A sejtbiológia szemszögéből nézve a génexpresszió tanulmányozása szorosan kapcsolódik a fehérjék megértéséhez. Christian Anfinsen 1950-es években végzett korai munkája óta tudjuk, hogy egy fehérje végső háromdimenziós szerkezetét az aminosavak sorrendje határozza meg. Ebből következően a tudósok ismételten megfigyelték, hogy a fehérje szerkezete diktálja, hogy hol fog hatni és mit fog tenni. Ez sehol sem volt nyilvánvalóbb, mint az enzimek működésénél. A fehérjék alakja és szerkezete a génexpresszió biológiájának egyik kulcsfontosságú aspektusa, és összekapcsolja a génexpresszió megértését a sejt biológiájával. Bár elsősorban a DNS- és RNS-szekvenciákra ható fehérjemolekulákkal, például a transzkripciós faktorokkal és a hisztonokkal foglalkozik, a génexpresszió tanulmányozása arra is összpontosít, hogy a sejtben hol módosul az expresszió. A génexpresszió modulációja ugyanis a sejtmagban, a citoplazmában vagy akár a sejtmembránban is bekövetkezhet a fehérjéknek az RNS-re gyakorolt hatása miatt ezekben a sejtszintű alrégiókban.
Hogyan tanulmányozzák a tudósok a fehérjék alakját és működését? A tömegspektrometriának nevezett technika lehetővé teszi a tudósok számára, hogy szekvenálják a fehérje aminosavait. Miután egy szekvencia ismert, az aminosav-szekvencia adatbázisokkal való összehasonlítása lehetővé teszi a tudósok számára, hogy felfedezzék, vannak-e olyan rokon fehérjék, amelyek funkciója már ismert. Gyakran előfordul, hogy a hasonló aminosav-szekvenciáknak hasonló funkciójuk van egy sejtben. Az aminosav-szekvencia azt is lehetővé teszi a tudósok számára, hogy megjósolják a molekula töltését, méretét és valószínű háromdimenziós szerkezetét. A töltés és a méret később kísérleti úton (SDS-PAGE és kétdimenziós gélek segítségével) megerősíthető. A háromdimenziós szerkezet fortélyainak kikövetkeztetéséhez a tudósok megpróbálják kristályosítani a fehérjét, hogy röntgenkrisztallográfiával és/vagy nukleáris mágneses rezonancia spektroszkópiával (pNMR) megerősítsék a molekulaszerkezetét.
Hogyan vizsgálják a tudósok a fehérjéknek a génekre vagy más fehérjékre gyakorolt hatását? A fehérje működésének tanulmányozására jó módszer, ha megnézzük, mi történik a sejtben, amikor a fehérje nincs jelen. Ehhez a tudósok modellrendszereket használnak, például sejtkultúrákat vagy egész szervezeteket, amelyekben bizonyos fehérjék vagy gének működését tesztelhetik azok módosításával vagy mutációjával. Egy gén expressziós szintje kiszámítható az átírt mRNS (northern blot), az expresszált fehérje (Western Blot) vagy a fehérje vagy mRNS közvetlen festésével, amikor az még a sejtben van. Az új technikák megváltoztatták a génexpresszió vizsgálatának módját – a DNS-mikrotáblák, a génexpresszió sorozatos elemzése (SAGE) és a nagy áteresztőképességű szekvenálás lehetővé teszi több molekula egyidejű, nagyobb szűrését, és új és szélesebb körű kérdések lehetőségét nyitotta meg. A nagy adathalmazok elemzéséhez és annak megismeréséhez, hogy a molekulák hálózatai hogyan hatnak egymásra, a rendszerbiológia nevű új tudományág biztosítja a keretet a szabályozó hálózatok e nagyobb és integráltabb megértéséhez.
Érdekes, hogy nem a fehérjék az egyetlen génszabályozók. A szabályozó molekulák RNS formájában érkeznek, és más nukleinsavakra hatnak azáltal, hogy megváltoztatják vagy megzavarják azokat. Az egyik példa erre a ribokapcsolók családja, ribonukleinsavmolekulák, amelyek olyan háromdimenziós struktúrákat alkotnak, amelyek megfelelő külső jel esetén leállítják vagy megzavarják az átírást. Egy másik példa arra, hogy az RNS más RNS-ekre hat, az RNS-interferencia (RNSi) mechanizmusa, amelynek során a kettős szálú RNS-molekulák a transzláció előtt lebontják az mRNS-t, és így hatékonyan zavarják a fehérjék kifejeződését. Ennek a mechanizmusnak a feltárása és az azt követő kísérleti utánzása nagy segítséget jelentett a génműködés manipulálása iránt érdeklődők számára.
Az ilyen típusú vizsgálatok eredményei végül alapvető jelentőséggel bírnak, a normális sejtműködés – például a sejtdifferenciálódás, a növekedés és az osztódás – alapvető megértésétől a betegségek kezelésének radikálisan új megközelítéseinek megismeréséig. Valójában néhány emberi betegség egyszerűen egy fehérje háromdimenziós szerkezetének hibájából eredhet. A génexpresszió és a fehérjék tanulmányozásán keresztül könnyen belátható, hogy a molekuláris szinten bekövetkező apró változásoknak milyen visszhangos hatása van.
Kép: Biochemical Algorithms Library.