健康、食品與生存、環境與生態。
例如，科學家們已經發現特定基因的突變就能導致乳腺癌。而利用功能基因組學技術，則可以探究疾病的產生機理，建立基因和疾病的關係。
作為人口大國，農業問題是我國的重中之重。馬潤林表示，如何使農作物品質提高、產量增加、抗病蟲害能力加強，也要通過開發基因技術，大量運用基因修飾和轉基因技術來實現。
不僅如此，通過功能基因組學研究還可以了解環境中物種間相互作用。
「我們所解決的問題不是獨立存在於生態環境中的，而是與其他物種關聯在一起，如果不全面考慮物種間相互作用，就會導致新的遺傳問題。」馬潤林說，「在遺傳學上，功能基因組學對解決環境中各物種友好相處有很大的用武之地，只是現在人們關注得並不多。」
以結構基因組學為基礎
馬潤林表示，功能基因組學應建立在以全基因組測序為目標的結構基因組學之上。
關於轉基因材料，要獲得各基因的詳細序列資料和調控信息；關於轉基因載體，要把改造好的基因放到植物或動物體內，尋找到一個合適的途徑。另外，還要解決目標基因與寄主植物或動物基因組相容性問題，使目的基因在寄主體內長期穩定表達。
然而，在實驗室裡，由於很多調控基因未能破解，導致目的基因被沉默而無法表達。例如，把修飾好的基因轉入到大腸桿菌上能表達，但轉入到植物動物體內則往往就不表達。
對此，馬潤林表示：「常規做法只是部分了解調控機制就去試驗轉基因，轉基因之後再根據出現的問題，尋求解決方法。其實，人們最好是能先把調控機制搞得很清楚了再去轉基因，而非在模糊狀態下進行。」
馬潤林表示，上述問題都解決後，還要解決環境安全性評估問題，以保證轉基因生物只發揮我們想要它發揮的作用，阻止其他不良環境效益的產生。
馬潤林研究室就曾承擔過轉基因綿羊的課題。為了提高羊肉的營養價值，例如增加羊肉中Ω－3（一種多不飽和脂肪酸）的含量，他們把線蟲中能合成Ω－3的基因克隆改造並轉移到一種真核表達載體上，再將其整合到綿羊體細胞的基因組中。
經試驗檢測，重組目的基因可在培養的綿羊體細胞中表達，把這個重組細胞核再轉入到綿羊的去核卵母細胞中，在體外發育成一種微小的胚胎（囊胚），然後用手術移植到代孕母羊體內。最後，在發育成熟的轉基因羊體內，每一個細胞都能攜帶和表達Ω－3脂肪酸基因。
「繼續培育觀察轉基因羊的下一代是否能穩定表達Ω－3脂肪酸，接下來還要進行食品安全性評價。」馬潤林說。
技術瓶頸待解
如今，基因功能鑑定的方法不斷推陳出新，例如基因表達的系統分析、cDNA微陣列、DNA（基因）晶片、蛋白組技術以及基於轉座子標籤和T-DNA 標籤的反求遺傳學技術等。
功能基因組學的發展也需依賴技術的革新，但是，目前制約其發展的技術瓶頸卻不在少數。
轉基因技術的複雜性就直接導致了這類實驗無法廣泛開展。
「目前，轉基因在多數情況下仍是隨機插入，插入後篩選成功表達的個體樣本，這是導致轉基因成功率低的一個原因。」馬潤林認為，如果能夠開發出一套簡便的定點整合的技術，將有利於轉基因的成功。
其次，基因組數據仍然不足。儘管第二代測序平臺技術使科研人員掌握了高通量、大規模的數據，但基因序列的準確度和完整度仍然較低，無法滿足功能基因組研究的需要。
此外，如何深入解析現有數據也是一大技術瓶頸。馬潤林稱，只有尋找到具有特殊價值的數據組，才能闡明和理解大量數據所包含的生物學意義。然而，龐大的數據對計算機軟硬體性能和科研人員的數據處理能力都提出了更高的要求。
「若要實現功能基因組學的全部目的，最好知道這個物種的全部序列信息、調控元件、SNP，越詳細越好，目前水平顯然不足以達到這些目的。」馬潤林舉例說，水稻的功能基因組學較為成熟，這得益於其全基因組測序工作已完成。而對於一個物種而言，獲得了其足夠的結構基因組數據，且遺傳背景清楚，才易於開展功能基因組學研究。
不僅如此，基因打靶技術可用於研究單個基因的局部功能和直接效益，但卻無法有效解析多基因複雜相互作用。為此，科研人員正在嘗試運用RNAi、酶解等技術進行破解。
「功能基因組的核心含義是，各基因並不孤立發揮作用，在研究基因功能的同時，了解基因間調控，搞清基因間排序。」在馬潤林看來，目前的技術手段只能研究基因的直接效應，卻無法有效解析基因之間的相互作用。
（原載於《中國科學報》 2013-06-05 第5版 生物周刊）