Phân tích biểu hiện gen là việc đánh giá mức độ hoạt động của các gen trong một điều kiện cụ thể của tế bào, thường thông qua nồng độ tương đối của mRNA hoặc protein tạo ra tương ứng với mỗi gen quan tâm.
Trên thực tế, biểu hiện gen ở mức độ mRNA (đo bằng nồng độ mRNA của mỗi gen tương ứng) và ở mức độ protein (đo bằng nồng độ protein) là không hoàn toàn tỉ lệ thuận với nhau. Điều này là kết quả của những biến đổi sau sao mã, biến đổi sau dịch mã và các cơ chế điều hòa hoạt động gen phức tạp. Người ta có thể phân tích biểu hiện gen ở một trong hai mức độ hoặc tiến hành song song cả hai.
2.1. Phân tích biểu hiện gen ở mức độ mRNA
Nồng độ mRNA trong tế bào có thể định lượng bằng phương pháp lai Northern blot. Phương pháp này yêu cầu sử dụng các chất phóng xạ và chất lượng thông tin thấp hơn các phương pháp hiện đại, vì nó dựa trên việc đo chiều cao của băng RNA trong hình ảnh gel. Tuy nhiên, nó vẫn thường được sử dụng rộng rãi đến ngày nay, vì nó có những lợi ích riêng, chẳng hạn, cho phép xác định kích thước các transcript cũng như kiểm tra biểu hiện gen của một gen cụ thể sau khi đã phân tích tổng thể bằng microarrays.
Real-time PCR (real-time polymerase chain reaction, hay quantitative PCR (qPCR)) là cách mới hơn để đo nồng độ mRNA. Nếu xây dựng một đường chuẩn cẩn thận, qPCR có thể đo số lượng chính xác các bản sao của mRNA trên một nanolit mẫu đồng nhất. Ưu điểm của phương pháp này là độ nhiễu (noise) thấp, nhưng nhược điểm là giá thành thiết bị và hóa chất lại cao.
Những phương pháp hiện đại có thể đo mức độ biểu hiện đồng thời của nhiều gen, thậm chí toàn bộ hệ gen. Điển hình là các kỹ thuật DNA microarray và kỹ thuật "phân tích đồng loạt biểu hiện gen" (Serial analysis of gene expression) (SAGE) bằng cách đo nồng độ tương đối của các mẫu mRNA trong tế bào. Những tiến bộ của công nghệ microarray cho phép định lượng đồng thời mức độ biểu hiện của tất cả các gen đã biết trình tự trong hệ gen người. Trong khi đó, SAGE là phương pháp mở để đo chính xác bất cứ transcript nào, dù biết hay chưa biết trình tự.
2.2. Phân tích biểu hiện gen ở mức độ protein
Có nhiều phương pháp khác nhau để phân tích biểu hiện gen ở mức độ protein, phổ biến nhất là lai Western blot. Một phương pháp khác là so sánh nồng độ tương đối của một protein cụ thể đối với một protein được mã hóa bởi gen thông báo (reporter gene). Chẳng hạn, protein huỳnh quang xanh (green fluorescent protein, GFP), có thể được nhìn trực tiếp dưới kính hiển vi huỳnh quang. Tuy nhiên, rất khó để nhân dòng một "GFP-fused protein" vào trong vị trí bình thường của hệ gen. Vì vậy, phương pháp
này không thể được sử dụng để xác định các cơ chế điều hòa nội sinh mà thường được dùng để phân tích biểu hiện của các vector ngoại sinh. Xen một gen đích vào một gen thông báo có thể làm thay đổi vị trí trong tế bào của protein tương ứng và mức độ biểu hiện của gen đó.
Khi phân tích biểu hiện của toàn bộ hệ protein, người ta sử dụng các phương pháp proteomics (hệ protein học) dựa trên gel hoặc không dựa trên gel. Trong phương pháp proteomics dựa tren gel, các protein được phân tách trên điện di 2 chiều (2D SDS-PAGE), sau đó được định tên bằng hệ thống quang phổ (mass spectrography, MS). Thông tin về nồng độ tương đối của từng protein thu được từ 2 điều kiện sinh lý khác nhau của tế bào hiển thị trên hình ảnh điện di được so sánh và phân tích bằng phần mềm máy tính. Trong phương pháp proteomics không dựa tren gel, việc phân tách protein bằng 2D gel được thay thế bằng các phương pháp sắc ký khác nhau. Những kết quả nghiên cứu cho thấy cả hai phương pháp có thể bổ sung cho nhau để phân tích đồng thời nhiều nhất số lượng các protein trong một tế bào hoặc mô.