Isi
- Epigenetika: Definisi dan Gambaran Umum
- Cara Kerja Modifikasi Epigenetik
- Keterbatasan Epigenetik untuk Akses DNA
- Modifikasi Histone Epigenetik Tambahan
- RNA Dapat Mengganggu Ekspresi Gen
- Metilasi DNA Adalah Faktor Utama dalam Ekspresi Gen
- Contoh Epigenetik: Penyakit
- Contoh Epigenetik: Perilaku
Informasi genetik untuk suatu organisme dikodekan dalam DNA kromosom organisme, tetapi ada pengaruh lain yang bekerja. Urutan DNA yang membentuk gen mungkin tidak aktif, atau mungkin diblokir. Karakteristik organisme ditentukan oleh gennya, tetapi apakah gen tersebut benar-benar menciptakan karakteristik yang dikodekan disebut ekspresi gen.
Banyak faktor yang dapat mempengaruhi ekspresi gen, menentukan apakah gen menghasilkan karakteristiknya sama sekali atau kadang-kadang hanya lemah. Ketika ekspresi gen dipengaruhi oleh hormon atau enzim, prosesnya disebut regulasi gen.
Epigenetik mempelajari biologi molekuler regulasi gen dan lainnya pengaruh epigenetik pada ekspresi gen. Pada dasarnya setiap pengaruh yang mengubah efek sekuens DNA tanpa mengubah kode DNA adalah subjek untuk epigenetika.
Epigenetika: Definisi dan Gambaran Umum
Epigenetik adalah proses melalui mana instruksi genetik yang terkandung dalam DNA organisme dipengaruhi oleh faktor non-genetik. Metode utama untuk proses epigenetik adalah kontrol ekspresi gen. Beberapa mekanisme kontrol bersifat sementara tetapi yang lain lebih permanen dan dapat diwariskan melalui pewarisan epigenetik.
Sebuah gen mengekspresikan dirinya dengan membuat salinannya sendiri dan menyalinnya ke dalam sel untuk menghasilkan protein yang dikodekan dalam urutan DNA-nya. Protein, baik sendiri atau dalam kombinasi dengan protein lain, menghasilkan karakteristik organisme tertentu. Jika gen terhambat dari menghasilkan protein, karakteristik organisme tidak akan muncul.
Epigenetika melihat bagaimana gen dapat diblokir dari menghasilkan proteinnya, dan bagaimana gen itu dapat dihidupkan kembali jika diblokir. Di antara banyak mekanisme epigenetik yang dapat mempengaruhi ekspresi gen adalah sebagai berikut:
Epigenetika mempelajari bagaimana gen diekspresikan, apa yang memengaruhi ekspresi mereka dan mekanisme yang mengendalikan gen. Ini terlihat pada lapisan pengaruh di atas lapisan genetik dan bagaimana lapisan ini menentukan perubahan epigenetik seperti apa organisme itu dan bagaimana perilakunya.
Cara Kerja Modifikasi Epigenetik
Meskipun semua sel dalam suatu organisme memiliki genom yang sama, sel-sel mengambil fungsi yang berbeda berdasarkan pada bagaimana mereka mengatur gen mereka. Pada tingkat organisme, organisme mungkin memiliki kode genetik yang sama tetapi terlihat dan berperilaku berbeda. Dalam kasus manusia misalnya, kembar identik memiliki genom manusia yang sama tetapi akan terlihat dan berperilaku sedikit berbeda, tergantung pada perubahan epigenetik.
Efek epigenetik seperti itu dapat bervariasi tergantung pada banyak faktor internal dan eksternal, termasuk yang berikut:
Masing-masing dapat menjadi faktor epigenetik yang mempromosikan atau mengganggu ekspresi gen dalam sel. Seperti itu kontrol epigenetik adalah cara lain untuk mengatur ekspresi gen tanpa mengubah kode genetik yang mendasarinya.
Dalam setiap kasus, keseluruhan ekspresi gen diubah. Faktor internal dan eksternal diperlukan untuk ekspresi gen, atau mereka dapat memblokir salah satu tahapan. Jika faktor yang diperlukan seperti enzim yang diperlukan untuk produksi protein tidak ada, protein tidak dapat diproduksi.
Jika ada faktor pemblokiran, tahap ekspresi gen yang sesuai tidak dapat berfungsi, dan ekspresi gen yang relevan diblokir. Epigenetik berarti bahwa sifat yang dikodekan dalam urutan DNA gen mungkin tidak muncul dalam organisme.
Keterbatasan Epigenetik untuk Akses DNA
Genom dikodekan dalam molekul panjang dan tipis dari sekuens DNA yang harus dililit erat dalam struktur kromatin yang rumit untuk masuk ke dalam inti sel kecil.
Untuk mengekspresikan suatu gen, DNA disalin melalui a mekanisme transkripsi. Bagian dari heliks ganda DNA yang mengandung gen yang akan diekspresikan sedikit tidak terurai dan molekul RNA membuat salinan dari sekuens DNA yang membentuk gen.
Molekul DNA dililit protein khusus yang disebut histones. Histon dapat diubah sehingga DNA terluka lebih atau kurang erat.
Seperti itu modifikasi histone dapat menyebabkan molekul DNA menjadi sangat erat sehingga mekanisme transkripsi, yang terdiri dari enzim khusus dan asam amino, tidak dapat mencapai gen yang akan disalin. Membatasi akses ke gen melalui modifikasi histone menghasilkan kontrol gen epigenetik.
Modifikasi Histone Epigenetik Tambahan
Selain membatasi akses ke gen, protein histon dapat diubah untuk mengikat lebih atau kurang erat dengan molekul DNA yang terluka di sekitar mereka dalam struktur kromatin. Modifikasi histone tersebut mempengaruhi mekanisme transkripsi yang fungsinya untuk membuat salinan RNA dari gen yang akan diekspresikan.
Modifikasi histone yang mempengaruhi ekspresi gen dengan cara ini termasuk yang berikut:
Ketika histone diubah untuk meningkatkan pengikatan, kode genetik untuk gen spesifik tidak dapat ditranskripsi, dan gen tersebut tidak diekspresikan. Ketika ikatan dikurangi, lebih banyak salinan genetik dapat dibuat, atau mereka dapat dibuat lebih mudah. Gen spesifik kemudian diekspresikan lebih banyak dan lebih banyak protein yang dikodekan diproduksi.
RNA Dapat Mengganggu Ekspresi Gen
Setelah sekuens DNA dari suatu gen disalin ke Urutan RNA, molekul RNA meninggalkan nukleus. Protein yang dikodekan dalam urutan genetik dapat diproduksi oleh pabrik sel kecil yang disebut ribosom.
Rantai operasi adalah sebagai berikut:
Dua fungsi kunci dari molekul RNA adalah transkripsi dan terjemahan. Selain RNA yang digunakan untuk menyalin dan mentransfer sekuens DNA, sel dapat menghasilkan gangguan RNA atau iRNA. Ini adalah untaian pendek dari urutan RNA yang disebut non-coding RNA karena mereka tidak memiliki urutan yang menyandikan gen.
Fungsi mereka adalah untuk mengganggu transkripsi dan terjemahan, mengurangi ekspresi gen. Dengan cara ini, iRNA memiliki efek epigenetik.
Metilasi DNA Adalah Faktor Utama dalam Ekspresi Gen
Selama metilasi DNA, enzim disebut Metiltransferase DNA menempelkan gugus metil ke molekul DNA. Untuk mengaktifkan gen dan memulai proses transkripsi, sebuah protein harus menempel pada molekul DNA di dekat awal. Gugus metil ditempatkan pada lokasi di mana protein transkripsi biasanya menempel, sehingga menghalangi fungsi transkripsi.
Ketika sel membelah, urutan DNA genom sel disalin dalam proses yang disebut Replikasi DNA. Proses yang sama digunakan untuk membuat sel sperma dan sel telur dalam organisme yang lebih tinggi.
Banyak faktor yang mengatur ekspresi gen hilang ketika DNA disalin, tetapi banyak pola metilasi DNA direplikasi dalam molekul DNA yang disalin. Ini berarti bahwa regulasi ekspresi gen disebabkan oleh Metilasi DNA dapat diwariskan meskipun urutan DNA yang mendasarinya tetap tidak berubah.
Karena metilasi DNA merespons faktor epigenetik seperti lingkungan, diet, bahan kimia, stres, polusi, pilihan gaya hidup dan radiasi, reaksi epigenetik dari paparan faktor-faktor tersebut dapat diwariskan melalui metilasi DNA. Ini berarti bahwa, di samping pengaruh silsilah, seorang individu dibentuk oleh perilaku orang tua dan faktor-faktor lingkungan tempat mereka terpapar.
Contoh Epigenetik: Penyakit
Sel memiliki gen yang mendorong pembelahan sel serta gen yang menekan pertumbuhan sel yang cepat dan tidak terkontrol seperti pada tumor. Gen yang menyebabkan pertumbuhan tumor disebut onkogen dan mereka yang mencegah tumor disebut gen penekan tumor.
Kanker manusia dapat disebabkan oleh peningkatan ekspresi onkogen ditambah dengan ekspresi gen penekan tumor yang tersumbat. Jika pola metilasi DNA yang sesuai dengan ekspresi gen ini diturunkan, keturunannya mungkin memiliki kerentanan yang meningkat terhadap kanker.
Dalam kasus Kanker kolorektal, pola metilasi DNA yang salah dapat ditularkan dari orang tua ke anak. Menurut sebuah penelitian dan makalah tahun 1983 oleh A. Feinberg dan B. Vogelstein, pola metilasi DNA pasien kanker kolorektal menunjukkan peningkatan metilasi dan pemblokiran gen penekan tumor dengan penurunan metilasi onkogen.
Epigenetik juga dapat digunakan untuk membantu mengobati penyakit genetik. Dalam Fragile X Syndrome, gen kromosom X yang menghasilkan protein pengatur utama tidak ada. Tidak adanya protein berarti bahwa protein BRD4, yang menghambat perkembangan intelektual, diproduksi secara berlebihan dengan cara yang tidak terkontrol. Obat yang menghambat ekspresi BRD4 dapat digunakan untuk mengobati penyakit.
Contoh Epigenetik: Perilaku
Epigenetik memiliki pengaruh besar pada penyakit, tetapi juga dapat mempengaruhi sifat-sifat organisme lain seperti perilaku.
Dalam sebuah studi tahun 1988 di Universitas McGill, Michael Meany mengamati bahwa tikus yang ibunya merawatnya dengan menjilati dan memperhatikan mereka berkembang menjadi orang dewasa yang tenang. Tikus yang ibunya mengabaikan mereka menjadi orang dewasa yang cemas. Analisis jaringan otak menunjukkan bahwa perilaku ibu menyebabkan perubahan pada otak metilasi sel-sel otak pada bayi tikus. Perbedaan dalam keturunan tikus adalah hasil dari efek epigenetik.
Penelitian lain telah melihat efek kelaparan. Ketika ibu terkena kelaparan selama kehamilan, seperti halnya di Belanda pada tahun 1944 dan 1945, anak-anak mereka memiliki insiden obesitas dan penyakit jantung yang lebih tinggi dibandingkan dengan ibu yang tidak terkena kelaparan. Risiko yang lebih tinggi dilacak untuk mengurangi metilasi DNA dari gen yang menghasilkan faktor pertumbuhan seperti insulin. Seperti itu efek epigenetik dapat diwariskan selama beberapa generasi.
Efek dari perilaku yang dapat ditularkan dari orang tua ke anak-anak dan seterusnya dapat mencakup yang berikut:
Efek-efek ini adalah hasil dari perubahan metilasi DNA yang diteruskan ke keturunan, tetapi jika faktor-faktor ini dapat mengubah metilasi DNA pada orang tua, faktor-faktor yang dialami anak-anak dapat mengubah metilasi DNA mereka sendiri. Berbeda dengan kode genetik, metilasi DNA pada anak-anak dapat diubah oleh perilaku dan paparan lingkungan di kemudian hari.
Ketika metilasi DNA dipengaruhi oleh perilaku, tanda metil pada DNA tempat kelompok metil dapat menempel dapat mengubah dan memengaruhi ekspresi gen dengan cara itu. Meskipun banyak penelitian yang berhubungan dengan tanggal ekspresi gen dari bertahun-tahun yang lalu, hanya baru-baru ini hasilnya dihubungkan dengan a meningkatnya volume penelitian epigenetik. Penelitian ini menunjukkan bahwa peran epigenetik mungkin sama kuatnya pengaruh pada organisme sebagai kode genetik yang mendasarinya.