Sebuah studi yang dilakukan oleh kelompok Hackett di EMBL Roma telah mengarah pada pengembangan teknik pengeditan gen yang kuat, yang membuka kemampuan untuk memprogram modifikasi kromatin secara tepat.

Memahami bagaimana gen diatur pada tingkat molekuler merupakan tantangan besar dalam biologi modern. Mekanisme kompleks ini terutama didorong oleh interaksi antar protein yang disebut faktor transkripsi, DNA Daerah regulasi dan modifikasi epigenetik – perubahan kimia yang mengubah struktur kromatin. Kumpulan modifikasi epigenetik pada genom sel disebut sebagai epigenom.

Kemajuan dalam pengeditan epigenom

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan hari ini (9 Mei) di Genetika alamPara ilmuwan dari kelompok Hackett di Laboratorium Biologi Molekuler Eropa (EMBL) di Roma telah mengembangkan platform pengeditan genom modular – sebuah sistem untuk memprogram modifikasi epigenetik di mana pun dalam genom. Sistem ini memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari pengaruh setiap modifikasi kromatin pada transkripsi, mekanisme dimana gen ditranskripsi menjadi mRNA untuk mengkatalisis sintesis protein.

Modifikasi kromatin diperkirakan berkontribusi pada regulasi proses biologis utama seperti pertumbuhan, respons terhadap sinyal lingkungan, dan penyakit.

Ilustrasi kreatif Perangkat Pengeditan Epigenetik: Setiap bangunan mewakili keadaan epigenetik dari satu gen (jendela gelap adalah gen yang diam, jendela terang adalah gen yang aktif). Tuas ini menunjukkan sistem pengeditan epigenetik yang memungkinkan pengendapan tanda kromatin secara de novo di situs genom mana pun. Marzia Monafo

Untuk memahami pengaruh tanda kromatin tertentu pada regulasi gen, penelitian sebelumnya telah memetakan distribusinya dalam genom tipe sel sehat dan sakit. Dengan menggabungkan data ini dengan analisis ekspresi gen dan efek gangguan gen tertentu yang diketahui, para ilmuwan telah mengaitkan fungsi dengan tanda kromatin ini.

Namun, terbukti sulit untuk menentukan hubungan sebab akibat antara tanda kromatin dan regulasi gen. Tantangannya adalah membedah kontribusi individu dari banyak faktor kompleks yang terlibat dalam regulasi tersebut – tanda kromatin, faktor transkripsi, dan rangkaian regulasi DNA.

Terobosan dalam teknologi pengeditan epigenom

Para ilmuwan dari kelompok Hackett telah mengembangkan sistem pengeditan genom modular untuk secara tepat memprogram sembilan tanda kromatin yang penting secara biologis ke dalam wilayah genom mana pun yang diinginkan. Sistem ini didasarkan pada CRISPR – teknologi pengeditan genom yang banyak digunakan yang memungkinkan peneliti melakukan modifikasi pada lokasi DNA tertentu dengan presisi tinggi dan Ketepatan.

Gangguan halus seperti itu memungkinkan mereka membedah dengan hati-hati hubungan sebab-akibat antara tanda kromatin dan efek biologisnya. Para ilmuwan juga merancang dan menggunakan “sistem reporter”, yang memungkinkan mereka mengukur perubahan ekspresi gen pada tingkat sel tunggal dan memahami bagaimana perubahan urutan DNA memengaruhi efek setiap tanda kromatin. Hasil penelitian mereka mengungkapkan peran kausal dari serangkaian tanda kromatin yang penting dalam regulasi gen.

Temuan utama dan arah masa depan

Misalnya, para peneliti telah menemukan peran baru untuk H3K4me3, sebuah tanda kromatin yang sebelumnya dianggap sebagai konsekuensi transkripsi. Mereka mencatat bahwa H3K4me3 sebenarnya dapat meningkatkan transkripsi dengan sendirinya jika ditambahkan secara artifisial ke situs tertentu dalam DNA.

“Ini adalah hasil yang sangat menarik dan tidak terduga yang bertentangan dengan harapan kami,” kata Christina Policarpi, peneliti pascadoktoral di kelompok Hackett dan ilmuwan utama dalam penelitian tersebut. “Data kami menunjukkan jaringan regulasi yang kompleks, di mana berbagai faktor pengatur berinteraksi untuk memodulasi tingkat ekspresi gen dalam sel tertentu. Faktor-faktor ini mencakup struktur kromatin yang sudah ada sebelumnya, urutan DNA yang mendasarinya, dan lokasi dalam genom.

Potensi aplikasi dan penelitian masa depan

Hackett dan rekan-rekannya sedang mencari cara untuk memanfaatkan teknologi ini melalui proyek startup yang menjanjikan. Langkah selanjutnya adalah mengonfirmasi dan memperluas kesimpulan ini dengan menargetkan gen pada tipe sel berbeda dan dalam skala luas. Bagaimana tanda kromatin mempengaruhi transkripsi melalui keragaman gen dan mekanisme hilir masih harus dijelaskan.

“Perangkat pengeditan epigenetik modular kami merupakan pendekatan eksperimental baru untuk membedah hubungan antara genom dan epigenom,” kata Jamie Hackett, pemimpin kelompok di EMBL Roma. “Sistem ini dapat digunakan di masa depan untuk lebih memahami secara tepat pentingnya perubahan epigenomik dalam mempengaruhi aktivitas gen selama perkembangan dan penyakit manusia Ini adalah cara yang menarik untuk diterapkan.” Manfaat kesehatan yang akurat mungkin berguna dalam kasus penyakit.

Referensi: “Pengeditan genom batang menangkap fungsi instruktif modifikasi kromatin yang bergantung pada konteks” 9 Mei 2024, Genetika alam.
doi: 10.1038/s41588-024-01706-s