Regulasi gen mengontrol kapan, di mana, dan seberapa banyak suatu gen diekspresikan melalui aksi gabungan faktor transkripsi, modifikasi kromatin, dan RNA non-pengkode. Epigenetika mengacu pada perubahan yang dapat diwariskan dalam ekspresi gen yang terjadi tanpa perubahan dalam sekuens DNA.
Regulasi Gen Prokariot
Gen bakteri sering diatur ke dalam operon, kelompok gen yang ditranskripsi sebagai mRNA polisistronik tunggal. Operon lac adalah contoh klasik, yang mengandung gen untuk metabolisme laktosa. Ini dikendalikan oleh dua sistem regulasi: represor Lac, yang memblokir transkripsi tanpa adanya laktosa, dan represi katabolit, yang membutuhkan cAMP dan CAP untuk aktivasi penuh ketika glukosa tidak ada. Sekuens operator antara promotor dan gen struktural mengikat represor, menyediakan regulasi negatif. Sakelar on-off sederhana ini memungkinkan bakteri merespons dengan cepat terhadap perubahan lingkungan.
Faktor Transkripsi Eukariot
Regulasi gen eukariot melibatkan interaksi kompleks faktor transkripsi yang mengikat sekuens DNA spesifik. Faktor transkripsi umum berkumpul di promotor inti dengan RNA polimerase II, membentuk kompleks transkripsi basal. Faktor transkripsi spesifik mengikat sekuens enhancer atau silencer, sering terletak jauh dari promotor, dan berinteraksi dengan kompleks basal melalui protein mediator dan koaktivator.
Faktor transkripsi mengandung domain pengikat DNA seperti motif heliks-putar-heliks, jari seng, ritsleting leusin, atau heliks-loop-heliks basa. Mereka juga mengandung domain aktivasi yang merekrut koaktivator dan enzim modifikasi kromatin. Kontrol kombinatorial, di mana beberapa faktor transkripsi harus mengikat secara kooperatif, memungkinkan pola ekspresi gen yang kompleks dari sejumlah terbatas protein regulator.
Kromatin dan Regulasi Gen
Pada eukariot, DNA dikemas menjadi kromatin, yang membatasi akses ke sekuens regulasi. Kompleks remodeling kromatin seperti SWI/SNF menggunakan hidrolisis ATP untuk menggeser, mengusir, atau merestrukturisasi nukleosom, membuat DNA dapat diakses. Enzim modifikasi histon mengubah struktur kromatin melalui modifikasi kovalen. Histon asetiltransferase mengasetilasi residu lisin pada ekor histon, menetralkan muatan positifnya dan melonggarkan interaksi histon-DNA. Histon deasetilase membalikkan modifikasi ini, mempromosikan pemadatan kromatin.
Hipotesis kode histon mengusulkan bahwa pola spesifik modifikasi histon menentukan keadaan kromatin dan aktivitas gen. Trimetilasi histon H3 lisin 4 menandai promotor aktif, sementara trimetilasi H3 lisin 9 atau H3 lisin 27 menandai kromatin yang direpresi. Fosforilasi, ubiquitinasi, dan SUMOilasi histon menyediakan lapisan regulasi tambahan.
Metilasi DNA
Metilasi DNA terjadi pada posisi 5 sitosin dalam dinukleotida CpG, dikatalisis oleh metiltransferase DNA. Pola metilasi dapat dianalisis dengan Southern blot menggunakan enzim restriksi sensitif metilasi. Pulau CpG di dekat promotor gen biasanya tidak termetilasi pada gen aktif. Metilasi pulau CpG promotor dikaitkan dengan pembungkaman transkripsi dan penting untuk pencetakan genomik dan inaktivasi kromosom X. Pola metilasi DNA ditetapkan selama perkembangan dan dipertahankan melalui pembelahan sel oleh metiltransferase pemeliharaan DNMT1. Metilasi DNA yang menyimpang umum terjadi pada kanker, di mana promotor gen penekan tumor menjadi hipermetilasi.
Pewarisan Epigenetik
Modifikasi epigenetik dapat diwariskan melalui pembelahan sel. Selama replikasi DNA, modifikasi histon ditetapkan kembali pada nukleosom baru, dan pola metilasi DNA disalin oleh metiltransferase pemeliharaan. Beberapa tanda epigenetik bahkan dapat ditularkan antar generasi. Pencetakan orangtua menyebabkan gen tertentu hanya diekspresikan dari alel ibu atau ayah, dengan cetakan ditetapkan selama gametogenesis dan dipertahankan setelah fertilisasi. Gangguan seperti sindrom Prader-Willi dan Angelman melibatkan daerah yang dicetak pada kromosom 15.
Regulasi oleh RNA Non-Pengkode
RNA kecil mengatur ekspresi gen di banyak tingkatan. MicroRNA menghambat translasi atau mempromosikan degradasi mRNA target. Piwi-interacting RNA membungkam elemen transposabel di garis germinal. Long non-coding RNA merekrut kompleks modifikasi kromatin ke lokus genomik spesifik. lncRNA XIST menyebar di sepanjang kromosom X, merekrut kompleks polikomb represif untuk membungkam satu kromosom X selama perkembangan wanita.
Integrasi Sinyal
Ekspresi gen mengintegrasikan sinyal dari beberapa jalur. Elemen respons dalam promotor gen mengikat faktor transkripsi yang diaktifkan oleh kaskade pensinyalan spesifik. Protein CREB merespons kadar cAMP, reseptor glukokortikoid merespons pengikatan hormon, dan NF-kappaB merespons sinyal inflamasi. Integrasi sinyal memungkinkan gen merespons secara tepat terhadap isyarat lingkungan dan perkembangan yang kompleks, memastikan pola ekspresi gen spasial dan temporal yang tepat. Teknologi CRISPR-Cas9 memungkinkan modifikasi gen yang ditargetkan untuk mempelajari regulasi dan fungsinya.
