Door een celbiologische bril, is de studie van genexpressie nauw verbonden met ons begrip van eiwitten. Sinds het vroege werk van Christian Anfinsen in de jaren 1950, weten we dat de volgorde van de aminozuren in een eiwit zijn uiteindelijke driedimensionale structuur bepaalt. In het verlengde daarvan hebben wetenschappers herhaaldelijk vastgesteld dat de structuur van een eiwit bepaalt waar het zal werken en wat het zal doen. Nergens is dit duidelijker gebleken dan bij de functie van enzymen. De vorm en structuur van eiwitten is een cruciaal aspect van de biologie van genexpressie en verbindt ons begrip van genexpressie met de biologie van de cel. Hoewel de studie van genexpressie in de eerste plaats betrekking heeft op eiwitmoleculen die inwerken op DNA- en RNA-sequenties, zoals transcriptiefactoren en histonen, richt zij zich ook op de vraag waar in de cel de expressie wordt gemoduleerd. In feite kan de modulatie van genexpressie plaatsvinden in de kern, het cytoplasma, of zelfs bij het celmembraan als gevolg van de invloed van eiwitten op RNA in die cellulaire subregio’s.
Hoe bestuderen wetenschappers de vorm en functie van eiwitten? Een techniek die massaspectrometrie heet, stelt wetenschappers in staat de aminozuren in een eiwit te sequencen. Nadat een sequentie bekend is, kunnen wetenschappers door vergelijking van de aminozuursequentie met databases ontdekken of er verwante proteïnen zijn waarvan de functie al bekend is. Vaak zullen gelijksoortige aminozuursequenties gelijksoortige functies in een cel hebben. Aan de hand van de aminozuursequentie kunnen wetenschappers ook de lading van het molecuul voorspellen, de grootte ervan, en de waarschijnlijke driedimensionale structuur. De lading en grootte kunnen later experimenteel worden bevestigd (via SDS-PAGE en tweedimensionale gels). Om de fijne kneepjes van de driedimensionale structuur af te leiden, zullen wetenschappers proberen het eiwit te kristalliseren om de moleculaire structuur ervan te bevestigen door middel van röntgenkristallografie en/of kernspinresonantiespectroscopie (pNMR).
Hoe bestuderen wetenschappers de invloed van eiwitten op genen of andere eiwitten? Een goede manier om de functie van het eiwit te bestuderen is te kijken wat er in de cel gebeurt als het eiwit niet aanwezig is. Hiervoor gebruiken wetenschappers modelsystemen, zoals celkweek of hele organismen, waarin ze de functie van specifieke eiwitten of genen kunnen testen door ze te wijzigen of te muteren. Het expressieniveau van een gen kan worden berekend door het getranscribeerde mRNA te meten (northern blot), het tot expressie gebrachte eiwit (Western Blot), of door het eiwit of mRNA rechtstreeks te kleuren wanneer het zich nog in de cel bevindt. Nieuwe technieken hebben de manier veranderd waarop we genexpressie bestuderen – DNA microarrays, seriële analyse van genexpressie (SAGE), en high-throughput sequencing maken grotere screens van meerdere moleculen tegelijk mogelijk en hebben de mogelijkheid geopend voor nieuwe en bredere soorten vragen. Om grote datasets te analyseren en te zien hoe netwerken van moleculen op elkaar inwerken, biedt een nieuwe discipline, systeembiologie genaamd, het kader voor deze grotere en meer geïntegreerde inzichten in regulerende netwerken.
Intrigerend is dat eiwitten niet de enige genregulatoren zijn. Regulerende moleculen komen in de vorm van RNA en werken in op andere nucleïnezuren door deze te veranderen of te verstoren. Eén voorbeeld is de familie van riboswitches, ribonucleïnezuurmoleculen die driedimensionale structuren vormen die de transcriptie stoppen of verstoren, mits het juiste externe signaal wordt gegeven. Een ander voorbeeld van RNA dat inwerkt op ander RNA is het mechanisme van RNA-interferentie (RNAi), waarbij dubbelstrengs RNA-moleculen het mRNA vóór de translatie afbreken en zo de expressie van eiwitten effectief belemmeren. De ontleding van dit mechanisme en de daaropvolgende experimentele nabootsing ervan is een zegen geweest voor hen die geïnteresseerd zijn in het manipuleren van de genfunctie.
Uiteindelijk zijn de resultaten van dit soort studies van fundamenteel belang, van het basisbegrip van normale celfuncties, zoals celdifferentiatie, -groei en -deling, tot het verstrekken van informatie over radicaal nieuwe benaderingen voor de behandeling van ziekten. In feite kunnen sommige ziekten bij de mens gewoon het gevolg zijn van een defect in de driedimensionale structuur van een eiwit. Door genexpressie en eiwitten te bestuderen, is het gemakkelijk te zien hoe minieme veranderingen op moleculair niveau een weerklank hebben.
Afbeelding: Biochemische Algoritmen Bibliotheek.