Studium genové exprese je z pohledu buněčné biologie úzce spjato s poznáním proteinů. Od raných prací Christiana Anfinsena z 50. let 20. století víme, že pořadí aminokyselin v bílkovině určuje její konečnou trojrozměrnou strukturu. V návaznosti na to vědci opakovaně pozorovali, že struktura proteinu určuje, kde bude působit a co bude dělat. Nikde to nebylo tak zřejmé jako u funkce enzymů. Tvar a struktura proteinů je klíčovým aspektem biologie genové exprese a spojuje naše chápání genové exprese s biologií buňky. Studium genové exprese se sice primárně zabývá bílkovinnými molekulami, které působí na sekvence DNA a RNA, jako jsou transkripční faktory a histony, ale zaměřuje se také na to, kde v buňce je exprese modulována. K modulaci genové exprese totiž může docházet v jádře, cytoplazmě nebo dokonce na buněčné membráně v důsledku vlivu proteinů na RNA v těchto buněčných podoblastech.
Jak vědci studují tvar a funkci proteinů? Technika zvaná hmotnostní spektrometrie umožňuje vědcům sekvenovat aminokyseliny v proteinu. Poté, co je sekvence známa, porovnání sekvence aminokyselin s databázemi umožňuje vědcům zjistit, zda existují příbuzné proteiny, jejichž funkce je již známa. Podobné sekvence aminokyselin budou mít často v buňce podobné funkce. Sekvence aminokyselin také umožňuje vědcům předpovědět náboj molekuly, její velikost a pravděpodobnou trojrozměrnou strukturu. Náboj a velikost lze později potvrdit experimentálně (pomocí SDS-PAGE a dvojrozměrných gelů). Aby vědci odvodili složitosti trojrozměrné struktury, pokusí se protein vykrystalizovat a potvrdit jeho molekulární strukturu pomocí rentgenové krystalografie a/nebo spektroskopie nukleární magnetické rezonance (pNMR).
Jak vědci studují vliv proteinů na geny nebo jiné proteiny? Dobrým způsobem, jak studovat funkci proteinu, je zjistit, co se děje v buňce, když protein není přítomen. K tomu vědci používají modelové systémy, jako jsou buněčné kultury nebo celé organismy, v nichž mohou testovat funkci konkrétních proteinů nebo genů jejich modifikací nebo mutací. Úroveň exprese genu lze vypočítat měřením přepsané mRNA (northern blot), exprimovaného proteinu (Western blot) nebo přímým barvením proteinu nebo mRNA, když je ještě v buňce. Nové techniky změnily způsob, jakým studujeme genovou expresi – mikročipy DNA, sériová analýza genové exprese (SAGE) a vysoce výkonné sekvenování umožňují větší screeningy více molekul současně a otevřely možnost nových a širších druhů otázek. Aby bylo možné analyzovat velké soubory dat a zjistit, jak se sítě molekul vzájemně ovlivňují, poskytuje rámec pro toto větší a integrovanější pochopení regulačních sítí nová disciplína zvaná systémová biologie.
Zajímavé je, že proteiny nejsou jedinými genovými regulátory. Regulační molekuly mají podobu RNA a působí na jiné nukleové kyseliny tím, že je mění nebo narušují. Jedním z příkladů je rodina riboswitchů, molekul ribonukleové kyseliny, které vytvářejí trojrozměrné struktury, jež při vhodném vnějším signálu zastavují nebo narušují transkripci. Dalším příkladem působení RNA na jiné RNA je mechanismus RNA interference (RNAi), kdy dvouřetězcové molekuly RNA degradují mRNA před translací, čímž účinně zasahují do exprese bílkovin. Rozluštění tohoto mechanismu a jeho následné experimentální napodobení bylo přínosem pro zájemce o manipulaci s funkcí genů.
Výsledky studií tohoto druhu mají nakonec zásadní význam, od základního pochopení normální funkce buněk, jako je jejich diferenciace, růst a dělení, až po získání informací pro radikálně nové přístupy k léčbě nemocí. Některá lidská onemocnění totiž mohou vzniknout jednoduše na základě defektu v trojrozměrné struktuře proteinu. Díky studiu genové exprese a proteinů je snadné vidět, jak nepatrné změny na molekulární úrovni mají ohlas.
Obrázek: Knihovna biochemických algoritmů.