Setiap sel mengekspresikan, atau mengaktifkan, hanya sebagian kecil dari gen-gennya. “Mengekspresikan” atau “mengaktifkan” berarti bahwa protein dihasilkan dari gen tersebut. Sisanya dari gen-gen tersebut ditekan, atau dimatikan (tidak ada protein yang dihasilkan dari gen-gen tersebut). Proses mengaktifkan dan menonaktifkan gen dikenal sebagai regulasi gen. Regulasi gen adalah bagian penting dari perkembangan normal. Gen-gen diaktifkan dan dinonaktifkan dalam pola yang berbeda selama perkembangan untuk membuat sel otak terlihat dan berperilaku berbeda dari sel hati atau sel otot, sebagai contoh. Regulasi gen juga memungkinkan sel untuk bereaksi cepat terhadap perubahan lingkungan mereka. Meskipun kita tahu bahwa regulasi gen penting untuk kehidupan, proses kompleks ini belum sepenuhnya dipahami.
Agar sel berfungsi dengan baik, protein-protein yang diperlukan harus disintesis pada waktu yang tepat. Semua organisme dan sel mengendalikan atau mengatur transkripsi dan translasi DNA mereka menjadi protein. Proses mengaktifkan suatu gen untuk membuat RNA dan protein disebut sebagai ekspresi gen. Baik dalam organisme uniseluler sederhana maupun organisme multiseluler kompleks, setiap sel mengendalikan kapan dan bagaimana gen-gennya diekspresikan. Untuk hal ini terjadi, harus ada mekanisme untuk mengendalikan kapan suatu gen diekspresikan untuk membuat RNA dan protein, seberapa banyak protein yang dibuat, dan kapan waktunya untuk berhenti membuat protein itu karena tidak lagi diperlukan.
Sel dalam organisme multiseluler berspesialisasi; sel dalam jaringan yang berbeda memiliki penampilan yang sangat berbeda dan melakukan fungsi yang berbeda. Sebagai contoh, sel otot sangat berbeda dari sel hati, yang sangat berbeda dari sel kulit. Perbedaan ini adalah konsekuensi dari ekspresi kumpulan gen yang berbeda di setiap sel ini. Semua sel memiliki fungsi dasar tertentu yang harus dilakukan untuk diri mereka sendiri, seperti mengubah energi dalam molekul gula menjadi energi dalam ATP. Oleh karena itu, ada kumpulan gen “housekeeping” yang diekspresikan di semua sel. Setiap jenis sel juga memiliki banyak gen yang tidak diekspresikan karena sel tersebut tidak perlu melakukan fungsi-fungsi tersebut. Sel-sel tertentu juga mengekspresikan banyak gen yang tidak diekspresikan oleh sel lainnya sehingga mereka dapat melaksanakan fungsi khusus mereka. Selain itu, sel akan mengaktifkan atau menonaktifkan gen tertentu pada waktu yang berbeda sebagai respons terhadap perubahan lingkungan atau pada waktu yang berbeda selama perkembangan organisme. Organisme uniseluler, baik eukariotik maupun prokariotik, juga mengaktifkan dan menonaktifkan gen sebagai respons terhadap tuntutan lingkungan mereka sehingga mereka dapat merespons kondisi khusus.
EPIGENETIK
Modifikasi DNA yang tidak mengubah urutan DNA dapat memengaruhi aktivitas gen. Senyawa kimia yang ditambahkan ke gen tunggal dapat mengatur aktivitasnya; modifikasi-modifikasi ini dikenal sebagai perubahan epigenetik. Epigenom terdiri dari semua senyawa kimia yang telah ditambahkan ke seluruh DNA seseorang (genom) sebagai cara untuk mengatur aktivitas (ekspresi) dari semua gen dalam genom tersebut. Senyawa kimia dari epigenom bukan bagian dari urutan DNA, tetapi ada pada atau melekat pada DNA (“epi-” berarti di atas dalam bahasa Yunani). Modifikasi epigenom tetap ada saat sel membelah dan dalam beberapa kasus dapat diwariskan melalui generasi. Pengaruh lingkungan, seperti pola makan seseorang dan paparan polutan, juga dapat memengaruhi epigenom.
Perubahan epigenetik dapat membantu menentukan apakah gen diaktifkan atau dinonaktifkan dan dapat memengaruhi produksi protein dalam sel-sel tertentu, memastikan bahwa hanya protein yang diperlukan yang diproduksi. Sebagai contoh, protein yang mendorong pertumbuhan tulang tidak diproduksi dalam sel otot. Pola modifikasi epigenom bervariasi di antara individu, berbagai jaringan dalam individu, dan bahkan sel yang berbeda.
Genom manusia mengkodekan lebih dari 20.000 gen, yang berarti bahwa setiap dari 23 pasang kromosom manusia mengandung ribuan gen. DNA di inti setiap sel diatur dengan presisi, dilipat, dan dikompakkan ke dalam kromosom sehingga akan muat di dalam membran inti. Ini juga diatur sehingga segmen-segmen spesifik dapat diakses sesuai kebutuhan oleh jenis sel tertentu.
Tingkat organisasi atau paket pertama adalah pembungkusan untai DNA di sekitar protein histon. Histon mengemas dan mengurutkan DNA ke dalam unit struktural yang disebut kompleks nukleosom, yang dapat mengendalikan akses protein ke daerah DNA . Di bawah mikroskop elektron, pembungkusan DNA di sekitar protein histon untuk membentuk nukleosom terlihat seperti butiran-butiran kecil di atas seutas benang. Butiran-butiran ini (protein histon) dapat bergerak sepanjang benang (DNA) dan mengubah struktur molekul. Jika DNA yang mengkodekan gen tertentu akan ditranskripsi menjadi RNA, nukleosom yang mengelilingi wilayah DNA tersebut dapat meluncur ke bawah DNA untuk membuka wilayah kromosom yang spesifik itu dan memungkinkan mesin transkripsi (RNA polimerase) untuk memulai transkripsi. Nukleosom dapat bergerak untuk membuka struktur kromosom untuk mengekspos segmen DNA, tetapi melakukannya dengan cara yang sangat terkontrol.
Daerah terbuka aktif dari kromatin disebut eukromatin. Wilayah genom yang aktif secara transkripsi biasanya eukromatik. Wilayah kromatin yang sangat bungkus disebut heterokromatin. Wilayah heterokromatin dari genom biasanya disenyapkan dan tidak aktif secara transkripsi.
PERUBAHAN HISTON
Bagaimana protein histon bergerak, dan apakah DNA membungkus dengan longgar atau erat di sekitar mereka, tergantung pada sinyal yang ditemukan pada protein histon dan pada DNA. Sinyal-sinyal ini adalah tanda-tanda kimia yang ditambahkan ke protein histon dan DNA yang memberi tahu histon apakah suatu wilayah kromosom harus terbuka atau tertutup. Tanda-tanda ini tidak permanen, tetapi dapat ditambahkan atau dihapus sesuai kebutuhan. Mereka merupakan modifikasi kimia (kelompok fosfat, metil, atau asetil) yang melekat pada asam amino tertentu dalam protein atau pada nukleotida DNA. Tanda-tanda ini tidak mengubah urutan basa DNA, tetapi mengubah seberapa kencang DNA dibungkus di sekitar protein histon.
Jenis regulasi gen seperti ini disebut sebagai regulasi epigenetik. Epigenetik berarti “sekitar atau di atas genetika.” Perubahan yang terjadi pada protein histon dan DNA tidak mengubah urutan nukleotida dan tidak permanen. Sebaliknya, perubahan-perubahan ini bersifat sementara, meskipun seringkali bisa bertahan melalui beberapa putaran pembelahan sel. Mereka mengubah struktur kromosom (eukromatin terbuka atau heterokromatin tertutup) sesuai kebutuhan, tetapi tidak mengubah urutan basa dalam DNA.
Sebuah gen bisa diaktifkan atau dinonaktifkan tergantung pada lokasi dan modifikasi-modifikasi pada protein histon dan DNA. Jika sebuah gen akan ditranskripsi, protein histon dan DNA dimodifikasi di sekitar wilayah kromosom yang mengkodekan gen tersebut. Ini membuka wilayah kromosom (menjadi eukromatik) untuk memberikan akses bagi RNA polimerase dan protein lainnya, yang disebut faktor transkripsi, untuk berikatan pada wilayah promoter, yang terletak di hulu gen, dan memulai transkripsi. Jika sebuah gen harus tetap mati, atau disenyapkan, protein histon dan DNA memiliki modifikasi yang berbeda yang menandakan konfigurasi kromosom yang tertutup. Pada konfigurasi tertutup ini (heterokromatin), RNA polimerase dan faktor transkripsi tidak memiliki akses ke DNA dan transkripsi tidak dapat terjadi.
Metilasi DNA
Jenis modifikasi epigenom yang umum disebut sebagai metilasi. Metilasi melibatkan pemberian molekul-molekul kecil yang disebut kelompok metil, yang masing-masing terdiri dari satu atom karbon dan tiga atom hidrogen, pada nukleotida DNA atau asam amino yang membentuk protein histon.
Ketika DNA dimetilasi, kelompok metil biasanya ditambahkan pada nukleotida sitosin. Ini terjadi dalam wilayah-wilayah tertentu yang disebut pulau-pulau CpG. Ini adalah rentetan dengan frekuensi tinggi dari pasangan DNA dinukleotida sitosin dan guanin (CG) yang ditemukan dalam wilayah-wilayah promoter gen. Ketika konfigurasi ini ada, anggota sitosin dari pasangan tersebut dapat dimetilasi (kelompok metil ditambahkan). Modifikasi ini mengubah bagaimana DNA berinteraksi dengan protein, termasuk protein histon yang mengendalikan akses ke wilayah tersebut. Ketika kelompok metil ditambahkan pada gen tertentu, gen tersebut dimatikan atau disenyapkan, dan tidak ada protein yang dihasilkan dari gen tersebut.
Hipotesis “Kode Histon”
Hipotesis kode histon adalah hipotesis bahwa transkripsi suatu gen sebagian diatur oleh modifikasi yang dibuat pada protein histon, terutama pada ujung-ujung yang agak lentur (‘ekor’ mereka). Banyak modifikasi ekor histon ini berkorelasi sangat baik dengan struktur kromatin dan baik keadaan modifikasi histon maupun struktur kromatin berkorelasi dengan tingkat ekspresi gen. Konsep paling penting dalam hipotesis kode histon adalah bahwa modifikasi histon berfungsi untuk merekrut protein-protein lain dengan pengenalan spesifik terhadap histon yang telah dimodifikasi, daripada hanya dengan menstabilkan atau menggoyahkan interaksi antara histon dan DNA yang mendasarinya. Protein-protein yang direkrut ini kemudian bertindak untuk mengubah struktur kromatin secara aktif atau untuk mempromosikan transkripsi.
Kode histon memiliki potensi untuk menjadi sangat kompleks. Ada setidaknya 20 modifikasi yang dibuat pada ekor histon yang telah cukup baik dikarakterisasi, dan ada potensi untuk banyak lagi yang belum kita temukan. Setiap histon dapat dimodifikasi pada beberapa asam amino, dengan beberapa modifikasi kimia yang berbeda. Informasi yang dapat disimpan dalam kode histon jauh lebih besar daripada yang disimpan dalam urutan basa dalam genom manusia.
Metilasi Histon
Sebagian dari protein histon yang dikenal sebagai ‘ekor’ histon dapat memiliki kelompok metil (CH3) yang ditambahkan kepadanya. Ini adalah modifikasi yang sama yang dilakukan pada nukleotida sitosin dalam DNA. Asam amino spesifik dalam ‘ekor’ histon yang termetilasi sangat penting untuk menentukan apakah akan merapat atau melonggarkan struktur kromatin. Modifikasi beberapa asam amino dalam ‘ekor’ ini berkorelasi dengan eukromatin dan transkripsi yang aktif, sementara modifikasi asam amino lain berkorelasi dengan heterokromatin dan penyenyapan gen. Perlu diingat bahwa histon dapat dimetilasi, tetapi kita tidak dapat menggunakan metilasi histon sebagai prediktor untuk eukromatin atau heterokromatin.
Asetilasi Histon
‘Ekor’ histon juga dapat dimodifikasi dengan penambahan kelompok asetil (proses ini dikenal sebagai asetilasi). Jika Anda ingat dari respirasi sel, kelompok asetil (seperti yang ditemukan dalam asetil-KoA) adalah molekul 2 karbon. Ketika ‘ekor’ histon diasetilasi, hal ini biasanya menyebabkan ‘ekor’ tersebut melonggar dari sekitar DNA, memungkinkan kromatin untuk melonggar.