Een overzicht van genexpressie

Gene expressie is het proces waarbij de informatie in het DNA van een cel wordt gebruikt om functionele producten te maken. Deze zorgvuldig georchestreerde procedure wordt gereguleerd in verschillende stadia, en wanregulatie kan vaak leiden tot ziekten zoals kanker.

Deze video geeft een overzicht van de geschiedenis van gene expressieonderzoek, belangrijke vragen, methoden in het veld en hoe deze technieken worden toegepast.

We beginnen met het bespreken van enkele belangrijke ontdekkingen over gene expressie.

Het eerste overtuigende model voor hoe DNA genetische informatie zou kunnen dragen, werd in 1953 vastgesteld, toen Francis Crick en James Watson, met hulp van Rosalind Franklin's gegevens, de structuur van DNA oplosten - een dubbele helix gemaakt van twee lineaire ketens van nucleotidebasen die in een gedefinieerde, maar oneindig variabele, volgorde zijn gerangschikt.

Vijf jaar later stelde Crick twee belangrijke ideeën voor die de ruggengraat zouden vormen van ons begrip van gene expressie. Zijn "sequentiehypothese" suggereerde dat de nucleotidesequentie van DNA, via een onstabiel RNA-intermediair, wordt gebruikt als een code voor de aminozuursequenties van eiwitten. Tegelijkertijd stelde zijn "centraal dogma" de verschillende stromen van genetische informatie voor die kunnen optreden, en hield in het bijzonder vast dat informatie niet kan worden overgedragen van eiwit terug naar nucleïnezuren.

In 1960 stelden François Jacob en Jacques Monod - door hun werk aan lactose-metaboliserende genen in bacteriën - een model voor voor de regulatie van gene expressie. Ze suggereerden dat de expressie van "structurele genen", die structurele of enzymatische functies vervullen, wordt gecontroleerd door de producten van "regulatorische genen" die zich binden aan aangrenzende regulatoire sites. We weten nu dat substantieel vergelijkbare modi van gene regulatie, gemedieerd door eiwitten genaamd transcriptiefactoren, in alle organismen voorkomen.

Een jaar later, in 1961, ontdekte Jacob - samen met Sydney Brenner - boodschapper of "m"-RNA als het onstabiele intermediair tussen DNA en eiwitten dat Crick voorstelde. In datzelfde jaar begonnen Brenner en Crick het "genetisch code" te kraken, dat dicteert hoe informatie in DNA eiwitten codeert. Ze bepaalden dat elk drievoudig aangrenzende nucleotiden, of een "codon", een van de 20 aminozuren specificeert die eiwitten vormen.

Gedurende de volgende paar jaar gebruikten onderzoekers onder leiding van Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana en Severo Ochoa meerdere benaderingen om de aminozuren gecodeerd door alle 64 mogelijke codons te definiëren. Met het kraken van de genetische code, bleven wetenschappers onderzoeken hoe gene expressie wordt gereguleerd.

Een belangrijke ontdekking kwam in 1974, toen Roger Kornberg en collega's toonden dat DNA in eukaryote cellen, zoals die van dieren en planten, is "gewikkeld" rond complexen van histon-eiwitten, waardoor structuren ontstaan die nu "nucleosomen" worden genoemd. We weten nu dat veranderingen in chromatinestructuur belangrijke rollen spelen in gene regulatie.

Een andere wending kwam in 1977, toen Phil Sharp en Rich Roberts ontdekten dat mRNA-sequenties niet volledig complementair waren aan hun corresponderende DNA-sjablonen. Bepaalde "ontbrekende regio's", nu introns genoemd, worden verwijderd tussen de eiwitcoderende exonen in het volwassen RNA-transcript in een proces dat bekend staat als "splicing". Vijf jaar later toonde de onderzoeksgroep van Ronald Evans aan dat "alternatieve" splicing van hetzelfde transcript varianten, of "isovormen", van hetzelfde eiwit met verschillende functies kan produceren.

Sinds de jaren negentig is ons begrip van de complexiteit van gene-regulerende netwerken dramatisch uitgebreid met de ontdekking van RNA-gemedieerde gene silencing. We weten nu dat verschillende families van kleine RNA's, met leden die 20-30 nucleotiden groot zijn, gene expressie op verschillende manieren reguleren.

Na het bekijken van de geschiedenis van gene expressieonderzoek, laten we eens kijken naar enkele belangrijke vragen in het veld.

Een onderwerp dat wordt onderzocht, is hoe transcriptiefactoren genen reguleren. Wetenschappers zijn niet alleen geïnteresseerd in het identificeren van de genomische sequenties die door transcriptiefactoren worden gebonden, maar kijken ook naar hoe regulerende eiwitten met elkaar interageren om signalen te integreren en gene expressie te reguleren.

Andere onderzoekers bestuderen alternatieve splicing, en hoe dit proces wordt gereguleerd in verschillende biologische contexten. Bovendien proberen sommigen van hen te bepalen of eiwitisovormen altijd verschillende, verschillende functies hebben.

Ten slotte onderzoeken veel onderzoekers de werkingsmechanismen van kleine RNA's en proberen ze hun regulerende doelen te identificeren. Er is ook een groeiende interesse in of kleine RNA's kunnen worden gebruikt als "biomarkers" om ziekten te diagnosticeren.

Nu, laten we kijken naar de hulpmiddelen die onderzoekers gebruiken om gene expressie te beoordelen.

Een populaire methode is reverse transcriptie, of "RT"-PCR, die RNA omzet in complementair of "c"-DNA voordat het wordt onderworpen aan amplificatie. Door fluorescerende moleculen op te nemen die tijdens PCR in het DNA worden opgenomen, is het mogelijk om deze techniek te gebruiken om gene expressie kwantitatief te meten en de resultaten in "real-time" te observeren.

Om gelijktijdig de expressie van duizenden genen te beoordelen, kunnen microarrays worden gebruikt. Hier worden DNA-sequenties op dia's "afgedrukt", die vervolgens worden gehybridiseerd met fluorescerende sondes die zijn gegenereerd uit monster-RNA. Het resulterende fluorescentiepatroon kan worden gebruikt om geëxpresseerde genen te identificeren.

Een andere techniek om gene expressie te profileren is het sequencen van de transcriptoom, of alle geëxpresseerde RNA's in een cel. Hier wordt cDNA gegenereerd uit RNA-monsters onderworpen aan high-throughput sequencing. In tegenstelling tot microarrays vereist transcriptoomsequencing geen bestaande genomische informatie en kan worden gebruikt om onbekende transcripten of nieuwe gene isovormen te identificeren.

Onderzoek