В области молекулярной биологии профилирование экспрессии генов — это измерение активности ( экспрессии ) тысяч генов одновременно для создания глобальной картины клеточных функций. Эти профили могут, например, различать активно делящиеся клетки или показывать, как клетки реагируют на определенное лечение. Во многих экспериментах такого рода одновременно измеряется весь геном , то есть каждый ген, присутствующий в конкретной клетке.
Для получения необходимых данных для анализа можно использовать несколько технологий транскриптомики . ДНК-микрочипы [1] измеряют относительную активность ранее идентифицированных генов-мишеней. Методы, основанные на секвенировании, такие как RNA-Seq , предоставляют информацию о последовательностях генов в дополнение к уровню их экспрессии.
Профилирование экспрессии является логическим следующим шагом после секвенирования генома : последовательность говорит нам, что может делать клетка, а профиль экспрессии говорит нам, что она на самом деле делает в определенный момент времени. Гены содержат инструкции по созданию информационной РНК ( мРНК ), но в любой момент каждая клетка производит мРНК только из части генов, которые она несет. Если ген используется для производства мРНК, он считается «включенным», в противном случае — «выключенным». Многие факторы определяют, включен или выключен ген, например, время суток, активно ли делится клетка, ее местное окружение и химические сигналы от других клеток. Например, клетки кожи , печениклетки и нервные клетки включают (экспрессируют) несколько разные гены, и это во многом делает их разными. Таким образом, профиль экспрессии позволяет определить тип, состояние, среду и т. д. клетки.
Эксперименты по профилированию экспрессии часто включают измерение относительного количества мРНК, экспрессируемой в двух или более экспериментальных условиях. Это связано с тем, что измененные уровни определенной последовательности мРНК предполагают изменение потребности в белке, кодируемом мРНК, что, возможно, указывает на гомеостатический ответ или патологическое состояние. Например, более высокие уровни мРНК, кодирующей алкогольдегидрогеназу, позволяют предположить, что исследуемые клетки или ткани реагируют на повышенные уровни этанола в окружающей среде. Аналогичным образом, если клетки рака молочной железы экспрессируют более высокие уровни мРНК, связанной с определенным трансмембранным рецептором.чем нормальные клетки, возможно, этот рецептор играет роль в развитии рака молочной железы. Препарат, который взаимодействует с этим рецептором, может предотвратить или вылечить рак молочной железы. При разработке лекарства можно провести эксперименты по профилированию экспрессии генов, чтобы оценить токсичность препарата, возможно, путем поиска изменяющихся уровней экспрессии генов цитохрома P450 , который может быть биомаркером метаболизма лекарства. [2] Профилирование экспрессии генов может стать важным диагностическим тестом. [3] [4]
Геном человека содержит около 20 000 генов, которые работают согласованно, производя примерно 1 000 000 различных белков. Это связано с альтернативным сплайсингом , а также с тем, что клетки вносят важные изменения в белки посредством посттрансляционной модификации после того, как они впервые их построили, поэтому данный ген служит основой для многих возможных версий конкретного белка. В любом случае в одном масс-спектрометрическом эксперименте можно идентифицировать около 2000 белков [5] или 0,2% от общего числа. Хотя знание точных белков, которые производит клетка ( протеомика) более актуально, чем знание того, сколько информационной РНК образуется из каждого гена, профилирование экспрессии генов дает наиболее глобальную картину, возможную в одном эксперименте. Однако методология протеомики совершенствуется. У других видов, таких как дрожжи, можно идентифицировать более 4000 белков всего за один час. [6]
Иногда у ученого уже есть представление о том, что происходит, гипотеза , и он или она проводит эксперимент по профилированию выражений с идеей потенциального опровержения этой гипотезы. Другими словами, ученый делает конкретное предсказание об уровнях экспрессии, которое может оказаться ложным.