Epigenetika: Definisi, Cara Kerja, Contoh

Informasi genetik untuk suatu organisme dikodekan dalam DNA kromosom organisme, tetapi ada pengaruh lain yang bekerja. Itu urutan DNA membuat gen mungkin tidak aktif, atau mereka mungkin diblokir. Karakteristik suatu organisme ditentukan oleh gennya, tetapi apakah gen tersebut benar-benar menciptakan karakteristik yang disandikan 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 urutan DNA tanpa mengubah kode DNA adalah subjek untuk epigenetik.

Epigenetik adalah proses di 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

Sebuah gen mengekspresikan dirinya dengan membuat salinan dirinya sendiri dan mengirimkan salinannya 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 tersebut dihalangi untuk memproduksi protein, karakteristik organisme tidak akan muncul.

Epigenetika melihat bagaimana gen dapat diblokir dari memproduksi proteinnya, dan bagaimana gen dapat diaktifkan kembali jika diblokir. Di antara banyak mekanisme epigenetik yang dapat mempengaruhi ekspresi gen adalah sebagai berikut:

• Menonaktifkan gen.
• Menghentikan gen dari membuat salinan.
• Menghentikan gen yang disalin dari memproduksi protein.
• Memblokir fungsi protein.
• Putus protein sebelum dapat bekerja.

Epigenetika mempelajari bagaimana gen diekspresikan, apa yang mempengaruhi ekspresi mereka dan mekanisme yang mengontrol gen. Itu terlihat pada lapisan pengaruh di atas lapisan genetik dan bagaimana lapisan ini menentukan perubahan epigenetik seperti apa organisme itu dan bagaimana perilakunya.

Meskipun semua sel dalam suatu organisme memiliki genom yang sama, sel-sel mengambil fungsi yang berbeda berdasarkan 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 tersebut dapat bervariasi tergantung pada banyak faktor internal dan eksternal, termasuk yang berikut:

• Hormon
• Faktor pertumbuhan
• Neurotransmitter
• Faktor transkripsi
• Rangsangan kimia
• Stimulus lingkungan
  

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, ekspresi gen secara keseluruhan berubah. Faktor internal dan eksternal diperlukan untuk ekspresi gen, atau mungkin menghalangi salah satu tahapan. Jika faktor yang diperlukan seperti enzim yang dibutuhkan untuk produksi protein tidak ada, protein tidak dapat diproduksi.

Jika ada faktor penghambat, tahap ekspresi gen yang sesuai tidak dapat berfungsi, dan ekspresi gen yang relevan diblokir. Epigenetik berarti bahwa suatu sifat yang dikodekan dalam urutan DNA gen mungkin tidak muncul dalam organisme.

Genom dikodekan dalam molekul tipis dan panjang dari sekuens DNA yang harus dililit erat dalam struktur kromatin yang rumit agar sesuai dengan inti sel kecil.

Untuk mengekspresikan gen, DNA disalin melalui a mekanisme transkripsi. Bagian dari DNA heliks ganda yang berisi gen yang akan diekspresikan dibuka sedikit dan molekul RNA membuat salinan urutan DNA yang membentuk gen.

Molekul DNA dililitkan di sekitar protein khusus yang disebut histon. Histon dapat diubah sehingga DNA dililit lebih atau kurang rapat.

Seperti itu modifikasi histone dapat mengakibatkan molekul DNA terlilit begitu 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 histon menghasilkan kontrol epigenetik gen.

Selain membatasi akses ke gen, protein histon dapat diubah untuk mengikat lebih atau kurang erat dengan molekul DNA yang melilit mereka di kromatin struktur. Modifikasi histon tersebut mempengaruhi mekanisme transkripsi yang fungsinya membuat salinan RNA dari gen yang akan diekspresikan.

Modifikasi histone yang mempengaruhi ekspresi gen dengan cara ini meliputi:

• Metilasi - menambahkan gugus metil ke histon, meningkatkan pengikatan ke DNA dan mengurangi ekspresi gen.
• Fosforilasi - menambahkan gugus fosfat ke histon. Efek pada ekspresi gen tergantung pada interaksi dengan metilasi dan asetilasi.
• Asetilasi - asetilasi histon mengurangi pengikatan dan meningkatkan ekspresi gen. Gugus asetil ditambahkan dengan histone acetyltransferases (HATs).
• De-asetilasi - menghilangkan gugus asetil, meningkatkan pengikatan dan mengurangi ekspresi gen dengan histone deacetylase.

Ketika histon diubah untuk meningkatkan pengikatan, kode genetik untuk gen tertentu tidak dapat ditranskripsi, dan gen tidak diekspresikan. Ketika pengikatan berkurang, lebih banyak salinan genetik dapat dibuat, atau mereka dapat dibuat dengan lebih mudah. Gen spesifik kemudian diekspresikan semakin banyak protein yang disandikan diproduksi.

Setelah urutan DNA dari suatu gen disalin ke urutan RNA, itu molekul RNA meninggalkan nukleus. Protein yang dikodekan dalam urutan genetik dapat diproduksi oleh pabrik sel kecil yang disebut ribosom.

Rantai operasinya adalah sebagai berikut:

1. Transkripsi DNA menjadi RNA
2. Molekul RNA meninggalkan nukleus
3. RNA menemukan ribosom di dalam sel
4. Translasi urutan RNA ke rantai protein
5. Produksi protein

Dua fungsi utama molekul RNA adalah transkripsi dan translasi. Selain RNA yang digunakan untuk menyalin dan mentransfer urutan DNA, sel dapat menghasilkan interferensi RNA atau iRNA. Ini adalah untaian pendek dari urutan RNA yang disebut RNA non-coding karena mereka tidak memiliki urutan yang mengkodekan gen.

Fungsinya adalah untuk mengganggu transkripsi dan translasi, mengurangi ekspresi gen. Dengan cara ini, iRNA memiliki efek epigenetik.

Selama metilasi DNA, enzim yang disebut DNA metiltransferase mengikat gugus metil pada molekul DNA. Untuk mengaktifkan gen dan memulai proses transkripsi, protein harus menempel pada molekul DNA di dekat awal. Gugus metil ditempatkan di lokasi di mana protein transkripsi biasanya akan 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 sperma dan sel telur pada organisme tingkat 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 yang disebabkan oleh Metilasi DNA dapat diwariskan meskipun urutan DNA yang mendasarinya tetap tidak berubah.

Karena metilasi DNA merespon faktor epigenetik seperti lingkungan, diet, bahan kimia, stres, polusi, pilihan gaya hidup dan radiasi, reaksi epigenetik dari paparan faktor-faktor tersebut dapat diwarisi melalui DNA metilasi. Ini berarti bahwa, selain pengaruh silsilah, seorang individu dibentuk oleh perilaku orang tua dan faktor lingkungan di mana mereka terpapar.

Sel memiliki gen yang mempromosikan pembelahan sel serta gen yang menekan pertumbuhan sel yang cepat dan tidak terkendali seperti pada tumor. Gen yang menyebabkan tumbuhnya tumor disebut onkogen dan yang mencegah tumor disebut gen supresor tumor.

Kanker pada manusia dapat disebabkan oleh peningkatan ekspresi onkogen ditambah dengan ekspresi yang diblokir dari gen supresor tumor. Jika pola metilasi DNA yang sesuai dengan ekspresi gen ini diwariskan, keturunannya mungkin memiliki kerentanan yang meningkat terhadap kanker.

Dalam kasus Kanker kolorektal, pola metilasi DNA yang salah dapat diturunkan dari orang tua ke keturunannya. Menurut sebuah studi 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. Pada Sindrom Fragile X, gen kromosom X yang menghasilkan protein pengatur kunci hilang. Tidak adanya protein berarti bahwa protein BRD4, yang menghambat perkembangan intelektual, diproduksi secara berlebihan dengan cara yang tidak terkendali. Obat-obatan yang menghambat ekspresi BRD4 dapat digunakan untuk mengobati penyakit ini.

Epigenetik memiliki pengaruh besar pada penyakit, tetapi juga dapat mempengaruhi sifat organisme lain seperti perilaku.

Dalam sebuah penelitian tahun 1988 di McGill University, Michael Meany mengamati bahwa tikus yang ibunya merawat mereka dengan menjilat 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 dalam metilasi sel-sel otak pada bayi tikus. Perbedaan keturunan tikus adalah hasil dari efek epigenetik.

Studi lain telah melihat efek kelaparan. Ketika ibu terpapar kelaparan selama kehamilan, seperti yang terjadi di Belanda pada tahun 1944 dan 1945, mereka anak memiliki insiden obesitas dan penyakit koroner yang lebih tinggi dibandingkan dengan ibu yang tidak terpapar kelaparan. Risiko yang lebih tinggi dilacak pada pengurangan metilasi DNA dari gen yang memproduksi faktor pertumbuhan seperti insulin. Seperti itu efek epigenetik dapat diwariskan selama beberapa generasi.

Efek dari perilaku yang dapat ditularkan dari orang tua kepada anak-anak dan seterusnya dapat mencakup hal-hal berikut:

• Pola makan induk dapat mempengaruhi kesehatan mental anak.
• Paparan lingkungan terhadap polusi pada orang tua dapat mempengaruhi asma anak.
• Riwayat gizi ibu dapat mempengaruhi ukuran bayi lahir.
• Konsumsi alkohol berlebih oleh induk jantan dapat menyebabkan agresi pada keturunannya.
• Paparan orang tua terhadap kokain dapat mempengaruhi memori.

Efek-efek ini adalah hasil dari perubahan metilasi DNA yang diturunkan kepada keturunannya, tetapi jika faktor-faktor ini dapat mengubah metilasi DNA pada orang tua, faktor yang dialami anak dapat mengubah DNA mereka sendiri metilasi. Berbeda dengan kode genetik, metilasi DNA pada anak dapat diubah oleh perilaku dan paparan lingkungan di kemudian hari.

Ketika metilasi DNA dipengaruhi oleh perilaku, tanda metil pada DNA tempat gugus metil dapat menempel dapat mengubah dan memengaruhi ekspresi gen dengan cara itu. Meskipun banyak penelitian yang berhubungan dengan ekspresi gen berasal dari bertahun-tahun yang lalu, baru-baru ini hasilnya telah dihubungkan dengan meningkatnya volume penelitian epigenetik. Penelitian ini menunjukkan bahwa peran epigenetik mungkin sama kuat pengaruhnya terhadap organisme seperti halnya kode genetik yang mendasarinya.