Bagaimana Fungsi Otak dapat mengubah DNA

1. Modifikasi epigenetik

Perubahan epigenetik adalah perubahan pada molekul DNA yang tidak mengubah kode genetik yang mendasarinya. Tetapi perubahan ini dapat mempengaruhi ekspresi gen. Fungsi otak dapat dipengaruhi oleh perubahan epigenetik dalam berbagai cara, termasuk stres, faktor lingkungan, dan pengalaman. Misalnya, penelitian telah menunjukkan bahwa stres pada awal kehidupan dapat menyebabkan perubahan epigenetik yang mengubah ekspresi gen yang berkaitan dengan stres dan regulasi emosi.

Fungsi otak dapat memengaruhi perubahan DNA melalui aksi enzim tertentu yang dikenal sebagai DNA methyltransferases (DNMTs). Enzim ini menambahkan gugus kimia yang disebut gugus metil ke situs spesifik pada molekul DNA, yang dapat memengaruhi ekspresi gen.

Penelitian telah menunjukkan bahwa aktivitas DNMT dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor yang berkaitan dengan fungsi otak, termasuk stres, pembelajaran dan ingatan, serta obat-obatan atau rangsangan lingkungan lainnya. Misalnya, stres telah terbukti meningkatkan aktivitas DNMT di wilayah otak tertentu, menyebabkan perubahan ekspresi gen yang dapat menyebabkan kecemasan atau depresi.

Selain DNMT, efek epigenetik lainnya juga dapat berperan dalam perubahan DNA oleh fungsi otak. Ini termasuk modifikasi histon, yang melibatkan perubahan pada protein yang mengemas DNA dalam sel, dan molekul RNA non-coding, yang dapat berinteraksi dengan DNA atau molekul RNA lain untuk mengatur ekspresi gen.

2. Aktivitas saraf

Aktivitas saraf juga dapat memengaruhi DNA. Misalnya, penelitian telah menunjukkan bahwa aktivitas saraf dapat menyebabkan perubahan struktur kromatin, yang dapat memengaruhi ekspresi dan fungsi gen. Selain itu, penelitian terbaru menunjukkan bahwa neuron juga dapat mentransfer materi genetik, seperti microRNA, ke sel lain di otak, yang dapat memengaruhi ekspresi dan fungsi gen dalam sel tersebut.

Penelitian telah menunjukkan bahwa aktivitas saraf dapat merangsang aktivitas enzim yang disebut histone acetyltransferases (HATs). Mereka menambahkan gugus asetil ke protein histon yang melekat pada DNA. Modifikasi ini dapat menyebabkan peningkatan ekspresi gen. Sebaliknya, enzim lain seperti histone deacetylases (HDACs) dapat menghilangkan gugus asetil dari histon. Hal ini menyebabkan penurunan ekspresi gen. Penelitian telah menunjukkan bahwa aktivitas HDAC dapat dihambat oleh neurotransmiter seperti dopamin dan serotonin.

Selain modifikasi histon, aktivitas saraf juga dapat memengaruhi metilasi DNA. Dalam proses ini, gugus metil ditambahkan ke DNA, yang dapat menekan ekspresi gen. Penelitian telah menunjukkan bahwa aktivitas saraf dapat memengaruhi aktivitas DNA methyltransferases (DNMTs), yang mengkatalisasi metilasi DNA.

3. Plastisitas saraf

Plastisitas saraf adalah kemampuan otak untuk berubah sebagai respons terhadap pengalaman dan faktor lingkungan. Proses ini melibatkan perubahan ekspresi dan fungsi gen, yang dapat dipengaruhi oleh modifikasi DNA.

Studi telah menunjukkan bahwa aktivitas saraf dapat mengaktifkan faktor transkripsi CREB (protein pengikat elemen respons cAMP), yang dapat menyebabkan perubahan ekspresi gen yang penting untuk pembentukan memori jangka panjang. CREB dapat mengikat urutan DNA spesifik yang dikenal sebagai elemen respons cAMP (CRE) dan mengatur ekspresi gen yang terlibat dalam plastisitas sinaptik dan konsolidasi memori.

Selain CREB, faktor transkripsi lain seperti BDNF (brain-derived neurotrophic factor) dan NF-kB (nuclear factor kappa B) juga telah terbukti mempengaruhi plastisitas neuron dan dapat menginduksi perubahan ekspresi gen yang mengarah pada struktur DNA. berubah.

Modifikasi epigenetik seperti modifikasi histon dan metilasi DNA juga dapat dipengaruhi oleh plastisitas saraf, yang menyebabkan perubahan ekspresi gen yang mengubah fungsi dan perilaku otak. Misalnya, penelitian telah menunjukkan bahwa perubahan asetilasi dan metilasi histone dapat terjadi sebagai respons terhadap aktivitas saraf. Mereka mengubah ekspresi gen yang penting untuk plastisitas sinaptik dan pembentukan memori.

4. Sel induk saraf

Sel induk saraf bertanggung jawab untuk menghasilkan neuron baru di otak, dan dapat dipengaruhi oleh modifikasi DNA. Misalnya, penelitian telah menunjukkan bahwa metilasi DNA dapat mengatur diferensiasi sel induk saraf menjadi berbagai jenis neuron. Sel punca saraf adalah jenis sel punca yang dapat berdiferensiasi menjadi berbagai jenis sel saraf, termasuk neuron dan sel glial. Sel-sel ini memiliki kemampuan untuk mengubah DNA mereka melalui proses yang disebut regulasi epigenetik.

donor metil

Donor metil seperti S-adenosylmethionine (SAM) terlibat dalam proses metilasi DNA, yang menambahkan gugus metil ke basa sitosin DNA. Modifikasi ini dapat mengubah ekspresi gen.

Enzim pengubah histon

Enzim yang memodifikasi protein histon, yang melekat pada DNA dalam sel, juga terlibat dalam modifikasi DNA. Misalnya, histone acetyltransferases (HATs) menambahkan gugus asetil ke histones, menyebabkan perubahan ekspresi gen, sementara histone deacetylases (HDACs) menghilangkan gugus asetil, menyebabkan perubahan represi gen.

RNA non-coding kecil

RNA non-coding kecil seperti microRNAs (miRNAs) dan small interfering RNAs (siRNAs) terlibat dalam pengaturan ekspresi gen melalui interaksinya dengan messenger RNA (mRNA). Interaksi ini dapat menyebabkan degradasi mRNA atau penghambatan translasi, yang mengakibatkan perubahan ekspresi gen.

Racun lingkungan

Berbagai racun lingkungan juga dapat mengubah struktur dan fungsi DNA. Misalnya, paparan asap tembakau dapat menyebabkan kerusakan DNA yang dapat mengubah ekspresi gen dan berkontribusi terhadap perkembangan kanker.

Obat epigenetik

Sejumlah obat telah dikembangkan yang menargetkan mekanisme epigenetik dan dapat memodifikasi struktur dan fungsi DNA. Ini termasuk penghambat metilasi DNA seperti 5-azacytidine dan penghambat histone deacetylase seperti vorinostat.