Durch die Brille der Zellbiologie ist das Studium der Genexpression eng mit unserem Verständnis von Proteinen verbunden. Seit den frühen Arbeiten von Christian Anfinsen in den 1950er Jahren wissen wir, dass die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein seine endgültige dreidimensionale Struktur bestimmt. In der Folge haben Wissenschaftler immer wieder festgestellt, dass die Struktur eines Proteins vorgibt, wo es wirken und was es tun wird. Nirgendwo ist dies so offensichtlich wie bei der Funktion von Enzymen. Die Form und Struktur von Proteinen ist ein entscheidender Aspekt der Biologie der Genexpression und verbindet unser Verständnis der Genexpression mit der Biologie der Zelle. Während es in erster Linie um Proteinmoleküle geht, die auf DNA- und RNA-Sequenzen einwirken, wie Transkriptionsfaktoren und Histone, konzentriert sich die Untersuchung der Genexpression auch darauf, wo in der Zelle die Expression moduliert wird. Die Modulation der Genexpression kann nämlich im Zellkern, im Zytoplasma oder sogar an der Zellmembran stattfinden, und zwar aufgrund der Auswirkungen von Proteinen auf die RNA in diesen zellulären Teilbereichen.
Wie untersuchen Wissenschaftler die Form und Funktion von Proteinen? Eine Technik namens Massenspektrometrie ermöglicht es Wissenschaftlern, die Aminosäuren in einem Protein zu sequenzieren. Nachdem eine Sequenz bekannt ist, können Wissenschaftler durch den Vergleich der Aminosäuresequenz mit Datenbanken feststellen, ob es verwandte Proteine gibt, deren Funktion bereits bekannt ist. Oft haben ähnliche Aminosäuresequenzen auch ähnliche Funktionen in einer Zelle. Die Aminosäuresequenz ermöglicht es den Wissenschaftlern auch, die Ladung des Moleküls, seine Größe und seine wahrscheinliche dreidimensionale Struktur vorherzusagen. Die Ladung und die Größe können später experimentell bestätigt werden (durch SDS-PAGE und zweidimensionale Gele). Um die Feinheiten der dreidimensionalen Struktur herauszufinden, versuchen die Wissenschaftler, das Protein zu kristallisieren, um seine Molekularstruktur durch Röntgenkristallographie und/oder Kernspinresonanzspektroskopie (pNMR) zu bestätigen.
Wie untersuchen Wissenschaftler die Auswirkungen von Proteinen auf Gene oder andere Proteine? Eine gute Möglichkeit, die Funktion eines Proteins zu untersuchen, ist zu sehen, was in der Zelle passiert, wenn das Protein nicht vorhanden ist. Dazu verwenden Wissenschaftler Modellsysteme wie Zellkulturen oder ganze Organismen, in denen sie die Funktion bestimmter Proteine oder Gene testen können, indem sie diese verändern oder mutieren. Das Expressionsniveau eines Gens kann durch Messung der transkribierten mRNA (Northern Blot), des exprimierten Proteins (Western Blot) oder durch direktes Anfärben des Proteins oder der mRNA, wenn es sich noch in der Zelle befindet, ermittelt werden. Neue Techniken haben die Art und Weise, wie wir die Genexpression untersuchen, verändert – DNA-Microarrays, serielle Analyse der Genexpression (SAGE) und Hochdurchsatz-Sequenzierung ermöglichen größere Screenings mehrerer Moleküle gleichzeitig und haben die Möglichkeit eröffnet, neue und umfassendere Fragen zu stellen. Um große Datensätze zu analysieren und zu sehen, wie Netzwerke von Molekülen interagieren, bietet eine neue Disziplin, die Systembiologie, den Rahmen für ein umfassenderes und integrierteres Verständnis von regulatorischen Netzwerken.
Interessanterweise sind Proteine nicht die einzigen Genregulatoren. Regulatorische Moleküle kommen in Form von RNA vor und wirken auf andere Nukleinsäuren, indem sie diese verändern oder stören. Ein Beispiel ist die Familie der Riboswitches, Ribonukleinsäuremoleküle, die dreidimensionale Strukturen bilden, die die Transkription stoppen oder stören, wenn das richtige externe Signal gegeben wird. Ein weiteres Beispiel für RNA, die auf andere RNA einwirkt, ist der Mechanismus der RNA-Interferenz (RNAi), bei dem doppelsträngige RNA-Moleküle die mRNA vor der Translation abbauen und so die Proteinexpression effektiv stören. Die Entschlüsselung dieses Mechanismus und seine anschließende experimentelle Nachahmung waren ein Segen für alle, die an der Beeinflussung von Genfunktionen interessiert sind.
Letztendlich sind die Ergebnisse dieser Art von Studien von grundlegender Bedeutung, vom grundlegenden Verständnis normaler Zellfunktionen wie Zelldifferenzierung, -wachstum und -teilung bis hin zu grundlegend neuen Ansätzen für die Behandlung von Krankheiten. Tatsächlich können einige menschliche Krankheiten einfach durch einen Defekt in der dreidimensionalen Struktur eines Proteins entstehen. Anhand der Untersuchung der Genexpression und der Proteine lässt sich leicht erkennen, wie winzige Veränderungen auf molekularer Ebene weitreichende Auswirkungen haben.
Bild: Biochemical Algorithms Library.