rna silencing:membungkam gen dari tembakau sampai cacing

BioTrends Vol.7 No.1 Tahun 2016
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]
S
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
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).
26
BioTrends Vol.7 No.1 Tahun 2016
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
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
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.
Gambar 2. Penyuntikan cairan DNA/RNA dengan menggunakan jarum suntik ke dalam gonad (organ
reproduksi) dari Caenorhabditis elegans. Gambar diambil dari Fire, 1998.
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
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 unc22endogen dari cacing tersebut.
Menariknya, introduksi atau
suntikan dsRNA dari gen unc22tersebut pada level konsentrasi
tertentu yang dilakukan secara
eksogen (dari luar) menyebabkan
terjadinya penurunan ekspresi
dari gen unc-22endogen yang
27
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
BioTrends Vol.7 No.1 Tahun 2016
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
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-gendengan-sirna-pada-hiv-aids.html
28
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,
BioTrends Vol.7 No.1 Tahun 2016
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 gengen 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
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.
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
29
daerah terkaya penghasil buah
sekalipun”. Jadi semangat untuk
terus berpikir, menemukan,
mencoba dan mencoba lagi
adalah cara terbaik untuk mencari
jawab atas pertanyaanpertanyaan tersebut.
Daftar Pustaka
Baulcombe DC. & Voinnet O.
(1997) : Systemic signalling
in gene
silencing,Nature389, 553553, 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
BioTrends Vol.7 No.1 Tahun 2016
theirregulatory roles in
plants. Annual Review of
Plant Biology57, 19-53,
doi:doi:10.1146/annurev.ar
plant.57.032905.105218.
Systemic acquired silencing:
in Plants. Science276, 1558transgene-specific post1560,
transcriptional silencing is
doi:10.1126/science.276.53
transmitted by grafting
18.1558.
from silenced stocks to nonsilenced scions. The EMBO
Wingard SA. (1928) : Hosts and
Lángara A, Al-Kaff NS, Turner DS,
journal16, 4738-4745,
Symptoms of Ring Spot, a
& Covey SN. (1997) : Plants
doi:10.1093/emboj/16.15.4
Virus Disease of Plants.
combat infection by gene
738.
Journal of Agricultural
silencing. Nature385, 781Research37, 127.
782, doi:10.1038/385781a0. Ratcliff F, Harrison BD, &
Baulcombe DC. (1997) : A
Palauqui JC, Pollien JM, Elmayan
Similarity Between Viral
T, & Vaucheret H. (1997) :
Defense and Gene Silencing
30