Membuka Kunci Saklar DNA Tersembunyi yang Membentuk Kehidupan
Dengan menggunakan silencer-seq, laboratorium Stark mengidentifikasi 800+ peredam suara dan faktor transkripsi Saft pada lalat buah, sehingga meningkatkan pemahaman kita tentang regulasi gen.
Pengaturan aktivitas gen yang tepat sangat penting untuk spesialisasi sel dan perkembangan organisme sehat. Meskipun kemajuan signifikan telah dicapai dalam memahami peningkat—urutan DNA yang mengaktifkan gen—peredam suara, yang menekan aktivitas gen, masih jauh lebih sedikit dipelajari meskipun perannya sama pentingnya. Keterbatasan teknis dan bias penelitian secara historis mempersulit identifikasi peredam suara di seluruh genom. Namun, laboratorium Alexander Stark di IMP telah mengatasi kendala ini dengan teknik baru yang disebut “Silencer-seq.” Dengan menggunakan metode ini, mereka menemukan ratusan peredam dalam genom lalat buah, sebuah terobosan yang kini dirinci dalam jurnal tersebut Sel Molekuler.
Regulasi Gen dan Perannya dalam Spesialisasi Sel
Perkembangan organisme yang sehat bergantung pada regulasi aktivitas gen yang tepat—menentukan kapan gen tertentu diaktifkan atau dinonaktifkan. Proses ini, yang disebut regulasi gen, sangat penting untuk spesialisasi sel, membimbing sel untuk berkembang menjadi tipe berbeda seperti sel otot, saraf, atau kulit, yang bersama-sama membentuk organisme yang berfungsi.
Selama lebih dari 40 tahun, para ilmuwan telah menyadari pentingnya dua jenis peraturan DNA urutan yang terletak jauh dari gen: peningkat dan peredam. Enhancer bertindak sebagai aktivator, “menghidupkan” gen dan meningkatkan ekspresinya bila diperlukan. Sebaliknya, peredam bertindak sebagai penekan, “mematikan” gen tertentu untuk menjaga keseimbangan dan memastikan fungsi seluler yang baik.
Penelitian tentang peningkat meningkatkan pemahaman tentang peningkat dalam beberapa tahun terakhir, dengan laboratorium Stark membuat kemajuan luar biasa, mulai dari membaca urutan DNA dan memahami fungsi pengaturan gen hingga merancang peningkat spesifik jaringan dari awal. Namun, terlepas dari perannya yang penting, para ilmuwan masih hanya mengetahui sedikit peredam suara dan belum begitu memahami tampilan dan fungsinya.
Tantangan dalam Mengidentifikasi Peredam Suara
Tantangannya sebagian besar terletak pada pencarian peredam suara di seluruh genom. “Selama satu dekade terakhir, para peneliti fokus pada pemetaan urutan yang terlihat seperti penguat, dengan asumsi peredam hanyalah penguat yang terbalik,” kata Lorena Hofbauer, penulis pertama studi tersebut dan lulusan baru dari Program PhD Vienna BioCenter. “Mereka dianggap memiliki ciri-ciri serupa, seperti berada di kromatin terbuka, namun mematikan gen alih-alih mengaktifkannya.”
Meskipun beberapa alat dikembangkan untuk mempelajari elemen dengan fitur seperti penambah, fokus ini telah menciptakan bias. Akibatnya, peralatan yang dirancang khusus untuk mendeteksi peredam suara berdasarkan fungsi represif gennya masih tertinggal, sehingga rangkaian genetik ini terabaikan dan kurang dipahami.
Pendekatan Perintis: Metode Peredam-Seq
Para peneliti dari laboratorium Stark kini telah mengambil pendekatan perintis dan tidak memihak untuk menemukan peredam suara dalam genom lalat buah. Drosophila melanogaster. Dengan menggunakan 'silencer-seq', metode baru yang dikembangkan untuk tugas ini, para ilmuwan menemukan ratusan peredam suara yang berbeda dari profil penambah tradisional, sehingga mengungkap elemen pengatur yang sebelumnya tersembunyi dalam genom. Temuan mereka sekarang dipublikasikan di jurnal Sel Molekuler.
Untuk mengatasi kesenjangan ini, laboratorium Stark menciptakan “Silencer-seq,” sebuah metode baru berdasarkan teknologi STARR-seq yang mereka kembangkan sebelumnya.
Mengungkap Mekanisme Peredam Dengan Peredam-Seq
Pendekatan ini dimulai dengan membuat perpustakaan fragmen DNA yang komprehensif, yang masing-masing mewakili segmen kecil genom lalat buah. Fragmen-fragmen ini, yang bersama-sama mewakili keseluruhan genom, dipasangkan dengan penambah kuat yang dirancang untuk mendorong transkripsi—kecuali jika fragmen DNA bertindak sebagai peredam, yang secara aktif menekan proses tersebut.
Konstruksi DNA yang dihasilkan dimasukkan ke dalam sel lalat buah, tempat mereka berinteraksi dengan mesin transkripsi sel. Aktivitas setiap fragmen dinilai dengan memonitor messenger RNA (mRNA): fragmen yang menekan transkripsi gen reporter menyebabkan sedikit atau tidak ada produksi mRNA, sehingga mengidentifikasinya sebagai peredam. Dengan mengurutkan mRNA, peneliti kemudian dapat menentukan fragmen genom mana yang memiliki aktivitas pembungkaman.
“Kami menemukan lebih dari 800 peredam suara di seluruh genom lalat buah dengan alat ini,” kata Hofbauer. “Ini adalah pertama kalinya katalog elemen regulasi berskala besar yang tidak memihak disusun.”
Dengan akses ke kumpulan peredam suara tersebut, tim dapat mengidentifikasi fitur-fitur utama yang dimiliki oleh elemen regulasi ini.
Penemuan Utama: Motif dan Saft Faktor Transkripsi
Mereka menemukan tiga motif faktor transkripsi—urutan DNA spesifik yang diikat oleh faktor transkripsi untuk mengatur aktivitas gen—yang secara individual mendorong aktivitas peredam. Salah satu motif ini, DLM3 (Drosophila Long Motif 3), ditemukan secara komputasi satu dekade lalu namun belum pernah dikarakterisasi sebelumnya. “Sesuatu yang sangat menarik yang kami temukan adalah bahwa DLM3 terikat oleh faktor transkripsi yang sebelumnya tidak diketahui, Saft atau Silencer Associated Factor,” jelas Hofbauer. “Kami menemukan bahwa Saft membantu mematikan gen di otak dan ovarium, yang sangat penting untuk perkembangan dan kesuburan lalat.”
Peredam tampaknya tidak dapat diakses dalam kromatin aslinya, di mana DNA dipenuhi dengan nukleosom. Namun, para peneliti menunjukkan bahwa Saft dapat menemukan dan mengikat motif targetnya bahkan dalam keadaan kromatin—sebuah fitur unik yang dapat menjelaskan mengapa sangat sulit menemukan peredam suara sebelumnya, dengan pendekatan yang berfokus pada kromatin terbuka.
“Penemuan peran Saft dalam regulasi gen membantu kita mengetahui cara kerja peredam suara dan menambah pemahaman kita tentang mesin yang mengontrol identitas dan perkembangan sel,” kata Hofbauer.
Implikasi untuk Penelitian yang Lebih Luas
Dengan peta detail peredam suara kini tersedia di Drosophilapeneliti dapat mulai mengeksplorasi apakah mekanisme serupa juga terjadi pada organisme lain, termasuk manusia.
“Apa yang kami pelajari di sini adalah bahwa untuk benar-benar mempelajari peredam suara ini, kami harus melakukan penelitian tanpa bias,” kata Alexander Stark. “Sekarang setelah kami mengidentifikasi kelas peredam suara ini, kami dapat mulai menemukan lebih banyak lagi, menggali cara kerjanya, dan lebih dekat untuk memetakan genom manusia sepenuhnya.”
Referensi: “Layar lebar genom mengidentifikasi peredam suara dengan sifat kromatin berbeda dan mekanisme represi” oleh Lorena Hofbauer, Lisa-Marie Pleyer, Franziska Reiter, Alexander Schleiffer, Anna Vlasova, Leonid Serebreni, Annie Huang dan Alexander Stark, 20 November 2024, Sel Molekuler.
DOI: 10.1016/j.molcel.2024.10.041
