Prin prisma biologiei celulare, studiul expresiei genelor este strâns legat de înțelegerea noastră a proteinelor. De la lucrările timpurii ale lui Christian Anfinsen din anii 1950, știm că secvența de aminoacizi dintr-o proteină determină structura sa tridimensională finală. Pornind de la aceasta, oamenii de știință au observat în mod repetat că structura proteinei dictează unde va acționa și ce va face. Nicăieri acest lucru nu a fost mai evident decât în cazul funcției enzimelor. Forma și structura proteinelor reprezintă un aspect crucial al biologiei expresiei genice și face legătura între înțelegerea noastră a expresiei genice și biologia celulei. Deși se ocupă în primul rând de moleculele proteice care acționează asupra secvențelor de ADN și ARN, cum ar fi factorii de transcripție și histonele, studiul expresiei genice se concentrează, de asemenea, asupra locului din celulă în care este modulată expresia. De fapt, modularea expresiei genice poate avea loc în nucleu, în citoplasmă sau chiar la nivelul membranei celulare, datorită impactului proteinelor asupra ARN-ului din aceste subregiuni celulare.
Cum studiază oamenii de știință forma și funcția proteinelor? O tehnică numită spectrometrie de masă permite oamenilor de știință să secvențieze aminoacizii dintr-o proteină. După ce o secvență este cunoscută, compararea secvenței sale de aminoacizi cu bazele de date permite oamenilor de știință să descopere dacă există proteine înrudite a căror funcție este deja cunoscută. Adesea, secvențe similare de aminoacizi vor avea funcții similare în cadrul unei celule. Secvența de aminoacizi permite, de asemenea, oamenilor de știință să prezică sarcina moleculei, dimensiunea sa și structura sa tridimensională probabilă. Sarcina și dimensiunea pot fi confirmate ulterior pe cale experimentală (prin SDS-PAGE și geluri bidimensionale). Pentru a deduce complexitatea structurii tridimensionale, oamenii de știință vor încerca să cristalizeze proteina pentru a-i confirma structura moleculară prin cristalografie cu raze X și/sau spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară (pNMR).
Cum studiază oamenii de știință impactul proteinelor asupra genelor sau a altor proteine? O modalitate bună de a studia funcția proteinei este de a vedea ce se întâmplă în celulă atunci când proteina nu este prezentă. Pentru aceasta, oamenii de știință folosesc sisteme model, cum ar fi cultura de celule sau organisme întregi, în care pot testa funcția unor proteine sau gene specifice prin modificarea sau mutarea acestora. Nivelul de expresie al unei gene poate fi calculat prin măsurarea ARNm transcris (Northern Blot), a proteinei exprimate (Western Blot) sau prin colorarea directă a proteinei sau a ARNm atunci când aceasta se află încă în celulă. Noile tehnici au schimbat modul în care studiem expresia genelor – microrețelele de ADN, analiza în serie a expresiei genelor (SAGE) și secvențierea de mare capacitate permit realizarea unor ecrane mai mari ale mai multor molecule simultan și au deschis posibilitatea unor tipuri noi și mai ample de întrebări. Pentru a analiza seturi mari de date și a vedea cum interacționează rețelele de molecule, o nouă disciplină numită biologia sistemelor oferă cadrul pentru aceste înțelegeri mai mari și mai integrate ale rețelelor de reglementare.
Interesant este faptul că proteinele nu sunt singurii regulatori de gene. Moleculele de reglementare vin sub formă de ARN și acționează asupra altor acizi nucleici prin modificarea sau întreruperea lor. Un exemplu este familia de riboswitch-uri, molecule de acid ribonucleic care formează structuri tridimensionale care opresc sau interferează cu transcrierea, având în vedere semnalul extern adecvat. Un alt exemplu de ARN care acționează asupra altor ARN este mecanismul de interferență ARN (ARNi), prin care moleculele de ARN dublu catenar degradează ARNm înainte de traducere, interferând astfel în mod eficient cu expresia proteică. Disecția acestui mecanism și imitarea sa experimentală ulterioară a fost un avantaj pentru cei interesați în manipularea funcției genice.
În cele din urmă, rezultatele acestor tipuri de studii au o relevanță fundamentală, de la înțelegerea de bază a funcției celulare normale, cum ar fi diferențierea, creșterea și diviziunea celulară, până la informarea unor abordări radical noi pentru tratarea bolilor. De fapt, unele boli umane pot apărea pur și simplu din cauza unui defect în structura tridimensională a unei proteine. Prin studierea expresiei genelor și a proteinelor, este ușor de văzut cum schimbările minuscule la nivel molecular au un impact reverberant.
Imagine: Biblioteca Algoritmelor Biochimice.