Solubiologian näkökulmasta geeniekspression tutkimus liittyy kiinteästi proteiinien ymmärtämiseen. Christian Anfinsenin 1950-luvulla tekemästä varhaisesta työstä lähtien tiedämme, että proteiinin aminohappojen järjestys määrää sen lopullisen kolmiulotteisen rakenteen. Tämän jälkeen tutkijat ovat toistuvasti havainneet, että proteiinin rakenne määrää, missä se toimii ja mitä se tekee. Missään muualla tämä ei ole ollut niin ilmeistä kuin entsyymien toiminnassa. Proteiinien muoto ja rakenne on tärkeä osa geeniekspression biologiaa, ja se yhdistää geeniekspression ymmärtämisen solun biologiaan. Vaikka geeniekspression tutkimuksessa keskitytään ensisijaisesti DNA- ja RNA-sekvensseihin vaikuttaviin proteiinimolekyyleihin, kuten transkriptiotekijöihin ja histoneihin, siinä keskitytään myös siihen, missä päin solua ekspressiota muokataan. Itse asiassa geeniekspression modulaatio voi tapahtua ytimessä, sytoplasmassa tai jopa solukalvolla johtuen proteiinien vaikutuksesta RNA:han näillä solun osa-alueilla.
Miten tutkijat tutkivat proteiinien muotoa ja toimintaa? Massaspektrometriaksi kutsutun tekniikan avulla tutkijat voivat sekvensoida proteiinin aminohapot. Kun sekvenssi on tiedossa, vertaamalla sen aminohapposekvenssiä tietokantoihin tutkijat voivat selvittää, onko olemassa sukulaisproteiineja, joiden toiminta jo tunnetaan. Usein samankaltaisilla aminohapposekvensseillä on samanlainen tehtävä solussa. Aminohapposekvenssin avulla tutkijat voivat myös ennustaa molekyylin varauksen, koon ja todennäköisen kolmiulotteisen rakenteen. Varaus ja koko voidaan myöhemmin vahvistaa kokeellisesti (SDS-PAGE:n ja kaksiulotteisten geelien avulla). Kolmiulotteisen rakenteen koukeroiden päättelemiseksi tutkijat yrittävät kiteyttää proteiinin vahvistaakseen sen molekyylirakenteen röntgenkristallografian ja/tai ydinmagneettisen resonanssispektroskopian (pNMR) avulla.
Miten tutkijat tutkivat proteiinien vaikutusta geeneihin tai muihin proteiineihin? Hyvä tapa tutkia proteiinin toimintaa on katsoa, mitä solussa tapahtuu, kun proteiinia ei ole. Tätä varten tutkijat käyttävät mallijärjestelmiä, kuten soluviljelmiä tai kokonaisia organismeja, joissa he voivat testata tiettyjen proteiinien tai geenien toimintaa muuttamalla tai mutatoimalla niitä. Geenin ilmentymistaso voidaan laskea mittaamalla transkriptoitunutta mRNA:ta (northern blot), ilmentynyttä proteiinia (Western Blot) tai värjäämällä suoraan proteiinia tai mRNA:ta, kun se on vielä solussa. Uudet tekniikat ovat muuttaneet tapaa, jolla tutkimme geeniekspressiota – DNA-mikrosarjat, geeniekspression sarja-analyysi (SAGE) ja korkean läpimenon sekvensointi mahdollistavat useiden molekyylien laajemmat seulonnat samanaikaisesti ja ovat avanneet mahdollisuuden uudenlaisiin ja laajempiin kysymyksiin. Jotta voidaan analysoida suuria tietokokonaisuuksia ja nähdä, miten molekyylien verkostot ovat vuorovaikutuksessa keskenään, uusi tieteenala, jota kutsutaan systeemibiologiaksi, tarjoaa puitteet näille laajemmille ja kokonaisvaltaisemmille ymmärryksille säätelyverkostoista.
Huomionarvoista on, että proteiinit eivät ole ainoita geenien säätelijöitä. Säätelymolekyylit tulevat RNA:n muodossa ja vaikuttavat muihin nukleiinihappoihin muuttamalla tai häiritsemällä niitä. Yksi esimerkki on ribokytkimien perhe, ribonukleiinihappomolekyylit, jotka muodostavat kolmiulotteisia rakenteita, jotka pysäyttävät transkription tai häiritsevät sitä, kun saadaan asianmukainen ulkoinen signaali. Toinen esimerkki RNA:n vaikutuksesta toiseen RNA:han on RNA-interferenssimekanismi (RNAi), jossa kaksijuosteiset RNA-molekyylit hajottavat mRNA:ta ennen translaatiota ja häiritsevät siten tehokkaasti proteiinin ilmentymistä. Tämän mekanismin selvittäminen ja sen myöhempi kokeellinen jäljittely on ollut siunaus niille, jotka ovat kiinnostuneita geenien toiminnan manipuloinnista.
Loppujen lopuksi tämäntyyppisistä tutkimuksista saaduilla tuloksilla on perustavanlaatuista merkitystä solujen normaalin toiminnan, kuten solujen erilaistumisen, kasvun ja jakautumisen, perusymmärryksessä aina siihen, että niistä saadaan tietoa radikaalisti uusiin lähestymistapoihin sairauksien hoitamiseksi. Itse asiassa jotkin ihmisen sairaudet voivat johtua yksinkertaisesti proteiinin kolmiulotteisen rakenteen viasta. Geeniekspressiota ja proteiineja tutkimalla on helppo nähdä, miten pienillä molekyylitason muutoksilla on kauaskantoisia vaikutuksia.
Kuva: Biochemical Algorithms Library.