26
RNA SILENCING:MEMBUNGKAM GEN DARI TEMBAKAU SAMPAI
CACING
SUPATMI
Pusat Penelitian Bioteknologi LIPI Jl. Raya Bogor KM. 46. Cibinong Telp. 021-8754587
email: [email protected]
el adalah bagian terkecil dari organisme. Baik manusia, hewan dan tumbuhan terdiri dari bermacam-macam sel. Sebagai contoh, hewan dan manusia memiliki berbagai macam tipe sel seperti sel kulit,
sel otot dan sel tulang atau pada tanaman seperti sel daun, sel batang dan sel akar.Sel-sel ini memiliki struktur dan fungsi yang berbeda-beda namun memiliki komponen nukleus yang hampir sama. Selnukleus mengandung DNA yang berfungsi mengkode pengaturan dari perkembangan dan fungsi dari sel. Informasi ini disusun dalam bentuk informasi terpadu yang disebut sebagai gen. Hampir setiap sel memiliki DNA yang identik dan memiliki instruksi yang sama.Namun timbul
pertanyaan,dengan kondisi demikian mengapa banyak terdapat variasi (tipe-tipe) sel pada tubuh kita?. Jawaban dari pertanyaan ini salah satunya adalah adanya mekanisme gen silencing atau pembungkaman gen. Dengan adanya gen silencing, informasi genetik dapat di on atau di off kan mirip seperti kerja saklar listrik yangdisesuaikan dengan karakteristik dan fungsi/
kebutuhan dari gen tersebut. Lalu apa dan bagaimana proses gene silencing itu terjadi? Dan apa manfaatnya dalam skala global?. Jawaban dari pertanyaan tersebut diawali dari publikasi ilmiah
pertama pada tahun 1928 mengenai fenomena keanehan dari penampakan tanaman tembakau yang terinfeksi virus. Penemuan gene silencing Pada awal tahun 1928, Wingard, seorang ahli pathologist dari Virginia mempublikasikan karya ilmiahnya yang mendeskripsikan tentang fenomena ketahanan tanaman tembakau terhadap ringspot virus. Dalam tulisannya, Wingard menjelaskan tentang tanaman tembakau yang diinfeksi oleh virus yang menunjukkan nekrosisi atau kematian jaringan sel pada daun tembakau bagian bawah yang terjadi pada kurun waktu yang cepat (Gambar 1). Menariknya, daun-daun tembakau pada bagian atas, tahan terhadap infeksi virus tersebut dan menjadi resisten setelah mengalami infeksi virus yang kedua.Pada waktu itu, munculnya perbedaan respon daun pada bagian atas dan bagian bawah dari fenomena daun tembakau tersebut belum dapat dijelaskan secara ilmiah
penyebabnya. Meskipun begitu, penelitian Wingard ini menjadi
S
Gambar 1. Recoveri dari tanaman tembakau yang terinfeksi ringspot virus. Gambar menunjukkan tanaman tembakau jenis Turki selama 23 hari setelah inokulasi dengan ringspot virus. Graduasi penurunan perkembangan dari symptom ringspot terlihat mulai dari daun bawah yang terinfeksi berat menuju ke atas yang pada akhirnya menunjukkan daun yang terlihat normal. (Gambar diambil dari Baulcombe, 2004).
27 titik awal ketertarikan dari para
peneliti lain untuk mempelajari mengapa tanaman tembakau tersebut bisa tahan terhadap infeksi virus tersebut. Pada tahun 1998, sebuah jurnal bergengsi yaitu “Science” mempublikasikan hasil penelitian ilmiah dari Andrew Z. Fire dan Craig C. Mello beserta kolega-koleganyayang membahas tentang gene silencing atau pembungkaman gen. Dalam
publikasi tersebut dijelaskan bagaimana teknik pembungkaman gen terjadi pada tumbuhan sebagai mekanisme pertahanan dirinya terhadap serangan virus. Lebih lanjut, publikasi tersebut menjelaskan bagaimana peran RNA sebagai mediator terjadinya gene silencing yang kemudian lebih dikenal juga sebagai RNA silencing. Hal ini terjadi karena RNA dari virus yang masuk
kedalam tumbuhan tidak homolog atau bersesuaian dengan RNA dari dalam (endogen) tumbuhan itu sendiri (sel inang). Intervensi dari RNA asing tersebut memicu terjadinya penghambatan ekspresi gen pasca transkripsi dari sel tumbuhan (sel inang). Intervensi dari RNA asing tersebut
setelahnya lebih dikenal sebagai RNA interference (RNAi).
Menariknya, publikasi dari Fire dan Mello ini merupakan awal mula dari populernya istilah gene silencing atau RNA silencing dalam dunia biologi molekuler. Selain itu
istilah gene silencing ini dikenal juga dengan sebutan lain sebagai ‘memukul jatuh gen’ (knock out gene).
Keterlibatan RNA dalam
Pembungkaman gen pada cacing Kebenaran dari adanya
keterlibatan double stranded RNA (dsRNA) dalam pembungkaman gen pada tumbuhan tersebut
menarik perhatian dari Fire dan Mello serta kolega-koleganya untuk mencobanya di nematode (kelompok cacing), Caenorhabditis elegans.Jenis cacing ini memiliki panjang sekitar 1 mm dan memiliki tubuh yang transparan sehingga respon terhadap sesuatu asing yang disuntikan kedalam tubuh cacing seperti double stranded DNA (dsDNA), dsRNA atau protein dapat diamati dengan jelas di bawah mikroskop. Dalam penelitian tersebut, dsRNA dari gen unc-22 yang bertanggung jawab terhadap pergerakan motorik disuntikkan kedalam tubuh dari cacing tersebut untuk mengetahui apa respon yang terjadi terhadap gen
unc-22endogen dari cacing tersebut. Menariknya, introduksi atau suntikan dsRNA dari gen unc-22tersebut pada level konsentrasi tertentu yang dilakukan secara eksogen (dari luar) menyebabkan terjadinya penurunan ekspresi dari gen unc-22endogen yang
selanjutnya membungkam gen endogen dari cacing tersebut. Alhasil, gerak motorik dari cacing tersebut menjadi terhambat (Gambar 2). Penelitian ini
membenarkan adanya mekanisme keterlibatan RNA yang dalam level tertentu mampu menurunkan atau menaikkan secara berlebihan (overexpression) ekspresi dari gen endogen yang menyebabkan terjadinya gene silencing.
Menariknya, hal ini sekaligus menjelaskan penelitian Wingard sebelumnya tentang mengapa daun pada bagian bawah terinfeksi virus sedangkan daun bagian atas tidak terinfeksi. Hal ini tak lain karena secara sistematik RNA dari gen endogen (yang kemungkinan berhubungan dengan pertahanan terhadap serangan dari luar) berpindah dari daun bagian bawah ke daun bagian atas yang notabenenya merupakan daun yang lebih muda sehingga menghambat RNA virus menginfeksi daun-daun bagian atas.
Hasil penelitian dan pembuktian tentang keterlibatan RNAi dalam pembungkaman gen olehAndrew Z. Fire (Stanford university) dan Craig C. Mello (Massachusetts university) ini menghantarkan mereka sebagai peraih Nobel Laurette di bidang Fisiologi dan Kedokteran pada tahun 2006. Lalu bagaimana sebenarnya
Gambar 2. Penyuntikan cairan DNA/RNA dengan menggunakan jarum suntik ke dalam gonad (organ reproduksi) dari Caenorhabditis elegans. Gambar diambil dari Fire, 1998.
28 mekanisme dari RNAi ini sehingga
mampu memicu terjadinya pembungkaman gen? Mekanisme RNAi dalam membungkam gen Dalam mekanisme RNAi, keterlibatan dsRNA dalam mengintervensi ekspresi dari komplemen gen di dalam sel terjadi secara spesifik. Pada umumnya di organisme tingkat tinggi seperti tanaman dan hewan, aplikasi dsRNA dilakukan
dengan cara menyuntikkan ke dalam sel. Pemasukan/ penyuntikan tersebut menyebabkan sel organisme merespon dengan memanggil enzim dicer yang merupakan enzim penting dari RNA-ase tipe III yang mampu mengidentifikasi dsRNA asing yang masuk tersebut. Enzim dicer tersebut lalu
memotong-motong dsRNA asing tersebut menjadi berukuran sekitar 20-24 basa nukleotida. Potongan-potongan dsRNA yang berukuran kecil tersebut disebut
sebagai siRNA (small-interfering RNA). siRNA ini kemudian dikenali dan lalu ditangkap oleh RISC (RNA-induced silencing complex) yaitu sebuah komplek multi protein berisi ribonuklease yang berfungsi untuk memisahkan dsRNA yang berutas ganda menjadi berutas tunggal yaitu ssRNA (single stranded RNA). Utas tunggal RNA dari siRNA tersebut lalu berpasangan dengan mRNA (messengerRNA) yang merupakan target dari proses pembungkaman gen ini. mRNA ini akan
berpasangan dengan sekuens basa nukleotida yang bersesuaian yaitu urasil (U) dengan adenine (A) dan guanine (G) dengan sitosin (C) begitupun sebaliknya. Setelah siRNA yang dibawa oleh RISC berpasangan dengan mRNA target, bagian dari RISC yang disebut sebagai sliceratau gunting akan memotong mRNA target tersebut. Pada hewan, mRNA yang telah terpotong tersebut akan dikenali oleh sel sebagai mRNA yang rusak
(aberrantmRNA) yang akan dihancurkan dalam proses metabolism sel untuk mencegah terjadinya penerjemahan menjadi protein yang tak diinginkan atau tidak lazim. Sedangkan pada tumbuhan, mRNA yang rusak atau menyimpang tersebut selain dihancurkan bisa di gunakan sebagai cetakan (template) yang kemudian akan dikenali oleh enzim RdRp (RNA-dependent RNA polymerase) untuk melakukan polimerisasi sehingga mRNA yang semula berutas tunggal akan menjadi dsRNA. Lebih lanjut, dsRNA yang baru terbentuk tersebut akan dikenali kembali oleh dicer dan memotongnya. Hal ini terjadi berulang-ulang sehingga banyak mRNA target yang
terpotong dan akhirnya tidak berfungsi lagi. Menariknya, Gambar 3. Mekanisme RNAi mulai dari dsRNA yang masuk
kedalam sel hingga menurunkan ekspresi mRNA target. Diambil dari
http://leeanel.blogspot.co.id/2012/01/terapi-gen-dengan-sirna-pada-hiv-aids.html
29 mekanisme dari RNAi ini
sebenarnya juga terjadi secara alami di dalam sel organisme dengan adanya miRNA (microRNA) sebagai pengganti dsRNA. miRNA mmemiliki fungsi dalam regulasi gen dan mengkode genome. miRNA ini sekilas mirip dengan dsRNA yang terdiri dari sekuens basa nukleotida yang tidak lengkap dan berutas ganda. Utas ganda tersebut terbentuk karena adanya sekuens yang saling berkomplemen di kedua ujung RNA. Sedangkan bagian-bagian yang tidak berkomplemen akan terjadi perputaran yang dikenal dengan istilah hairpin.
Manfaat dan Prospek Global RNA silencing
Penemuan RNA silencing ini merupakan penemuan yang spektakuler di bidang biologi molekuler saat ini. Penemuan ini juga telah mengubah pandangan para ilmuwan yang dulu terfokus pada DNA sebagai central dogma dalam pewarisan informasi genetik. Dengan penemuan ini pula, membawa sebuah harapan baru terhadap penanggulangan beberapa penyakit pada tanaman dan hewan seperti gen-gen letal, gen-gen mutan atau penyakit yang disebabkan oleh virus. Diperkirakan dengan hanya menyuntikkan dsRNA yang bersesuaian/berkomplemen dengan gen-gen berbahaya seperti DNA/RNA virus, maka gen-gen tersebut akan mengalami tekanan pada proses pasca transkripsi sehingga mRNA akan mengalami penurunan atau terdegradasi sehingga tidak terbentuk protein yang tidak lazim atau menggangu dari gen-gen berbahaya atau DNA/RNA virus
yang ada. Meskipun beberapa pertanyaan yang masih munculseperti bagaimana cara RNA silencing itu dapat
ditransportasikan dan faktor serta komponen gen apa yang
mempengaruhi proses
transportasi dari RNA silencing tersebut masih belum bisa secara detail dijelaskan. Ditambah lagi dengan keterlibatan dan
signifikansi dari pergerakan sRNA dalam proses perkembangan di organisme dan responnya terhadap lingkungan serta penurunan sifat di generasi selanjutnya (epigenetik) masih menjadi pertanyaan sampai saat ini. Namun begitu seperti yang dikatakan Andrew Z Fire Nobel dalam kuliah umumnya didepan khalayak luas perlu direnungkan, bahwa “Sains memang tidak akan tumbuh di pohon, meskipun itu di
daerah terkaya penghasil buah sekalipun”. Jadi semangat untuk terus berpikir, menemukan, mencoba dan mencoba lagi adalah cara terbaik untuk mencari jawab atas
pertanyaan-pertanyaan tersebut. Daftar Pustaka
Baulcombe DC. & Voinnet O. (1997) : Systemic signalling in gene silencing,Nature389, 553-553, doi:10.1038/39215. Baulcombe D. (2004) : RNA silencing in plants. Nature431, 356-363. Celesnik H, Ali GS, Robison FM, &
Reddy ASN. (2013): Arabidopsis thaliana VOZ (Vascular plant One-Zinc finger) transcription factors are required for proper regulation of flowering time. Biology2, 424.
Eamens A, Wang MB, Smith NA, & Waterhouse PM. (2008) : RNA Silencing in Plants: Yesterday, Today, and Tomorrow. Plant Physiology147, 456-468, doi:10.1104/pp.108.117275 .
Fire A. (1998) : Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature391, 806-811, doi:10.1038/35888. Hannon GJ. (2002) : RNA interference. Nature418, 244-251.
Jones-Rhoades MW, Bartel DP, & Bartel B. (2006) : MicroRNAs and
Penemuan RNA
silencing ini
merupakan
penemuan yang
spektakuler di
bidang biologi
molekuler saat ini.
Penemuan ini juga
telah mengubah
pandangan para
ilmuwan yang dulu
terfokus pada DNA
sebagai central
dogma dalam
pewarisan
informasi genetik.
30 theirregulatory roles in
plants. Annual Review of Plant Biology57, 19-53, doi:doi:10.1146/annurev.ar plant.57.032905.105218. Lángara A, Al-Kaff NS, Turner DS,
& Covey SN. (1997) : Plants combat infection by gene silencing. Nature385, 781-782, doi:10.1038/385781a0. Palauqui JC, Pollien JM, Elmayan
T, & Vaucheret H. (1997) :
Systemic acquired silencing: transgene-specific post-transcriptional silencing is transmitted by grafting from silenced stocks to non-silenced scions. The EMBO journal16, 4738-4745, doi:10.1093/emboj/16.15.4 738.
Ratcliff F, Harrison BD, & Baulcombe DC. (1997) : A Similarity Between Viral Defense and Gene Silencing
in Plants. Science276, 1558-1560,
doi:10.1126/science.276.53 18.1558.
Wingard SA. (1928) : Hosts and Symptoms of Ring Spot, a Virus Disease of Plants. Journal of Agricultural Research37, 127.
