FENOMENA EPIGENETIK PADA TUMBUHAN

ALICE YUNIATY

FAKULTAS BIOLOGY

UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN

Disampaikan dalam kuliah umum secara daring yang diselenggarakan oleh Fakultas MIPA

UNIVERSITAS LAMPUNG tanggal 21 Juli 2020

Outline

• Pengertian Epigenetik dan Signifikansinya bagi Tanaman

• Komponen Epigenetik

–DNA metilasi

–Modifikasi Histon

–RNA interferrece (Non coding RNA)

• Hasil Penelitian DNA Metilasi pada Tumbuhan

PENGERTIAN EPIGENETIK DAN SIGNIFIKANSINYA BAGI TUMBUHAN

• Epigenetik: – perubahan ekspresi gen

– perubahan fenotip

– dapat diturunkan melalui mitosis maupun meiosis

– tidak melibatkan perubahan sekuens DNA.

(Wu et al., 2001)

• Fungsi fisiologi tanaman sangat bergantung pada proses-proses epigenetik.

• Perubahan fenotip pada tanaman seringkali berhubungan dengan perubahan epigenetik.

• Perlakuan dingin (vernalisasi)

• durasi pencahayaan (fotoperiod)

perubahan epigenetik

memacu pembungaan

(Heo and Sung et al. 2011; Sun et al. 2014)

Mekanisme Epigenetik

• Metilasi DNA

• Modifikasi histon

• RNA interferrence (Non coding RNA)

Metilasi DNA • Merupakan proses biologi berupa penambahan gugus metil

pada basa DNA.

• Pada eukariot, umumnya metilasi terjadi pada atom C ke 5 dari basa sitosin.

• Metilasi DNA merupakan fenomena yang umum dijumpai pada berbagai organisme.

– pada bakteri 5 methyl sytosine seringkali menjadi marker untuk melindungi DNA inang dari pemotongan oleh enxim restriksi

– Pada tanaman 5 methyl cytosine banyak ditemukan pada urutan CG dan CNG

– Pada fungi dan mamalia 5 methyl ytosine banyak ditemukan pada urutan CG

• Metilasi sitosin terjadi pada fungi, tanaman (30%), vertebrata (3-6%) dan non-vertebrates. Metilasi sangat bervariasi antar species (2.3%) pada E. coli, 0.03% pada drosophila

• Metilasi yang ekstensif pada bagian promotor mengakibatkan penghambatan ekspresi gen.

• Berperan penting dalam

- perkembangan tanaman melalui pengaturan ekspresi gen pada jaringan tertentu dan pada tahap perkembangan yang berbeda

- mekanisme respon terhadap kondisi lingkungan

Metilasi DNA

Agrawal et al., 2018

• Proses metilasi DNA: transfer gugus metil dari S-adenosylmethionine (SAM) ke posisi C-5 dari sitosin, dikatalisis oleh DNA methyltransferases (DNMTs).

• Metilasi DNA: saklar epigenetik, mempengaruhi struktur kromatin.

• Metilasi DNA:

– mengubah interaksi DNA dan protein,

– menyebabkan terjadinya modifikasi protein histon,

– memicu pembentukan struktur kromatin yang kompak sehingga tidak dapat diakses oleh aparatus transkripsi.

MODIFIKASI HISTON • Modifikasi paska translasi yang terjadi pada

protein histon, terdiri atas: asetilasi, fosforilasi dan metilasi.

• Pada sebagian besar spesies, – histone H3 mengalami asetilasi pada lisin 9, 14, 18, 23,

dan 56, termetilasi pada arginin 2 dan lisin 4, 9, 27, 36, dan 79, dan terfosforilasi pada ser10, ser28, Thr3, dan Thr11 .

– Histone H4 mengalami asetilasi pada lisin 5, 8, 12 dan 16, termetilasi pada arginin 3 dan lisin 20, dan terfosforilasi pada serin 1.

• Perubahan ekspresi gen akibat modifikasi histon terjadi melalui mekanisme:

– Modifikasi Histon secara langsung mengubah struktur kromatin.

– Meregulasi pengikatan chromatin factors (protein-protein chromatin)

MODIFIKASI HISTON

Modifikasi Histon secara langsung

mengubah struktur kromatin.

Asetilasi dan fosforilasi histon

menurunkan muatan positif histon,

mengubah interaksi elektrostatik histon dan DNA. Hal ini mungkin mengarah pada pembentukan struktur kromatin

yang kurang kompak,

sehingga memudahkan DNA diakses oleh aparatus transkripsi.

Modifikasi Histon Meregulasi pengikatan

protein-protein yang berasosiasi dengan

chromatin (chromatin factors)

Bannister and Kouzarides, 2011

A model for DNA methylation and

chromatin modification-induced

repressed chromatin domains

(modified from Lusser, 2002).

RNA INTERFERRENCE • Fire and Melo: mengungkap proses

RNA interference (RNAi) Nature . 1998 Feb 19;391(6669):806-11.

Potent and specific genetic

interference by double-stranded

RNA in Caenorhabditis elegans

• pemenang nobel prize bidang Medis 2006)

Source: https://leeanel.blogspot.com/2012/01/terapi-gen-dengan-sirna-pada-hiv-aids.html

• RNA interferrence = RNA silencing

• Teknik gene silening/ knock out gene/ pembungkaman gen.

• Dengan cara menyuntikkan dsRNA yang komplemen dengan gen yang menjadi target silencing.

• RNAi terjadi secara alami pada tumbuhan dan hewan,

• Memungkinkan silencing gen tertentu

• Terlibat dalam pengaturan ekspresi gen,

• Melindungi terhadap infeksi virus dan transposon (elemen loncat) yang dapat bereplikasi dan menyebar dalam genom.

• Dalam sel peran dsRNA dilakukan oleh miRNA (microRNA).

• miRNA memiliki fungsi dalam regulasi gen.

• miRNA memiliki untai ganda yang terbentuk karena adanya sekuens yang saling komplemen pada kedua ujung RNA. Bagian-bagian yang tidak saling komplemen membentuk struktur hairpin.

RNA INTERFERRENCE

HASIL PENELITIAN DNA METILASI PADA TUMBUHAN

Terdapat pola metilasi DNA yang spesifik pada lokasi B

Lokasi A Lokasi B Lokasi C

1 2 3 4 5 6 8 7 1 2 3 4 5 6 8 7 1 2 3 4 5 6 8 7

HpaII-digested

Analisis PCO DNA metilasi tebu pada 3 daerah yang berbeda

Meringa

Bundaberg

Ormeau

-0.08

-0.16

-0.24

-0.32

-0.40

0.00

0.08

0.16

0.24

0.32

0.40

-0.09-0.17-0.26-0.34-0.43 0.00 0.09 0.17 0.26 0.34

Perbedaan lingkungan tumbuh menyebabkan perbedaan pola metilasi DNA pada tanaman tebu

Perbedaan intensitas Marka DNA metilasi pada lingkungan tumbuh yang

berbeda

PCO analysis of AMP marker polymorphisms between

the field-propagated and glasshouse-grown clones of

sugarcane

Meringa (field)

Bundaberg (field)

Ormeau (field)

Meringa (GH 1)

Bundaberg (GH 1)

Ormeau (GH 1)

Meringa (GH 2)

Bundaberg (GH 2)

Ormeau (GH 2)

Axi

s 2

(31.

07%

)

Axis 1 (34.43%)

-0.1

-0.2

-0.3

-0.4

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-0.1-0.2-0.3-0.4 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Perbedaan Pola metilasi DNA akibat perlakuan dingin pada tanaman Arabidopsis thaliana

Perubahan DNA pada tanaman transgenik dan kultur jaringan

Pertanyaan: apakah perubahan tersebut berkorelasi dengan perubahan DNA metilasi?

DNA methylation

changes in tissue

cultured lines of

sugarcane.

Analisis PCO pola metilasi DNA pada

tanaman tebu hasil kultur jaringan

Marker intensity polymorphism between different tissues of lily

DNA methylation polymorphism between pollen and leaf

tissues of lily.

A B

C

A

B

REFFERENCES:

Agrawal, K., Das, V., Vyas, P., and Hajdúch, M., 2018. Nucleosidic DNA

demethylating epigenetic drugs – A comprehensive review from discovery to

clinic. Pharmacology & Therapeutics,

https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2018.02.006

Bannister, A.J., and Kouzarides, T., 2011. Regulation of chromatin by histone

modifications. Cell Research 21:381-395.

Heo, J. B., and Sung, S. (2011). Vernalization-mediated epigenetic silencing by a

long intronic noncoding RNA. Science 331, 76–79. doi:

10.1126/science.1197349.

Sun, C. et al., 2014. Understanding the Genetic and Epigenetic Architecture in

Complex Network of Rice Flowering Pathways. Protein & Cell 5.12 (2014):

889–898. PMC.

Supatmi, 2016. RNA silencing:membungkam gen dari tembakau sampai cacing,

BioTrends Vol.7 No.1

Wu Ct., Morris J.R., 2001. Genes, genetics, and epigenetics: a correspondence.

Science 293(5532):1103–1105.

Aknowledgement

Bernard J. Carroll

Carl Ramage

Sesanti Basuki

Dion Harisson

Cameroon Peace

Stephen Fletcher

Michael Cox