Przez pryzmat biologii komórki, badanie ekspresji genów jest ściśle związane z naszym rozumieniem białek. Od wczesnej pracy Christiana Anfinsena w latach 50. wiemy, że sekwencja aminokwasów w białku określa jego ostateczną trójwymiarową strukturę. W następstwie tego naukowcy wielokrotnie zaobserwowali, że struktura białka dyktuje, gdzie będzie ono działać i co będzie robić. Nigdzie nie było to bardziej oczywiste niż w przypadku funkcji enzymów. Kształt i struktura białek jest kluczowym aspektem biologii ekspresji genów i łączy nasze rozumienie ekspresji genów z biologią komórki. Choć w pierwszej kolejności zajmujemy się cząsteczkami białkowymi, które oddziałują na sekwencje DNA i RNA, takimi jak czynniki transkrypcyjne i histony, badanie ekspresji genów koncentruje się również na tym, gdzie w komórce ekspresja jest modulowana. W rzeczywistości, modulacja ekspresji genów może wystąpić w jądrze, cytoplazmie, a nawet w błonie komórkowej ze względu na wpływ białek na RNA w tych subregionach komórkowych.
Jak naukowcy badają kształt i funkcję białek? Technika zwana spektrometrią mas pozwala naukowcom na sekwencjonowanie aminokwasów w białku. Gdy sekwencja jest już znana, porównanie jej sekwencji aminokwasów z bazami danych pozwala naukowcom odkryć, czy istnieją pokrewne białka, których funkcja jest już znana. Często podobne sekwencje aminokwasów będą miały podobne funkcje w komórce. Sekwencja aminokwasów pozwala również przewidzieć ładunek cząsteczki, jej rozmiar i prawdopodobną strukturę trójwymiarową. Ładunek i rozmiar mogą być później potwierdzone eksperymentalnie (poprzez SDS-PAGE i żele dwuwymiarowe). Aby wydedukować zawiłości struktury trójwymiarowej, naukowcy spróbują skrystalizować białko, aby potwierdzić jego strukturę molekularną poprzez krystalografię rentgenowską i/lub spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego (pNMR).
Jak naukowcy badają wpływ białek na geny lub inne białka? Dobrym sposobem na zbadanie funkcji białka jest sprawdzenie, co dzieje się w komórce, gdy białko nie jest obecne. W tym celu naukowcy wykorzystują systemy modelowe, takie jak hodowle komórkowe lub całe organizmy, w których mogą badać funkcję określonych białek lub genów poprzez ich modyfikację lub mutację. Poziom ekspresji genu może być obliczony poprzez pomiar transkrybowanego mRNA (Northern Blot), wyrażonego białka (Western Blot) lub poprzez bezpośrednie barwienie białka lub mRNA, gdy jest ono jeszcze w komórce. Nowe techniki zmieniły sposób badania ekspresji genów – mikromacierze DNA, seryjna analiza ekspresji genów (SAGE) i sekwencjonowanie o wysokiej wydajności pozwalają na badanie wielu cząsteczek jednocześnie i otwierają możliwość stawiania nowych, szerszych pytań. Aby analizować duże zbiory danych i zobaczyć, jak sieci cząsteczek oddziałują na siebie, nowa dyscyplina zwana biologią systemów zapewnia ramy dla tych większych i bardziej zintegrowanych zrozumień sieci regulacyjnych.
Co ciekawe, białka nie są jedynymi regulatorami genów. Cząsteczki regulacyjne występują w postaci RNA i działają na inne kwasy nukleinowe poprzez ich zmianę lub zakłócenie. Jednym z przykładów jest rodzina ryboswitchy, cząsteczek kwasu rybonukleinowego, które tworzą trójwymiarowe struktury, które zatrzymują lub zakłócają transkrypcję, biorąc pod uwagę odpowiedni sygnał zewnętrzny. Innym przykładem działania RNA na inne RNA jest mechanizm interferencji RNA (RNAi), w którym dwuniciowe cząsteczki RNA degradują mRNA przed translacją, skutecznie zaburzając ekspresję białek. Rozbiór tego mechanizmu i jego późniejsza eksperymentalna imitacja była dobrodziejstwem dla osób zainteresowanych manipulowaniem funkcją genu.
Wreszcie, wyniki z tego rodzaju badań mają fundamentalne znaczenie, od podstawowego zrozumienia normalnej funkcji komórki, takiej jak różnicowanie komórek, wzrost i podział, do informowania o radykalnie nowych podejściach do leczenia chorób. W rzeczywistości, niektóre choroby człowieka mogą wynikać po prostu z defektu w trójwymiarowej strukturze białka. Poprzez badanie ekspresji genów i białek, łatwo jest zobaczyć, jak drobne zmiany na poziomie molekularnym mają pogłębiający się wpływ.
Obraz: Biblioteka Algorytmów Biochemicznych.