Med ett cellbiologiskt perspektiv är studiet av genuttryck nära kopplat till vår förståelse av proteiner. Sedan Christian Anfinsens tidiga arbete på 1950-talet vet vi att sekvensen av aminosyror i ett protein bestämmer dess slutliga tredimensionella struktur. Forskare har därefter upprepade gånger observerat att proteinets struktur dikterar var det kommer att verka och vad det kommer att göra. Ingenstans har detta varit tydligare än när det gäller enzymernas funktion. Proteinernas form och struktur är en avgörande aspekt av genuttrycksbiologin och kopplar vår förståelse av genuttryck till cellens biologi. Även om studiet av genuttryck i första hand handlar om proteinmolekyler som verkar på DNA- och RNA-sekvenser, t.ex. transkriptionsfaktorer och histoner, fokuserar studiet av genuttryck också på var i cellen uttrycket moduleras. Moduleringen av genuttrycket kan faktiskt ske i kärnan, cytoplasman eller till och med vid cellmembranet på grund av proteinernas inverkan på RNA i dessa cellulära delregioner.
Hur studerar forskare proteiners form och funktion? En teknik som kallas masspektrometri gör det möjligt för forskare att sekvensera aminosyrorna i ett protein. När en sekvens är känd kan forskarna genom att jämföra dess aminosyrasekvens med databaser upptäcka om det finns besläktade proteiner vars funktion redan är känd. Ofta har liknande aminosyrasekvenser liknande funktioner i en cell. Aminosyrasekvensen gör det också möjligt för forskarna att förutsäga molekylens laddning, dess storlek och dess troliga tredimensionella struktur. Laddningen och storleken kan senare bekräftas experimentellt (via SDS-PAGE och dubbeldimensionella geler). För att härleda detaljerna i den tredimensionella strukturen försöker forskarna kristallisera proteinet för att bekräfta dess molekylära struktur genom röntgenkristallografi och/eller kärnmagnetisk resonansspektroskopi (pNMR).
Hur studerar forskarna proteiners inverkan på gener eller andra proteiner? Ett bra sätt att studera proteinets funktion är att se vad som händer i cellen när proteinet inte är närvarande. För detta använder forskare modellsystem, såsom cellkulturer eller hela organismer, där de kan testa funktionen hos specifika proteiner eller gener genom att modifiera eller mutera dem. En gens uttrycksnivå kan beräknas genom att mäta det transkriberade mRNA (northern blot), det uttryckta proteinet (western blot) eller genom att direkt färga proteinet eller mRNA när det fortfarande finns i cellen. Nya tekniker har förändrat det sätt på vilket vi studerar genuttryck – DNA-mikroarrays, seriella analyser av genuttryck (SAGE) och sekvensering med hög kapacitet möjliggör större undersökningar av flera molekyler samtidigt och har öppnat möjligheten till nya och bredare typer av frågor. För att analysera stora datamängder och se hur nätverk av molekyler interagerar tillhandahåller en ny disciplin som kallas systembiologi ramen för dessa större och mer integrerade förståelser av regleringsnätverk.
Interessant nog är proteiner inte de enda genregulatorerna. Reglerande molekyler kommer i form av RNA och verkar på andra nukleinsyror genom att ändra eller störa dem. Ett exempel är familjen riboswitchar, ribonukleinsyramolekyler som bildar tredimensionella strukturer som stoppar eller stör transkriptionen, givet rätt extern signal. Ett annat exempel på RNA som verkar på annat RNA är mekanismen RNA-interferens (RNAi), där dubbelsträngade RNA-molekyler bryter ner mRNA före translation och därmed effektivt stör proteinuttrycket. Uppdelningen av denna mekanism och dess efterföljande experimentella imitation har varit en välsignelse för dem som är intresserade av att manipulera genernas funktion.
I slutändan har resultaten från denna typ av studier grundläggande relevans, från den grundläggande förståelsen av normal cellfunktion, t.ex. celldifferentiering, -tillväxt och -delning, till att ge information om radikalt nya tillvägagångssätt för behandling av sjukdomar. Faktum är att vissa mänskliga sjukdomar kan uppstå helt enkelt på grund av en defekt i ett proteins tredimensionella struktur. Genom att studera genuttryck och proteiner är det lätt att se hur små förändringar på molekylär nivå har en återverkande effekt.
Bild: Biochemical Algorithms Library.