Struktur motif i seperti simpul yang menonjol dari heliks ganda DNA telah dipetakan di 50.000 lokasi dalam genom manusia, terkonsentrasi di area fungsional utama termasuk wilayah yang mengendalikan aktivitas gen. (Kredit: Garvan Institute)
DARLINGHURST, Australia — Genom manusia selama ini menyembunyikan sebuah rahasia: genomnya penuh dengan simpul. Sebuah studi baru telah memetakan lebih dari 50.000 wilayah tempat DNA terlipat menjadi struktur kompleks yang disebut i-motif, yang berpotensi mengungkap dimensi baru regulasi genetik. Penemuan ini dapat merevolusi pemahaman kita tentang bagaimana gen diatur dan berpotensi mengarah pada pendekatan baru untuk mengobati penyakit.
Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah mengetahui bahwa DNA biasanya berbentuk heliks ganda, struktur tangga bengkok ikonik yang dijelaskan oleh Watson dan Crick. Namun, penelitian baru ini mengungkapkan bahwa bagian-bagian tertentu dari kode genetik kita dapat berbentuk lebih eksotis, terlipat di dalam dirinya sendiri untuk menciptakan simpul empat untai.
Struktur i-motif ini, yang dinamai berdasarkan pola lipatannya yang tidak biasa, dulunya dianggap sebagai keingintahuan laboratorium yang tidak mungkin ada dalam sel hidup. Kebijaksanaan konvensional menyatakan bahwa mereka memerlukan kondisi asam yang tidak sesuai dengan kehidupan. Namun, kemajuan terkini telah menunjukkan bahwa i-motif dapat terbentuk dalam kondisi fisiologis, dan sekarang penelitian ini menunjukkan betapa lazimnya mereka di seluruh genom manusia.
Dipimpin oleh para peneliti di Garvan Institute of Medical Research di Australia, tim tersebut mengembangkan metode baru untuk memetakan struktur i-motif di seluruh genom manusia. Mereka menggunakan antibodi yang dirancang khusus yang secara khusus mengenali dan mengikat i-motif, sehingga memungkinkan mereka untuk mengambil struktur ini dari DNA manusia yang dimurnikan.
Hasil yang dipublikasikan di Jurnal EMBOsangat mencolok. Para peneliti mengidentifikasi lebih dari 50.000 daerah yang mampu membentuk i-motif di seluruh sampel DNA dari tiga garis sel manusia yang berbeda. Struktur ini ditemukan di seluruh genom, di berbagai bagian gen dan ruang di antara mereka.
“Itu angka yang sangat tinggi untuk struktur DNA yang keberadaannya dalam sel pernah dianggap kontroversial,” kata penulis senior Daniel Christ, Kepala Lab Terapi Antibodi dan Direktur Pusat Terapi Terarah di Garvan, dalam sebuah pernyataan. “Temuan kami mengonfirmasi bahwa motif-i bukan sekadar keingintahuan laboratorium, tetapi tersebar luas – dan kemungkinan memainkan peran kunci dalam fungsi genomik.”
Apa sebenarnya fungsi struktur origami DNA yang penuh teka-teki ini?
Studi ini memberikan bukti kuat bahwa i-motif berperan penting dalam mengatur aktivitas gen. Motif-i cenderung terletak di dekat lokasi awal gen dan sangat melimpah pada gen yang menjadi aktif selama tahap awal siklus sel saat sel bersiap untuk membelah.
Hubungan dengan regulasi gen ini didukung lebih lanjut oleh fakta bahwa motif-i sering tumpang tindih dengan elemen regulasi lain yang diketahui dalam genom. Misalnya, motif-i sering muncul di dekat jenis struktur DNA lain yang tidak biasa yang disebut G-quadruplexes, yang telah terlibat dalam pengendalian ekspresi gen.
Memahami bagaimana i-motif berkontribusi pada regulasi gen dapat memberikan wawasan baru ke dalam proses biologis fundamental dan mekanisme penyakit. Hal ini juga dapat membuka jalan baru untuk pengembangan obat, karena molekul yang menargetkan atau memanipulasi i-motif berpotensi digunakan untuk mengendalikan aktivitas gen dalam konteks terapeutik.
“Keberadaan i-motif yang tersebar luas di dekat rangkaian 'holy grail' yang terlibat dalam kanker yang sulit diobati membuka kemungkinan baru untuk pendekatan diagnostik dan terapi baru,” kata rekan penulis studi Sarah Kummerfeld, Kepala Ilmiah di Garvan. “Mungkin saja untuk merancang obat yang menargetkan i-motif untuk memengaruhi ekspresi gen, yang dapat memperluas pilihan pengobatan saat ini.”
Penelitian ini juga menyoroti sifat dinamis materi genetik kita. Jauh dari sekadar cetak biru statis, DNA tampaknya merupakan molekul yang berubah bentuk dan mampu mengadopsi konformasi berbeda untuk menyempurnakan fungsinya. Hal ini menambah lapisan kompleksitas lain pada rangkaian gen dan protein yang sudah rumit yang mengatur kehidupan.
Seperti halnya kemajuan ilmiah besar lainnya, penemuan ini menimbulkan banyak pertanyaan sekaligus jawaban. Bagaimana tepatnya i-motif terbentuk dan menghilang dalam sel hidup? Protein apa yang berinteraksi dengannya? Bagaimana mereka berubah dalam berbagai jenis sel atau kondisi penyakit? Pertanyaan-pertanyaan ini niscaya akan mendorong penelitian masa depan dalam bidang baru yang menarik ini. Penemuan i-motif yang tersebar luas dalam DNA manusia membuka babak baru dalam pemahaman kita tentang genetika dan pada akhirnya dapat mengarah pada pendekatan baru untuk mendiagnosis dan mengobati berbagai macam penyakit.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menggunakan teknik yang cerdas untuk memetakan motif-i di seluruh genom manusia. Mereka memulai dengan DNA yang diekstraksi dari tiga garis sel manusia yang berbeda, memecahnya menjadi fragmen-fragmen kecil. Kemudian, mereka menggunakan antibodi khusus (disebut iMab) yang secara khusus mengenali struktur motif-i. Antibodi ini bertindak seperti kail pancing, yang memungkinkan mereka menarik fragmen DNA yang mengandung motif-i.
Fragmen-fragmen ini kemudian diurutkan untuk menentukan lokasi pastinya dalam genom. Untuk memvalidasi temuan mereka, tim mensintesis beberapa urutan DNA yang teridentifikasi dan menggunakan teknik biofisika untuk mengonfirmasi bahwa mereka memang membentuk i-motif dalam berbagai kondisi.
Hasil Utama
Studi ini mengidentifikasi lebih dari 50.000 daerah yang mampu membentuk i-motif di seluruh genom dari tiga lini sel yang berbeda. Struktur ini ditemukan di seluruh genom, termasuk di daerah pengatur gen, intron (bagian non-pengkodean dalam gen), dan ruang intergenik.
Yang penting, motif-i sering kali terletak di dekat lokasi awal gen dan khususnya berlimpah dalam gen yang menjadi aktif selama tahap awal siklus sel. Para peneliti juga mengamati tumpang tindih yang signifikan antara lokasi motif-i dan elemen pengatur lain yang diketahui, seperti G-quadruplex.
Keterbatasan Studi
Meski inovatif, penelitian ini memiliki beberapa keterbatasan. Eksperimen dilakukan pada DNA murni di luar sel hidup, jadi belum dapat dipastikan seberapa dekat hal ini mencerminkan pembentukan motif-i dalam lingkungan sel hidup yang kompleks.
Selain itu, penelitian ini hanya berfokus pada tiga lini sel, yang mungkin tidak menangkap keragaman penuh pola i-motif di berbagai jenis sel atau kondisi fisiologis. Para peneliti juga mencatat bahwa metode mereka mungkin tidak mendeteksi semua kemungkinan struktur i-motif, terutama yang kurang stabil atau terbentuk dalam kondisi yang berbeda.
Diskusi & Kesimpulan
Penelitian ini memberikan bukti kuat bahwa struktur i-motif merupakan fitur umum dan mungkin penting dari genom manusia. Distribusi i-motif yang luas dan hubungannya dengan daerah pengatur gen menunjukkan bahwa mereka memainkan peran penting dalam mengendalikan ekspresi gen. Hal ini dapat memiliki implikasi yang luas bagi pemahaman kita tentang pengaturan gen, proses seluler, dan mekanisme penyakit.
Studi ini juga menyoroti sifat dinamis DNA, yang menunjukkan bahwa materi genetik kita mampu mengadopsi struktur tiga dimensi yang kompleks di luar heliks ganda klasik. Temuan ini membuka jalan baru untuk penelitian tentang struktur dan fungsi DNA dan pada akhirnya dapat mengarah pada pendekatan terapi baru yang menargetkan atau memanipulasi i-motif untuk mengendalikan aktivitas gen.
Pendanaan & Pengungkapan
Penelitian ini didanai oleh National Health and Medical Research Council. Para peneliti menyatakan tidak ada konflik kepentingan terkait dengan penelitian ini. Makalah ini mengakui penggunaan layanan dan fasilitas dari Australian Genome Research Facility dan Children's Medical Research Institute.
