I slutningen af 1800-tallet viste den cytologiske forskning, at hver levende organisme har et karakteristisk sæt af kromosomer i kernen af hver celle. I samme periode viste biokemiske studier, at kernematerialet, som danner kromosomerne, består af dna og proteiner. I de første fire årtier af 1900-tallet mente mange videnskabsfolk, at det var proteinerne, der gemte den genetiske kode, og at dna skulle opfattes som en slags støttende platform.

Men så i 1940’erne og 1950’erne udførte Avery en række forsøg, som beviste, at dna er det genetiske molekyle. Og senere forsøg fra 1960’erne og 1970’erne viste, at hvert kromosom er en meget tæt pakning af ét sammenhængende dna-molekyle, der kan være flere centimeter langt. I højere organismer vikles dna-strengen først rundt om nogle særlige kuglelignende proteiner – såkaldte histoner – der sidder sammen i grupper på otte. Herefter ligner dna-kæden en perlekæde. Siden pakkes kæden yderligere sammen ved hjælp af nogle andre proteiner – non-histonproteiner.

Det virker jo lidt uøkonomisk, og det krævede en række forsøg at komme frem til denne viden: Når man ekstraherer dna bliver proteinerne – inklusive histonerne – i de fleste tilfælde opløst. Det resulterer i lange “rensede” dna-molekyler, som indeholder den genetiske information. På den måde kan man se kromosomet som én lang kæde af dna. Generne er ordnet langs dna-strengen som specifikke områder, hvis sekvenser bærer den genetiske kode til at danne proteiner.

Generne i en bakterie er tæt pakket. Næsten al dna koder for proteiner. Men sådan er det ikke hos højerestående organismer. Det opdagede man i 1960’erne. I højerestående liv er der store områder af dna, som ikke koder for proteiner. Disse lange ikke-kodende sekvenser adskiller forholdsvis spredte “øer” af gener. I 1970’erne viste forskningen, at adskillige ikke-kodende sekvenser – introner – også findes inde i generne, hvor de afbryder de proteinkodende regioner – exoner.

Da forskerne opdagede den genetiske kode og genernes struktur i 1950’erne og 1960’erne, begyndte de at se gener som en samling opskrifter – én opskrift for hvert protein. Men generne producerer ikke deres proteiner hele tiden. Så organismen må kunne regulere, om generne er aktive. Franske forskere var de første til at kaste lys over denne gen-regulering via forsøg med bakterier.

Når der er laktose til stede, så slår bakterien E. coli en hel række af gener til for at omsætte sukkeret. Forskerne sporede de processer, som laktosen starter, og de fandt, at laktose fjerner en såkaldt repressor fra bakteriens dna. Når repressoren fjernes, slås generne til.

Det er et såkaldt regulator-gen, som producerer repressoren. Efter denne opdagelse begyndte man at se nyt på udvikling i højere organismer. Celler har ikke bare genetiske opskrifter på strukturelle proteiner indkodet i deres dna. De har også et genetisk reguleret program, som bestemmer, hvornår de forskellige opskrifter skal bruges og føres ud i livet.

Bl.a. kan polymerasen fra én organisme ganske nøjagtigt transkribere et gen fra en anden organisme.
For eksempel kan visse bakterier blive resistente over for antibiotika ved at udveksle små kromosom-stumper, som kaldes plasmider. I begyndelsen af 1970’erne brugte forskere i Californien denne type gen-overførsel til at flytte et “rekombinant” dna-molekyle mellem to arter. I begyndelsen af 1980’erne tog andre forskere teknikken til sig og splejsede et menneske-gen ind i colibakterien for at danne gensplejset human insulin og væksthormon.

Rekombinant dna-teknologi kaldes også gensplejsning. Disse teknikker har givet indsigt i, hvordan gener arbejder. I tilfælde, hvor det er upraktisk at teste genernes funktion i dyreforsøg, kan generne udtrykkes i bakterier eller i cellekulturer. Tilsvarende kan man ved hjælp af gensplejsning teste fænotyperne fra genetiske mutationer og effektiviteten af medicin eller andre stoffer.

Celler, som er i stand til at blive stimuleret af et særligt hormon, har en også en særlig receptor. Når et hormon binder sig til receptoren, starter en serie af molekylære transformationer – en såkaldt signaloverførsel – som fører vækstsignalet videre ind i cellen.
Først fører receptoren signalet gennem cellemembranen til overfladen af membranens inderside. Her aktiverer hormonet nogle protein-budbringere. Disse budbringere starter en kaskade af kemiske reaktioner, som ofte inkluderer, at der tilføres fosfatgrupper. Det er dette signal, der passerer gennem cellens cytoplasma og ind i kernen. I den sidste del af signal-overførslen hæfter dna-bindende proteiner sig til regulatoriske sekvenser, og dna-replikationen eller transkriptionen startes.

Det er ikke kun forskellige proteiner, som binder sig til genernes dna, der kan tænde og slukke for gener. I nogle gener bindes der methylgrupper (CH3-gruppper) til bestemt cytosin-baser. Dette medfører ofte, at genets aktivitet nedsættes – der slukkes for genet. Og her er ikke bare tale om en forbigående effekt i den celle, genet befinder sig i. Genet forbliver i mange tilfælde slukket også efter celledeling, i de følgende cellegenerationer. Ændringerne i aktivitet er altså arvelige.
Sådanne arvelige ændringer i geners aktivitet, som er stabile også efter celledeling, og som ikke skyldes ændringer i selve genernes dna-sekvens, kaldes epigenetiske ændringer.

Man ved, at epigenetiske ændringer spiller en stor rolle under udviklingen af en organisme – fx når et menneske skal udvikle sig fra en befrugtet ægcelle. Her er der brug for at bestemte gener slukkes i bestemte celletyper, og det sker ved epigenetiske ændringer, bl.a. methylering.
Nogle forskere mener, at de epigenetiske ændringer er lige så vigtige for udviklingen af en organisme, som selve genernes dna-sekvenser er.

Nyere forskning tyder på at epigenetiske ændringer muligvis kan fremkaldes af fx den kost, vi spiser. Og at de kan nedarves fra én generation til den næste. Den mad du spiser i dag, kan altså måske slukke for bestemte gener – og disse gener vil stadig være slukkede i dine børnebørn.

De fleste levende væsner er opbygget af forskellige celler, som er specialiseret til at udføre forskellige funktioner. Alligevel har alle celler i en organisme det samme sæt af genetiske instruktioner. Men hvordan kan det lade sig gøre, at forskellige celler har så forskellige strukturer og funktioner? Biokemiske processer er især bestemt af specifikke enzymer (proteiner). Derfor må forskellige sæt af gener kunne slås til og fra i de forskellige celletyper. På den måde kommer cellerne til at adskille sig fra hinanden.

Ideen om, at celler kan udtrykke forskellige gener, bliver understøttet af eksperimenter, hvor man identificerer den særlige mRNA i en bestemt celletype. For nylig har dna-microarray og genchips åbnet mulighed for hurtigt at screene alle genaktiviteterne i en organisme. Når man udsætter cellerne for bestemte ydre påvirkninger, kan man undersøge, hvilke gener der slås til.

Fra studier af adskillige bizarre mutationer hos bananfluen, Drosophila, har man fået stor indsigt i de molekylære processer, der ligger bag en organismes overordnede "udviklingsplan". Tidlige foster-gener koder for proteiner, som definerer kroppens områder i et flue-foster, og som sikrer at områderne er placeret, hvor de skal. Herefter påvirker “homeotiske” gener – udviklingskontrolgener – de enkelte områder for at få de forskellige kropsdele til at passe til de rigtige områder.

Sekvensanalyser viste, at homeotiske gener fra Drosophila og hvirveldyr har en region med 180 nukleotider til fælles. Den kaldes en “homeobox”. De homeotiske proteiner, som disse homeotiske gener koder for, har strukturer, som ligner områderne for regulatorproteiner, som binder til det, der hedder en dna-promotor eller en dna-enhancer. På denne måde udløser et homeotisk protein et koordineret udtryk, når proteinet binder sig til specifikke sekvenser af promotorer eller enhancere, som deles af et antal gener, der er involveret i udviklingen af kropsområder eller kropsdele.

Det var studier af rundormen Caenorhabditis elegans, der førte til de første forestillinger om eksistensen af apoptose. I rundormen kan man spore udviklingen af hver af de 959 celler tilbage til det befrugtede æg. Analysen af ormen viste, at særlige celler er programmeret til at dø på bestemte tidspunkter under fosterudviklingen. Hvis denne proces forstyrres, dannes der en overflod af celler - altså kendetegnet på kræft.

Rent biologisk opstår vækst ved celledeling - mitose. Lige så snart noget væv eller et organ har nået den rette størrelse, nedsættes mitoseaktiviteten og cellerne går ind i en form for hvilefase. Denne celle-cyklus med vækst og hvile bliver kontrolleret af nogle "checkpoint"-molekyler, som først blev beskrevet i gær i 1980'erne og 1990'erne og senere i andre eukaryoter.

Hver organisme har et bestemt antal af kromosomer, som indeholder al dens genetiske information. I menneskets genom er den genetiske information fx kodet ind i 46 kromosomer, som findes i kernen i alle celler. Kromosomerne er organiseret i 23 par – et kromosom fra hvert par er nedarvet fra henholdsvis moren og faren. Et af kromosom-parrene – kønskromosomerne – bestemmer barnets køn. De andre 22 par kaldes autosomer.

Det humane genom er altså opbygget af nogle sæt af meget lange dna-molekyler, som hver svarer til et kromosom. Disse molekyler indeholder alle menneskets gener. Ingen ved endnu præcist, hvor mange gener mennesket har, men de nyeste estimater ligger på lige godt 20.000 gener. Målet med “Det humane genomprojekt” var at bestemme den fuldstændige rækkefølge af nukleotider i hvert af dna-molekylerne – samt placeringen og betydningen af alle generne. Kortlægningen af det humane genom har især været baseret på automatiske maskiner, som finder de enkelte sekvenser, samt computer-programmer som søger og identificerer generne. En foreløbig kortlægning og analyse af det humane genom blev offentliggjort i februar 2001. Siden da er der offentliggjort stadigt mere præcise kort over genomet.

Alle levende organismer gemmer genetisk information ved hjælp af de samme molekyler: dna og RNA. Indskrevet i disse genetiske koder findes også stærke beviser for, at alle levende organismer har en fælles oprindelse. Udviklingen af højere former for liv kræver udvikling af nye gener til at kode for ændrede kropsfunktioner og nye “kostvaner”. Og selv komplicerede organismer bærer rundt på stofskifte-funktioner, som stammer helt tilbage fra noget af det tidlige og primitive liv på Jorden.

Generne bliver bevaret under evolutionen, men gener kan også blive udvekslet med – eller “stjålet” fra – andre organismer. Bakterier kan – ved hjælp af konjugation – udveksle plasmider, som bærer resistens over for antibiotika. Og virus kan indføre deres gener i en værtscelle. Nogle pattedyr-gener er også blevet adopteret af virus og så igen senere ført videre til andre pattedyr-værter. Uanset hvordan en organisme får et gen og fører det videre, så bevares de regioner, der er centrale for den korrekte funktion af det protein, som genet koder for. Nogle mutationer kan ophobes i ikke-essentielle områder af genet. Disse mutationer gemmer den overordnede evolutions-historie for dette gen.

Og selv om det humane genomprojekt har forsynet os med et helt katalog over titusinder af gener, så står vi stadig tilbage med spørgsmålet: "Hvad laver alle disse proteiner, som generne koder for?"
Inden for de seneste år er et nyt forskningsområde opstået: systembiologi. I systembiologien arbejder man på at forstå, hvordan hele biologiske systemer fungerer – fx hvordan en hel celle, med alle dens gener, proteiner og andre molekyler, fungerer. Der er ikke en vedtaget definition af begrebet systembiologi, men et godt bud er at systembiologi er studiet af en organisme som et integreret og interagerende netværk af gener, proteiner og biokemiske reaktioner.

Meget af den genetiske forskning, der er foregået hidtil, har været forskning i hvordan hvert enkelt gen er opbygget og hvordan det protein, hvert enkelt gen koder for, fungerer. Efterhånden kender forskerne derfor meget til funktionen af tusindvis af gener og proteiner, og andre molekyler. Men de har ikke den store, overordnede forståelse endnu. For de ved endnu kun lidt om hvordan alle disse gener og proteiner virker sammen.
Det er her systembiologien kommer ind som et naturligt næste trin. Nu vil forskerne nemlig til at undersøge, hvordan alle enkeltdelene spiller sammen – i en celle, et organ eller endda i en hel organisme. Det er uhyre komplicerede samspil, der kræver bl.a. avancerede computermodeller, som kan behandle og inddrage tusindvis af data.

Videnskabsfolk har altid undersøgt mutationer for at finde ud af, hvordan proteiner virker. I dag kan man bevidst lave bestemte mutationer ved at indsætte en ændret eller en ikke-fungerende kopi af et gen i en organisme og derefter studere ændringer i adfærd eller udvikling. Mus formerer sig hurtigt, og deres arvemateriale ligner i meget høj grad menneskers arvemateriale. Langt de fleste gener, der findes i mus, findes også i mennesker, og omvendt. Og de enkelte gener har i mange tilfælde næsten identiske dna-sekvenser i mus og menneske. Derfor er mus blevet det foretrukne forsøgsdyr, når man laver funktionsstudier i stor målestok. Men bare ét enkelt transgent forsøg er adskillige gange mere vanskeligt end at kortlægge selve genet. Så det store arbejde med at forstå menneskets arvemasse ligger stadig forude, og det er langt hen ad vejen ubesvaret.