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遺伝子発現とは、遺伝子に含まれる情報を用いて、タンパク質や機能的なRNA分子などの機能的な遺伝子産物を生成するプロセスです。このプロセスには、遺伝子配列のRNAへの転写を含む複数のステップが含まれます。タンパク質をコードする遺伝子の場合、このRNAはさらにアミノ酸鎖に翻訳され、タンパク質に折り畳まれます。一方、非コード遺伝子の場合、生成されたRNA自体が細胞内で機能的な役割を果たします。遺伝子発現により、細胞は遺伝子内の遺伝情報を利用して、幅広い生物学的機能を実行できます。発現レベルは細胞のニーズや環境の変化に応じて調節されますが、一部の遺伝子はほとんど変化なく継続的に発現します。[ 1 ]
DNA鎖からRNAコピーを生成することを転写といい、RNAポリメラーゼによって行われます。RNAポリメラーゼは、ヌクレオチド塩基の相補性法則に従って、成長中のRNA鎖に一度に1つのリボヌクレオチドを追加します。このRNAは、テンプレートの3′→5′ DNA鎖と相補的ですが、 RNAではチミン（T）がウラシル（U）に置き換えられ、エラーが発生する可能性がある点が異なります。 [ 2 ]
細菌では、転写は単一のタイプのRNAポリメラーゼによって行われ、転写を開始するには、シグマ因子タンパク質（σ因子）の助けを借りてプリブナウボックスと呼ばれるDNA配列に結合する必要があります。真核生物では、転写は核内で3種類のRNAポリメラーゼによって行われ、それぞれがプロセスを開始するためにプロモーターと呼ばれる特別なDNA配列と、転写因子と呼ばれる一連のDNA結合タンパク質を必要とします（下記の転写の調節を参照）。RNAポリメラーゼIは、リボソームRNA（rRNA）遺伝子の転写を担当します。RNAポリメラーゼII（Pol II）は、すべてのタンパク質コード遺伝子だけでなく、一部の非コードRNA（例えば、snRNA、snoRNA、または長い非コードRNA）も転写します。RNAポリメラーゼIIIは、 5S rRNA、トランスファーRNA（tRNA）遺伝子、および一部の小さな非コードRNA（例えば、7SK ）を転写します。転写は、ポリメラーゼがターミネーターと呼ばれる配列に遭遇したときに終了します。
原核生物のタンパク質コード遺伝子の転写によって、タンパク質への翻訳準備が整ったメッセンジャーRNA （mRNA）が生成されるのに対し、真核生物の遺伝子の転写では、RNAの一次転写産物（pre-RNA）が生成され、これはまず一連の修飾を受けて成熟RNAになる必要がある。成熟過程に関わる種類とステップは、コードpreRNAと非コードpreRNAで異なる。つまり、mRNAとtRNAの両方のpreRNA分子はスプライシングを受けるが、関わるステップと機構は異なる。[ 3 ]非コードRNAの処理については以下で説明する（非コードRNAの成熟）。
プレmRNAの処理には、5'キャッピングが含まれます。これは、プレmRNAの5'末端に7-メチルグアノシン（m7G ）を付加する一連の酵素反応であり、RNAをエキソヌクレアーゼによる分解から保護します。[ 4 ] m7Gキャップは、キャップ結合複合体ヘテロダイマー（CBP20/CBP80）によって結合され、mRNAの細胞質への輸送を助け、RNAの脱キャップも保護します。[ 5 ]
もう1つの修飾は3'切断とポリアデニル化です。[ 6 ]これらは、通常タンパク質コード配列とターミネーターの間にあるプレmRNAにポリアデニル化シグナル配列（5'-AAUAAA-3'）が存在する場合に起こります。[ 7 ]プレmRNAは最初に切断され、次に約200個のアデニン（A）が連続して付加されてポリ(A)テールが形成され、RNAが分解されるのを防ぎます。[ 8 ]ポリ(A)テールには、mRNAの輸送と翻訳の再開始に必要な複数のポリ(A)結合タンパク質（PABP）が結合します。 [ 9 ]逆の脱アデニル化プロセスでは、ポリ(A)テールはCCR4-Not 3'-5'エキソヌクレアーゼによって短縮され、多くの場合、完全な転写産物の分解につながります。[ 10 ]
真核生物のpre-mRNAの非常に重要な修飾はRNAスプライシングです。真核生物のpre-mRNAの大部分は、エクソンとイントロンと呼ばれる交互に並んだセグメントで構成されています。[ 11 ]スプライシングの過程では、スプライソソームと呼ばれるRNA-タンパク質触媒複合体が2つのトランスエステル化反応を触媒し、イントロンを除去してラリアット構造の形で放出し、隣接するエクソンを結合します。[ 12 ]特定の場合、一部のイントロンまたはエクソンは、成熟mRNAで除去または保持されることがあります。[ 13 ]このいわゆる選択的スプライシングにより、単一の遺伝子から一連の異なる転写産物が生成されます。これらの転写産物は異なるタンパク質に翻訳される可能性があるため、スプライシングは真核生物の遺伝子発現の複雑さと種のプロテオームのサイズを拡大します。[ 14 ]
広範なRNA処理は、真核生物の核によって可能になった進化上の利点である可能性がある。原核生物では転写と翻訳が同時に起こるが、真核生物では核膜が2つのプロセスを分離し、RNA処理が行われる時間を与えている。[ 15 ]
ほとんどの生物では、非コード遺伝子（ncRNA）は、さらに処理を受ける前駆体として転写されます。リボソームRNA（rRNA）の場合、多くの場合、1つ以上のrRNAを含むpre-rRNAとして転写されます。pre-rRNAは、snoRNAと呼ばれる約150種類の異なる核小体限定RNA種によって、特定の部位で切断され、修飾（2'- O-メチル化およびシュードウリジン形成）されます。snoRNAはタンパク質と結合してsnoRNPを形成します。snoRNA部分は標的RNAと塩基対を形成して修飾を正確な位置に配置する一方、タンパク質部分は触媒反応を実行します。真核生物では、特にRNaseと呼ばれるsnoRNPであるMRPが45S pre-rRNAを28S、5.8S、および18S rRNAに切断します。 rRNAとRNAプロセシング因子は核小体と呼ばれる大きな凝集体を形成する。[ 16 ]
例えば、トランスファーRNA（tRNA）の場合、5′配列はRNase Pによって除去され[ 17 ]、3′末端はtRNase Z酵素によって除去され[ 18 ]、非鋳型3′CCAテールはヌクレオチジルトランスフェラーゼによって付加される[ 19 ]。マイクロRNA（miRNA）の場合、miRNAはまずキャップとポリAテールを持つ一次転写産物またはpri-miRNAとして転写され、細胞核内でDroshaおよびPasha酵素によってpre-miRNAとして知られる70ヌクレオチドの短いステムループ構造に処理される。その後、細胞質内でエンドヌクレアーゼDicerとの相互作用によって成熟miRNAに処理され、同時にアルゴノートタンパク質からなるRNA誘導サイレンシング複合体（RISC）の形成も開始される。
snRNAやsnoRNA自体も、機能的なRNP複合体の一部となる前に一連の修飾を受ける。[ 20 ]これは核質内またはカハール体と呼ばれる特殊な区画で行われる。[ 21 ]それらの塩基は、snoRNAと構造的に類似した小型カハール体特異的RNA（scaRNA）群によってメチル化またはシュードウリジン化される。[ 22 ]
一部の非コードRNAでは、成熟RNAが最終的な遺伝子産物である。[ 23 ]メッセンジャーRNA（mRNA）の場合、RNAは1つ以上のタンパク質の合成をコードする情報キャリアである。単一のタンパク質配列を持つmRNA（真核生物に一般的）はモノシストロン性であり、複数のタンパク質配列を持つmRNA（原核生物に一般的）はポリシストロン性として知られている。
すべてのmRNAは、5'非翻訳領域（5'UTR）、タンパク質コード領域またはオープンリーディングフレーム（ORF）、および3'非翻訳領域（3'UTR）の3つの部分から構成されています。コード領域は、遺伝暗号によってコード化されたタンパク質合成の情報を持っており、トリプレットを形成します。コード領域の各ヌクレオチドのトリプレットはコドンと呼ばれ、トランスファーRNAのアンチコドントリプレットに相補的な結合部位に対応します。同じアンチコドン配列を持つトランスファーRNAは、常に同じ種類のアミノ酸を運びます。アミノ酸は、コード領域のトリプレットの順序に従ってリボソームによって鎖状に連結されます。リボソームは、トランスファーRNAがメッセンジャーRNAに結合するのを助け、各トランスファーRNAからアミノ酸を取り出し、構造のないタンパク質を作ります。[ 24 ] [ 25 ]各mRNA分子は、平均して哺乳類では約2800個のタンパク質分子に翻訳されます。[ 26 ] [ 27 ]
原核生物では、翻訳は一般的に転写の時点で（共転写的に）起こり、多くの場合、まだ作成中のメッセンジャーRNAが使用されます。真核生物では、翻訳は、書かれるタンパク質が存在する場所に応じて、細胞のさまざまな領域で起こり得ます。主な場所は、可溶性細胞質タンパク質の場合は細胞質、細胞外に輸出されるタンパク質や細胞膜に挿入されるタンパク質の場合は小胞体の膜です。小胞体で生成されるはずのタンパク質は、翻訳プロセスの途中で認識されます。これは、シグナル認識粒子によって制御されます。シグナル認識粒子は、成長中の（新生）アミノ酸鎖上のシグナルペプチドを見つけると、リボソームに結合してリボソームを小胞体へ誘導するタンパク質です。 [ 28 ]
Regulation of gene expression is the control of the amount and timing of appearance of the functional product of a gene. Control of expression is vital to allow a cell to produce the gene products it needs when it needs them; in turn, this gives cells the flexibility to adapt to a variable environment, external signals, damage to the cell, and other stimuli. More generally, gene regulation gives the cell control over all structure and function, and is the basis for cellular differentiation, morphogenesis and the versatility and adaptability of any organism.
Numerous terms are used to describe types of genes depending on how they are regulated; these include:
Any step of gene expression may be modulated, from the DNA-RNA transcription step to post-translational modification of a protein. The stability of the final gene product, whether it is RNA or protein, also contributes to the expression level of the gene—an unstable product results in a low expression level. In general gene expression is regulated through changes[29] in the number and type of interactions between molecules[30] that collectively influence transcription of DNA[31] and translation of RNA.[32]
Some simple examples of where gene expression is important are:
転写の調節は、主に3つの影響経路に分けられます。遺伝的（制御因子と遺伝子の直接的な相互作用）、調節的（制御因子と転写機構の相互作用）、およびエピジェネティック（転写に影響を与えるDNA構造の非配列変化）です。[ 33 ] [ 34 ]
DNAとの直接的な相互作用は、タンパク質が転写レベルを変化させる最も単純で直接的な方法です。[ 35 ]遺伝子には、転写を調節するという特定の機能を持つ、コード領域の周囲に複数のタンパク質結合部位があることがよくあります。[ 36 ]調節DNA結合部位には、エンハンサー、インスレーター、サイレンサーと呼ばれる多くの種類があります。[ 37 ]転写を調節するメカニズムは、 RNAポリメラーゼのDNA上の重要な結合部位をブロックすることから、活性化因子として働き、RNAポリメラーゼの結合を補助することで転写を促進することまで、多岐にわたります。[ 38 ]
転写因子の活性は、リン酸化、アセチル化、グリコシル化などのタンパク質の翻訳後修飾を引き起こす細胞内シグナルによってさらに調節される。[ 39 ]これらの変化は、転写因子がプロモーターDNAに直接的または間接的に結合する能力、RNAポリメラーゼをリクルートする能力、または新たに合成されたRNA分子の伸長を促進する能力に影響を与える。[ 40 ]
真核生物の核膜は、転写因子が核内に存在する期間によって転写因子のさらなる調節を可能にし、これは転写因子の構造の可逆的な変化や他のタンパク質の結合によって調節される。[ 41 ]環境刺激や内分泌シグナル[ 42 ]は、調節タンパク質の修飾を引き起こし[ 43 ]、細胞内シグナルのカスケードを誘発し[ 44 ] 、遺伝子発現の調節につながる可能性がある。
転写には、DNA配列に特異的でない影響が大きく関わっていることが明らかになってきている。[ 45 ]これらの影響はエピジェネティックと呼ばれ、DNAの高次構造、非配列特異的なDNA結合タンパク質、およびDNAの化学修飾が関与している。[ 46 ]一般的に、エピジェネティック効果はDNAのタンパク質へのアクセス性を変化させ、転写を調節する。[ 47 ]
真核生物では、ヒストンコードによって制御されるクロマチンの構造がDNAへのアクセスを調節し、ユークロマチン領域とヘテロクロマチン領域の遺伝子発現に大きな影響を与える。[ 48 ]
哺乳類の遺伝子発現は、遺伝子の転写開始部位の近く、 DNAの上流（センス鎖の5'領域方向）に位置するコアプロモーターやプロモーター近傍エレメントなど、多くのシス調節エレメントによって制御されています。その他の重要なシス調節モジュールは、転写開始部位から離れたDNA領域に局在しています。これらには、エンハンサー、サイレンサー、インスレーター、テザリングエレメントが含まれます。[ 49 ]エンハンサーとそれに関連する転写因子は、遺伝子発現の制御において主導的な役割を果たしています。[ 50 ]
エンハンサーは遺伝子を制御するゲノム領域です。エンハンサーは、多くの場合、長い距離をループして標的遺伝子のプロモーターに物理的に近づくことで、細胞型特異的な遺伝子発現プログラムを制御し、細胞型特異的な遺伝子発現プログラムを制御し、標的遺伝子のプロモーターにループして互いに協調して遺伝子発現を制御します。 [ 51 ]それぞれが標的遺伝子から数万または数十万ヌクレオチド離れていることが多い複数のエンハンサーが、標的遺伝子のプロモーターにループして、互いに協調して遺伝子発現を制御します。[ 51 ]
図は、エンハンサーがループ状に回り込んで標的遺伝子のプロモーターに接近している様子を示しています。ループはコネクタータンパク質の二量体（例えば、CTCFまたはYY1の二量体）によって安定化されています。二量体の一方はエンハンサー上の結合モチーフに固定され、もう一方はプロモーター上の結合モチーフに固定されています（図中の赤いジグザグで示されています）。[ 52 ]ヒト細胞には約1,600種類の転写因子が存在しますが、そのうちのいくつかは細胞機能特異的な転写因子です[ 53 ] 。これらの転写因子は一般的にエンハンサー上の特定のモチーフに結合します。[ 54 ]これらのエンハンサーに結合した転写因子の小さな組み合わせが、DNAループによってプロモーターに近づくと、標的遺伝子の転写レベルを制御します。メディエーター（通常、相互作用構造にある約26種類のタンパク質からなる複合体）は、エンハンサーDNAに結合した転写因子からの調節シグナルを、プロモーターに結合したRNAポリメラーゼII（pol II）酵素に直接伝達します。[ 55 ]
エンハンサーは、活性化されると、一般的にDNAの両鎖から転写され、RNAポリメラーゼが2つの異なる方向に作用して、図に示すように2つのeRNAを生成します。[ 56 ]不活性エンハンサーには、不活性転写因子が結合している場合があります。転写因子のリン酸化により転写因子が活性化され、活性化された転写因子が結合しているエンハンサーを活性化する可能性があります（図中のエンハンサーに結合した転写因子のリン酸化を表す小さな赤い星を参照）。[ 57 ]活性化されたエンハンサーは、標的遺伝子からのメッセンジャーRNAの転写を活性化する前に、自身のRNAの転写を開始します。[ 58 ]
DNAメチル化は、遺伝子発現に対するエピジェネティックな影響の広く普及したメカニズムであり、細菌や真核生物に見られ、遺伝可能な転写サイレンシングや転写調節に役割を果たしています。メチル化は、最も頻繁にシトシンで起こります（図を参照）。シトシンのメチル化は、主にシトシンの後にグアニンが続くジヌクレオチド配列、つまりCpGサイトで起こります。ヒトゲノム中のCpGサイトの数は約2800万個です。 [ 59 ]細胞の種類にもよりますが、CpGサイトの約70%はメチル化されたシトシンを持っています。[ 60 ]
DNA中のシトシンのメチル化は、遺伝子発現の調節において重要な役割を果たしている。遺伝子のプロモーター領域におけるCpGのメチル化は通常、遺伝子転写を抑制する[ 61 ]一方、遺伝子本体におけるCpGのメチル化は発現を増加させる[ 62 ] 。TET酵素は、メチル化されたシトシンの脱メチル化において中心的な役割を担っている。TET酵素活性による遺伝子プロモーターにおけるCpGの脱メチル化は、遺伝子の転写を増加させる[ 63 ] 。
真核生物では、翻訳が可能になる前にRNAの輸出が必要であり、核外輸送は遺伝子発現に対する追加的な制御を提供すると考えられている。核内外へのすべての輸送は核膜孔を介して行われ、輸送は幅広いインポーチンおよびエクスポーチンタンパク質によって制御されている。[ 64 ]
タンパク質をコードする遺伝子の発現は、そのコードを持つメッセンジャーRNAが翻訳されるのに十分な時間生存した場合にのみ可能である。[ 65 ]通常の細胞では、RNA分子は分解から特別に保護されている場合にのみ安定である。[ 66 ] RNA分解は、mRNAが翻訳される前にかなりの距離を移動する必要がある真核細胞での発現調節において特に重要である。[ 67 ]真核生物では、RNAは特定の転写後修飾、特に5'キャップとポリAテールによって安定化される。[ 9 ]
mRNAの意図的な分解は、外来RNA（通常はウイルス由来）に対する防御機構としてだけでなく、mRNAの不安定化経路としても利用される。[ 68 ] mRNA分子が低分子干渉RNAと相補的な配列を持つ場合、 RNA干渉経路を介して破壊の標的となる。[ 69 ]
メッセンジャーRNA （mRNA）の3つの主要な非翻訳領域（3'UTR）には、転写後に遺伝子発現に影響を与える調節配列が含まれていることが多い。このような3'-UTRには、マイクロRNA（miRNA）と調節タンパク質の両方の結合部位が含まれていることが多い。[ 70 ] miRNAは、3'-UTR内の特定の部位に結合することで、翻訳を阻害するか、転写産物を直接分解することによって、さまざまなmRNAの遺伝子発現を減少させることができる。[ 71 ] 3'-UTRには、mRNAの発現を阻害する抑制タンパク質が結合するサイレンサー領域も存在する可能性がある。[ 72 ]
3′-UTRにはマイクロRNA応答エレメント（MRE）が含まれていることが多い。MREはmiRNAが結合する配列である。これらは3′-UTR内に広く見られるモチーフである。3′-UTR内のすべての調節モチーフ（例えばサイレンサー領域を含む）のうち、MREは約半分を占める。[ 73 ]
2014年時点で、miRNA配列と注釈のアーカイブであるmiRBaseウェブサイト[ 74 ]には、233の生物種で28,645のエントリがリストされていました。これらのうち、1,881のmiRNAは注釈付きのヒトmiRNA遺伝子座にありました。miRNAは平均して約400の標的mRNA（数百の遺伝子の発現に影響を与える）を持つと予測されていました。[ 75 ] Friedmanら[ 75 ]は、ヒトmRNA 3'UTR内の45,000を超えるmiRNA標的部位がバックグラウンドレベルを超えて保存されており、ヒトタンパク質コード遺伝子の60%以上がmiRNAとのペアリングを維持する選択圧を受けていると推定しています。
直接実験では、1つのmiRNAが数百種類のmRNAの安定性を低下させることが示されている。[ 76 ]他の実験では、1つのmiRNAが数百種類のタンパク質の産生を抑制する可能性があるが、この抑制は比較的軽度であることが多い（2倍未満）ことが示されている。[ 77 ] [ 78 ]
miRNAによる遺伝子発現の調節異常の影響は、癌において重要であると思われる。[ 79 ]例えば、消化器癌では、9つのmiRNAがエピジェネティックに変化し、DNA修復酵素のダウンレギュレーションに効果的であることが確認されている。[ 80 ]
miRNAによる遺伝子発現の調節異常の影響は、統合失調症、双極性障害、大うつ病、パーキンソン病、アルツハイマー病、自閉症スペクトラム障害などの神経精神疾患においても重要であると思われる。[ 81 ] [ 82 ]
翻訳の直接的な制御は、転写やmRNA安定性の制御ほど一般的ではないが、時折使用される。[ 83 ]タンパク質翻訳の阻害は毒素や抗生物質の主要な標的であり、正常な遺伝子発現制御を上書きすることで細胞を死滅させることができる。[ 84 ]タンパク質合成阻害剤には、抗生物質のネオマイシンや毒素のリシンなどがある。[ 85 ]
翻訳後修飾（PTM）は、タンパク質の共有結合修飾です。RNAスプライシングと同様に、タンパク質の多様性を大きく高めるのに役立ちます。これらの修飾は通常、酵素によって触媒されます。さらに、アミノ酸側鎖残基への共有結合付加などのプロセスは、他の酵素によって可逆的になることがよくあります。しかし、タンパク質骨格のタンパク質分解切断など、不可逆的なものもあります。[ 86 ]
PTMは細胞内で多くの重要な役割を果たしています。[ 87 ]例えば、リン酸化は主にタンパク質の活性化と不活性化、およびシグナル伝達経路に関与しています。[ 88 ] PTMは転写調節に関与しています。アセチル化とメチル化の重要な機能の一つはヒストン尾部の修飾であり、これによりDNAの転写へのアクセス性が変化します。[ 86 ]また、免疫系でも見られ、グリコシル化が重要な役割を果たしています。[ 89 ]ユビキチン化がタンパク質分解による分解のためにタンパク質にタグを付ける様子に見られるように、あるタイプのPTMが別のタイプのPTMを開始させることもあります。 [ 86 ]タンパク質分解は、タンパク質の分解に関与するだけでなく、タンパク質の活性化と不活性化、およびDNA転写や細胞死などの生物学的プロセスの調節にも重要です。[ 90 ]
遺伝子発現の測定は、多くの生命科学において重要な部分を占めています。細胞、組織、または生物体内で特定の遺伝子がどの程度発現しているかを定量化することで、多くの貴重な情報を得ることができるからです。例えば、遺伝子発現を測定することで、以下のようなことが可能になります。
同様に、タンパク質発現部位の解析は強力なツールであり、生物個体レベルまたは細胞レベルで実施可能です。局在の調査は、多細胞生物の発生研究や、単細胞におけるタンパク質機能の指標として特に重要です。理想的には、発現量の測定は最終的な遺伝子産物（多くの遺伝子ではタンパク質）を検出することによって行われますが、多くの場合、前駆体（通常はmRNA ）を検出し、これらの測定値から遺伝子発現レベルを推定する方が容易です。
mRNA のレベルは、mRNA 分子のサイズと配列情報を提供するノーザンブロッティングによって定量的に測定できます。 [ 91 ] RNA サンプルはアガロースゲル上で分離され、標的配列に相補的な放射性標識 RNA プローブとハイブリダイズされます。[ 92 ]放射性標識 RNA は、オートラジオグラフィーによって検出されます。[ 93 ]放射性試薬の使用は手順に時間がかかり、潜在的に危険であるため、ジゴキシゲニンやビオチン化学などの代替標識および検出方法が開発されています。[ 94 ]ノーザンブロッティングの欠点として認識されているのは、大量の RNA が必要であることと、ゲルの画像のバンド強度を測定するため、定量が完全に正確ではない可能性があることです。[ 95 ]一方、ノーザンブロットから得られる追加の mRNA サイズ情報により、代替スプライシング転写産物を識別できます。[ 96 ] [ 97 ]
mRNA量を測定するもう1つの方法はRT-qPCRです。この技術では、逆転写に続いて定量PCRが行われます。まず逆転写によってmRNAからDNAテンプレートが生成されます。この一本鎖テンプレートはcDNAと呼ばれます。次に、定量ステップでcDNAテンプレートが増幅されます。このとき、標識されたハイブリダイゼーションプローブまたはインターカレーション色素から放出される蛍光は、 DNA増幅プロセスが進むにつれて変化します。[ 98 ]慎重に構築された標準曲線を使用すると、qPCRは元のmRNAのコピー数を絶対値で測定できます。通常、均質化された組織のナノリットルあたりのコピー数、または細胞あたりのコピー数で表されます。[ 99 ] qPCRは非常に高感度です（理論的には単一のmRNA分子の検出も可能です）が、使用するレポーターの種類によっては高価になる場合があります。蛍光標識オリゴヌクレオチドプローブは、非特異的なインターカレーション蛍光色素よりも高価です。[ 100 ]
発現プロファイリング、つまりサンプル内の多数の遺伝子のハイスループット解析の場合、低密度アレイでは、数百の遺伝子に対して同時に定量的PCRを実行できます。 [ 101 ] 2番目のアプローチは、ハイブリダイゼーションマイクロアレイです。1つのアレイまたは「チップ」には、1つ以上の生物のゲノム内の既知のすべての遺伝子の転写レベルを決定するためのプローブが含まれている場合があります。[ 102 ]あるいは、異なるmRNAの細胞内濃度の相対的な測定値を提供できる、遺伝子発現のシリアル解析（SAGE）やRNA-Seqなどの「タグベース」技術を使用できます。[ 103 ]タグベースの方法の利点は、「オープンアーキテクチャ」であり、既知または未知の配列を持つ任意の転写産物を正確に測定できます。[ 104 ] RNA-Seqなどの次世代シーケンシング（NGS）は別のアプローチであり、参照ゲノムと照合できる膨大な量のシーケンスデータを生成します。 NGSは比較的時間がかかり、費用もリソースも要するが、一塩基多型、スプライスバリアント、新規遺伝子を同定することができ、配列情報がほとんどまたは全くない生物の発現プロファイルを作成するためにも使用できる。[ 105 ]
タンパク質をコードする遺伝子の場合、発現レベルは、mRNA定量化の手法と明確な類似点を持ついくつかの方法によって直接評価することができる。
最も一般的に使用される方法の 1 つは、目的のタンパク質に対するウェスタンブロットを実行することです。 [ 106 ]これにより、タンパク質の同定に加えて、そのサイズに関する情報が得られます。サンプル (多くの場合、細胞溶解液) をポリアクリルアミドゲルで分離し、メンブレンに転写した後、目的のタンパク質に対する抗体でプローブします。抗体は、イメージングおよび/または定量化のために、蛍光色素または西洋ワサビペルオキシダーゼに結合させることができます。このアッセイはゲルベースであるため、定量化の精度は低くなりますが、サイズの変化から、タンパク質の後期の修飾 (たとえば、タンパク質分解またはユビキチン化) を識別できるという利点があります。
転写は遺伝子発現を直接反映するが、mRNA分子のコピー数はmRNAから翻訳されるタンパク質分子の数と直接相関しない。タンパク質とmRNAの両方を定量化することで、2つのレベルの相関が可能になる。遺伝子発現の各段階における調節は、翻訳の調節[ 27 ]やタンパク質の安定性[ 107 ]で示されているように、相関に影響を与える可能性がある。高度に極性のある細胞におけるタンパク質輸送[ 108 ]などの翻訳後因子も、測定されたmRNA-タンパク質相関に影響を与える可能性がある。
発現解析は定量化にとどまらず、局在の特定も可能です。mRNAは適切な標識を施した相補的mRNA鎖を用いて検出でき、タンパク質は標識抗体を用いて検出できます。その後、プローブ処理したサンプルを顕微鏡で観察し、mRNAまたはタンパク質の局在部位を特定します。
遺伝子を緑色蛍光タンパク質マーカーなどに融合させた新しいバージョンに置き換えることで、生細胞内で発現量を直接定量化できます。これは蛍光顕微鏡を用いたイメージングによって行われます。GFP融合タンパク質をゲノム内の本来の場所にクローニングすると発現レベルに影響が出るため、この方法は内因性遺伝子の発現量を測定するには使えない場合が多いです。しかし、発現ベクターなどを介して人工的に細胞に導入された遺伝子の発現量を測定するには広く用いられています。標的タンパク質を蛍光レポーターに融合させることで、細胞内局在や発現レベルなど、タンパク質の挙動を大きく変化させることができます。
酵素結合免疫吸着法（ELISA）は、マイクロタイタープレートに固定化された抗体を用いて、ウェルに添加されたサンプルから目的のタンパク質を捕捉する仕組みです。酵素または蛍光色素に結合した検出抗体を用いることで、結合したタンパク質の量を蛍光測定または比色測定によって正確に測定できます。検出プロセスはウェスタンブロットと非常によく似ていますが、ゲル電気泳動の工程を省くことで、より正確な定量が可能になります。