一、介紹

官方：基因本體（GO）知識庫是有關(guān)基因功能的全球最大信息來源。 這些知識既是人類可讀的，也是機(jī)器可讀的，并且是生物醫(yī)學(xué)研究中大規(guī)模分子生物學(xué)和遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算分析的基礎(chǔ)。

在讀懂基因本體論（Gene Ontology）前，我們先看看什么是本體論：

本體論（Ontology ）是探究世界的本原或基質(zhì)的哲學(xué)理論 。

本體論通常處理的問題：存在哪些本質(zhì)，如何將這些本質(zhì)分組，在層次結(jié)構(gòu)內(nèi)關(guān)聯(lián)以及如何根據(jù)相似性和差異進(jìn)行細(xì)分 。

個人理解：本體=本質(zhì)=本原=基質(zhì)

基因本體論（Gene Ontology）包含生物學(xué)領(lǐng)域知識體系本質(zhì)的表示形式，本體通常由一組類（或術(shù)語或概念）組成，它們之間具有關(guān)系。 基因本體論（GO）從三個方面（GO domains）描述了我們對生物學(xué)領(lǐng)域的了解：

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• 分子功能（Molecular Function，MF ）

  單個的基因產(chǎn)物（包括蛋白質(zhì)和RNA）或多個基因產(chǎn)物的復(fù)合物在分子水平上的活動，比如“催化”，“轉(zhuǎn)運(yùn)”

  需要注意，這里的描述只表示活動，而不指定執(zhí)行功能的實(shí)體（分子或復(fù)合物），動作發(fā)生的地點(diǎn)，時間或背景

  廣義上的例子是催化活性和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性。具體的例子是腺苷酸環(huán)化酶活性或Toll樣受體結(jié)合

  為避免基因產(chǎn)物名稱與其分子功能之間的混淆，GO分子功能通常附加“活性（activity）”一詞。比如，蛋白激酶（protein kinase）具有GO分子功能：蛋白激酶活性（ protein kinase activity）

• 細(xì)胞組分（Cellular Component ，CC）

  基因產(chǎn)物在執(zhí)行功能時所處的細(xì)胞結(jié)構(gòu)位置，比如在線粒體，核糖體

  需要注意：細(xì)胞組分是細(xì)胞解刨結(jié)構(gòu)，不指代過程

• 生物過程（Biological Process ，BP）

  通過多種分子活動完成的生物學(xué)過程

  廣義上的例子是DNA修復(fù)或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。更加具體的例子是嘧啶核苷生物合成過程或葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

  需要注意：生物學(xué)過程不等同于通路。目前，GO沒有表示完整的通路信息所需的動力學(xué)或依賴性的描述信息

理解了上述的概念，現(xiàn)在舉個例子，如果站在基因本體論GO的角度來解釋一個基因的話：

基因產(chǎn)物：細(xì)胞色素C（cytochrome c）

分子功能：氧化還原酶活性

細(xì)胞組分：線粒體基質(zhì)

生物過程：氧化磷酸化

GO術(shù)語的構(gòu)成

基本要素

• 唯一標(biāo)識符（GO ID）和名稱：比如GO：0005739，GO：1904659，GO：0016597和線粒體，葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，氨基酸結(jié)合
• 方面：該術(shù)語屬于細(xì)胞成分，生物過程或分子功能的哪一個。
• 定義：術(shù)語的文字描述，以及信息來源的引用。
• 關(guān)系：該術(shù)語與本體中其他術(shù)語的關(guān)系。 例如，葡萄糖跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)（GO：1904659）是單糖轉(zhuǎn)運(yùn)（GO：0015749）。

可選要素

• 次級ID（備用ID）：當(dāng)兩個或多個術(shù)語的含義相同并且合并為一個術(shù)語時，就會出現(xiàn)輔助ID。 所有術(shù)語ID都會保留下來，因此不會丟失任何信息（例如，合并ID的注釋）。
• 同義字：含義與術(shù)語名稱緊密相關(guān)的替代字詞或短語，表示名稱與同義詞范圍所賦予的同義詞之間的關(guān)系。 GO同義詞的范圍是：
  • 相同 Exact ： 術(shù)語名稱可以互換； 例如 鳥氨酸循環(huán)是尿素循環(huán)的確切同義詞
  • 廣義Broad** ：同義詞比術(shù)語名稱更廣泛； 例如 細(xì)胞分裂是胞質(zhì)分裂的廣義同義詞
  • 狹義 Narrow ：同義詞比術(shù)語名稱更具體或更精確； 例如 用光裂酶修復(fù)嘧啶二聚體是光反應(yīng)性修復(fù)的狹義同義詞
  • 相關(guān) Related ：術(shù)語以不精確的方式相關(guān)； 例如 細(xì)胞色素bc1復(fù)合體是泛醇-細(xì)胞色素c還原酶活性的相關(guān)同義詞毒力是發(fā)病機(jī)理的相關(guān)同義詞

自定義同義詞類型也用于本體中。 例如，許多同義詞被指定為系統(tǒng)同義詞。 此類型的同義詞是術(shù)語名稱的確切同義詞。

基因本體論中的關(guān)系

GO以圖的形式構(gòu)建，術(shù)語作為同種的節(jié)點(diǎn)，術(shù)語間的關(guān)系（對象屬性）作為連接。

關(guān)系的描述

• 節(jié)點(diǎn) node：是指GO術(shù)語
• 父級 parent：是指更靠近圖的根的節(jié)點(diǎn)
• 子級 child：是指更靠近葉節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)； 對于is_a和part_of關(guān)系，父級是一個更寬泛的GO術(shù)語，而子級是一個更具體的術(shù)語
• 箭頭 arrowhead：指示關(guān)系的方向
• 虛線 Dotted lines：表示推斷的關(guān)系，即本體中未明確說明的關(guān)系

節(jié)點(diǎn)的連接

GO圖中的節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)可以具有任意數(shù)量和類型的關(guān)系， 就像層次結(jié)構(gòu)，例如，家譜或一個物種的分類法

一個節(jié)點(diǎn)可能與多個子節(jié)點(diǎn)（更特定的節(jié)點(diǎn)）具有連接，也可以具有多個父節(jié)點(diǎn)（較寬的節(jié)點(diǎn)）

利用關(guān)系與關(guān)系間的連接可以推斷相應(yīng)的分組注釋，節(jié)點(diǎn)間關(guān)系的推斷，這個會在后面詳細(xì)研究：

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上圖表示：A is a B，B is part of C，所以可以推斷 A is part of C

節(jié)點(diǎn)間總體與部分關(guān)系：

一個節(jié)點(diǎn)可能與一個節(jié)點(diǎn)有一部分關(guān)系。 下圖說明了這一點(diǎn)：

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上圖：mitochondrion 是兩個節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)：it is an organelle and it is part of the cytoplasm ；organelle 有兩個子節(jié)點(diǎn): mitochondrion is an organelle, and organelle membrane is part of organelle

GO的主要關(guān)系

我們將上面的關(guān)系圖簡化表示為箭頭導(dǎo)向性圖，這是圖中常見的關(guān)系表示：

縮寫	關(guān)系	符號	示例
i	is a	A mark B	有絲分裂細(xì)胞周期 is a 細(xì)胞周期
P	part of	A mark B	線粒體內(nèi)膜 part of 線粒體
hP	has part	A mark B	受體酪氨酸激酶活性 has part 激酶活性
R	regulates	A mark B	抗凋亡 regulates 細(xì)胞程序性死亡
R+	positively regulates	A mark B	減數(shù)分裂激活 positively regulates 減數(shù)分裂
R-	negatively regulates	A mark B	脊髓平滑信號通路 negatively regulates 脊髓腹側(cè)

接下我們詳細(xì)看看GO是怎樣來描述這幾種關(guān)系的：

1.is a

如果我們說 A is a B，則意味著節(jié)點(diǎn)A是節(jié)點(diǎn)B的子類型。例如，有絲分裂細(xì)胞周期是細(xì)胞周期，或者裂解酶活性是催化活性。

應(yīng)該注意的是，a并不代表是實(shí)例。 從本體論上來說，一個實(shí)例是某個事物的具體示例。 例如 貓是哺乳動物，但加菲貓是貓的實(shí)例，而不是貓的亞型。 GO中的術(shù)語表示實(shí)體或現(xiàn)象的類別，而不是特定的表現(xiàn)形式（或?qū)嵗?但是，如果我們知道貓是哺乳動物，則可以說貓的每個實(shí)例都是哺乳動物。

使用 is a 對批注進(jìn)行分組是安全的。例如，如果將基因產(chǎn)物X注釋為具有酪氨酸激酶活性，并且本體論證明酪氨酸激酶活性是激酶活性的一種（類型），那么我們可以安全地得出結(jié)論，基因產(chǎn)物X具有激酶活性。

利用上面得到結(jié)論，我們可以將is a關(guān)系和其他關(guān)系類型結(jié)合來推斷，下圖表示了可以推斷的關(guān)系：

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2.part of

關(guān)系的一部分用于表示整個部分的關(guān)系。 part of 只有當(dāng)B一定是A的一部分時，才會在A和B之間部分關(guān)系：無論B存在于何處，它都是A的一部分，B的存在意味著A的存在。但是，考慮到A的出現(xiàn)，我們不能肯定地說B的存在。

使用的 part of 進(jìn)行分組注釋是安全的。 例如，如果將基因產(chǎn)物X標(biāo)注為位于線粒體內(nèi)膜上，而本體論記錄了線粒體內(nèi)膜與線粒體之間的關(guān)系的一部分，則可以安全地得出結(jié)論X位于線粒體內(nèi)。

利用上面得到結(jié)論，我們可以將part of關(guān)系和其他關(guān)系類型結(jié)合來推斷，下圖表示了可以推斷的關(guān)系：

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3.has part

has part是對關(guān)系部分的邏輯補(bǔ)充，它從父級的角度代表了“部分-整體”關(guān)系。

與 part of 一樣，GO關(guān)系 has part 僅在A始終將B作為一部分的情況下使用，即A必定具有B的部分。 但是，如果B存在，我們不能肯定地說A存在。 即所有A都有B部分，但是A只是B的一部分。

使用has part注釋進(jìn)行分組是不正確的。 例如，我們可以在本體論中斷言受體酪氨酸激酶活性具有部分激酶活性。 然而，將所有注釋歸類到受體酪氨酸激酶活性下的激酶活性將是不正確的。

利用上面得到結(jié)論，我們可以將has part關(guān)系和其他關(guān)系類型結(jié)合來推斷，下圖表示了可以推斷的關(guān)系：

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4.regulates

一種過程直接影響另一種過程或質(zhì)量的表現(xiàn)，即前者調(diào)節(jié)后者。 調(diào)節(jié)的目標(biāo)可以是另一種過程，例如調(diào)節(jié)途徑或酶促反應(yīng)，或者可以是質(zhì)量，例如細(xì)胞大小或pH。 與 part of 關(guān)系類似，該關(guān)系專門用于表示必定的調(diào)節(jié)：如果同時存在A和B，則B總是調(diào)節(jié)A，但是A可能不總是受B調(diào)節(jié)，即所有B都調(diào)節(jié)A; 一些A受B調(diào)節(jié)。

如果將基因產(chǎn)物X注釋為參與調(diào)節(jié)糖酵解的過程，則不能得出結(jié)論X參與糖酵解是不正確的。 但是，某些工具使用調(diào)節(jié)關(guān)系來對批注進(jìn)行分組, 這可用于基因集富集, 所得的基因集包括與分組術(shù)語有因果關(guān)系的過程中涉及的基因。

利用上面得到結(jié)論，我們可以將regulates關(guān)系和其他關(guān)系類型結(jié)合來推斷，下圖表示了可以推斷的關(guān)系：

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GO 圖（有向無環(huán)圖）

GO的結(jié)構(gòu)可以用下圖來表示，這個圖也叫有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph ，DAG）。

在圖論中，如果一個有向圖無法從某個頂點(diǎn)出發(fā)經(jīng)過若干條邊回到該點(diǎn),那么這個圖就是有向無環(huán)圖。

因?yàn)橛邢驁D中一個點(diǎn)經(jīng)過兩種路線到達(dá)另一個點(diǎn)未必形成環(huán)，因此有向無環(huán)圖未必能轉(zhuǎn)化成樹，但任何有向樹均為有向無環(huán)圖。

下圖中從左到右依次是有向樹，有向無環(huán)圖，有向圖

[圖片上傳失敗...(image-86992e-1577605977480)]

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如上圖所示，三個GO域（細(xì)胞成分，生物學(xué)過程和分子功能）分別由一個單獨(dú)的根本體術(shù)語表示。

一個域中的所有術(shù)語都可以將其父源追溯到一個根術(shù)語，通過到本體根的中間術(shù)語可能存在許多不同的路徑。

這三個根節(jié)點(diǎn)是不相關(guān)的，并且沒有公共的父節(jié)點(diǎn)，這意味著來自不同本體的術(shù)語之間沒有任何關(guān)系。但是，GO本體之間也存在其他關(guān)系，例如，分子功能術(shù)語“細(xì)胞周期蛋白依賴性蛋白激酶活性”是生物過程“細(xì)胞周期”的一部分。GO本體間相關(guān)http://geneontology.org/docs/ontology-relations/。

某些基于圖的軟件可能需要一個根節(jié)點(diǎn)。在這種情況下，可以將“假”術(shù)語添加為三個現(xiàn)有根節(jié)點(diǎn)的代。

GO的動態(tài)更新

GO只代表生物學(xué)的當(dāng)前認(rèn)知，因此隨著生物學(xué)知識的積累，它會不斷地被修訂和擴(kuò)展。也就是說目前的GO術(shù)語不一定代表某個基因產(chǎn)物所有的功能，組分或參加的過程，只是現(xiàn)階段對它的認(rèn)知。

每周更新一次，由GOC本體團(tuán)隊(duì)與請求更新的科學(xué)家共同完成的。