Biologi Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

1Kromatin dan Epigenetika

Dua ekor mencit dari satu kelahiran, identik secara genetik sampai ke basa terakhirnya, duduk berdampingan: yang satu ramping dan cokelat, yang lain gemuk dan kuning, dan kelak akan menderita diabetes. Seekor kucing belang tiga berbercak jingga dan hitam walaupun setiap sel kulitnya membawa dua kromosom X yang sama. Seorang anak mewarisi potongan kromosom 15 yang terhapus, persis seperti anak yang lain, namun yang satu mengidap sindrom Prader–Willi sedangkan yang lain sindrom Angelman — bedanya hanya pada tetua mana yang mewariskan penghapusan itu. Tak satu pun hal ini tertulis di dalam urutan DNA. Semuanya tertulis pada urutan itu: pada cara dua meter DNA dimampatkan ke dalam nukleus bergaris tengah sepuluh mikrometer, pada gugus kimia kecil yang terpaut pada protein pemampatnya dan pada sitosinanya sendiri, dan pada permesinan yang menyalin tanda itu dari sebuah sel kepada sel anaknya. Bab ini membahas lapisan informasi kedua tersebut, pengusungnya di tingkat molekul, dan batas jujur dari apa yang sanggup diingatnya.

1.1 Kromatin: DNA pada sebuah kumparan

Definisi 1.1 (Nukleosom dan kromatin)

Yang disebut kromatin adalah kompleks DNA dengan protein, yaitu wujud keberadaan genom di dalam nukleus eukariot. Satuan berulangnya adalah nukleosom: $147\,\mathrm{bp}$ DNA yang terlilit $1.65$ putaran kidal mengelilingi oktamer histon — masing-masing dua salinan protein kecil yang sangat basa H2A, H2B, H3, dan H4 — lalu disusul sebuah penghubung sepanjang $20\text{ sampai }60\,\mathrm{bp}$ menuju nukleosom berikutnya. Histon kelima, H1, mengikat penghubung itu di tempat DNA masuk dan meninggalkan intinya, serta membantu manik-manik itu berimpit satu sama lain. Tiap histon inti mengusung sebuah ekor amino-terminal tak berstruktur sepanjang $20\text{ sampai }40$ residu yang menjulur ke luar partikel. Kromatin yang terwarnai samar, terkemas longgar, dan ditranskripsi disebut eukromatin; kromatin yang terkemas padat, bereplikasi lambat, dan sebagian besar bisu — di sentromer, telomer, dan urutan berulang — disebut heterokromatin.

Bukti eksperimental. Hewish dan Burgoyne (1973) mencerna nukleus hati tikus dengan nuklease endogen dan mendapati DNA-nya keluar bukan sebagai lapisan merata melainkan sebagai tangga fragmen yang panjangnya kelipatan kira-kira $200\,\mathrm{bp}$ : DNA itu terlindungi pada selang yang teratur dan hanya terpotong di antaranya. Kornberg (1974) menunjukkan bahwa satuan terlindung itu adalah sebuah partikel berisi delapan histon dengan sekitar $200\,\mathrm{bp}$ , dan mikrograf elektron kromatin yang dibentangkan perlahan memperlihatkan “manik-manik pada seutas benang”. Luger dan rekan (1997) memecahkan struktur kristal partikel intinya pada $2.8\,\text{Å}$ : $147\,\mathrm{bp}$ , sebuah oktamer dengan ekornya menerobos ke luar di antara lilitan DNA. ∎

Serabut 10\, nm: inti nukleosom (biru) pada satu untai DNA menerus (merah), tiap manik berupa oktamer histon dengan ekornya (jingga) menjulur ke luar, histon penghubung H1 (hijau) di titik masuk–keluarnya. Kira-kira enam nukleosom menempati panjang yang diisi 1200\, bp DNA telanjang. — Serabut $10\,\mathrm{nm}$ : inti nukleosom (biru) pada satu untai DNA menerus (merah), tiap manik berupa oktamer histon dengan ekornya (jingga) menjulur ke luar, histon penghubung H1 (hijau) di titik masuk–keluarnya. Kira-kira enam nukleosom menempati panjang yang diisi $1200\,\mathrm{bp}$ DNA telanjang.

Kromatin pada skala molekul: heliks ganda yang terlilit pada inti histon berturut-turut, “manik-manik pada seutas benang” yang disingkapkan oleh tangga nuklease itu.

Proposisi 1.2 (Tingkat pemampatan)

Rasio pemampatan sebuah struktur kromatin adalah panjang DNA yang dikandungnya dibagi panjang strukturnya. Pelilitan menjadi serabut $10\,\mathrm{nm}$ memberi rasio sekitar $6$ : $68\,\mathrm{nm}$ dari satu ulangan $200\,\mathrm{bp}$ tertekan menjadi satu manik $11\,\mathrm{nm}$ . Di dalam nukleus interfase serabut itu tidak tergulung menjadi serabut tebal yang teratur, seperti lama digambarkan buku teks, melainkan terlipat menjadi simpal sepanjang puluhan sampai ratusan kilobasa yang tertambat pada pangkalnya oleh kompleks kohesin berbentuk cincin dan oleh protein pengikat DNA bernama CTCF; simpal-simpal itu mengelompok menjadi domain terkait topologi (TAD) sebesar kira-kira satu megabasa, dan di dalamnya sebuah gen jauh lebih sering berjumpa dengan pengaturnya daripada dengan apa pun di luarnya. Kromosom mitosis, keadaan yang paling mampat, memiliki rasio pemampatan mendekati $10\,000$ : $4\,\mathrm{cm}$ DNA sebuah kromosom manusia rata-rata terlipat menjadi batang sepanjang $4\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

Contoh 1.3 (Dua meter di dalam sepuluh mikrometer)

Sebuah nukleus diploid manusia memuat $6.4\times 10^{9}$ pasangan basa. Pada $0.34\,\mathrm{nm}$ tiap pasangan basa itu berarti $2.2\,\mathrm{m}$ heliks ganda, di dalam nukleus bergaris tengah kira-kira $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Semuanya terkemas menjadi $6.4\times 10^{9}/200 \approx 3.2\times 10^{7}$ nukleosom, dan masing-masing mengusung sekitar $108\,\mathrm{kDa}$ histon berbanding $96\,\mathrm{kDa}$ DNA ( $147\,\mathrm{bp}$ pada $650\,\mathrm{Da}$ tiap pasangan): nukleus memuat histon kira-kira sebanyak DNA menurut massanya. DNA-nya sendiri, bila diperlakukan sebagai silinder bergaris tengah $2\,\mathrm{nm}$ , hanya bervolume sekitar $7\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ , yaitu sekitar $1\,\%$ dari nukleus bola berjari-jari $5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; masalah pengemasannya adalah masalah kekusutan dan akses, bukan masalah ruang.

1.2 Sandi histon

Definisi 1.4 (Modifikasi histon)

Residu ekor histon dimodifikasi secara kovalen: asetilasi lisina (yang menetralkan muatan positifnya dan mengendurkan cengkeramannya pada DNA), metilasi lisina dan arginina (satu, dua, atau tiga gugus metil, tanpa perubahan muatan), fosforilasi serina, ubikuitinasi lisina. Sebuah modifikasi dinamai menurut histon, residu, dan gugusnya: H3K4me3 adalah histon H3, lisina 4, termetilasi tiga kali; H3K27ac adalah H3 lisina 27 terasetilasi. Yang disebut sandi histon adalah keterkaitan antara gabungan tanda dan keadaan gen di bawahnya: H3K4me3 dan H3K27ac pada promotor dan penguat yang aktif, H3K36me3 sepanjang tubuh gen yang ditranskripsi, H3K9me3 pada heterokromatin konstitutif, H3K27me3 pada gen yang dibungkam selama perkembangan. Enzim yang menambahkan tanda disebut penulis (histon asetiltransferase, HAT; metiltransferase), enzim yang membuangnya disebut penghapus (histon deasetilase, HDAC; demetilase), dan protein yang mengikat sebuah tanda lalu bertindak atasnya disebut pembaca: sebuah bromodomain mengikat asetil-lisina, sebuah kromodomain mengikat metil-lisina.

Proposisi 1.5 (Tanda dibaca, bukan sekadar dirasakan)

Asetilasi bekerja sebagian lewat elektrostatika — ekor yang terasetilasi memegang DNA-nya lebih longgar dan serabutnya membuka — tetapi sebagian besar tanda bekerja dengan merekrut pembaca. H3K9me3 diikat oleh kromodomain protein heterokromatin HP1, yang membentuk dimer, menjembatani nukleosom bertetangga, lalu merekrut metiltransferase (SUV39H) yang justru menuliskan H3K9me3 pada nukleosom berikutnya: tandanya merambat sepanjang serabut sampai bertemu sebuah batas, dan memampatkan apa pun yang diliputinya. H3K27me3 dituliskan oleh kompleks represif Polycomb 2 (PRC2, subunit katalitiknya EZH2), dibaca oleh PRC1, yang mengubikuitinasi H2A dan memampatkan serabutnya, dan kompleks itu sendiri dirangsang oleh tanda yang dibuatnya; kelompok protein Trithorax menuliskan H3K4me3 yang berlawanan dan menjaga gen perkembangan suatu tipe sel tetap menyala. Tiap gelung semacam itu — pembaca merekrut penulis — adalah umpan balik positif yang memungkinkan sebuah keadaan memelihara dirinya sendiri sesudah mapan, dan itulah yang dibutuhkan sebuah tanda yang diwariskan.

Logika penulis–pembaca–penghapus. Sebuah pembaca yang terikat pada tanda di satu nukleosom merekrut penulis yang memasang tanda yang sama pada nukleosom berikutnya, sehingga keadaan itu merambat dan menyalin dirinya sendiri; penghapus melawannya. Gugus asetil (hijau) membuka serabutnya; H3K9me3 (merah) menutupnya.

Metode 1.6 (Imunopresipitasi kromatin (ChIP))

Untuk memetakan letak sebuah tanda atau protein pada genom: (1) taut-silangkan protein pada DNA di dalam sel hidup dengan formaldehida; (2) cacah kromatinnya menjadi fragmen sepanjang beberapa ratus pasangan basa; (3) endapkan fragmennya dengan antibodi terhadap tanda itu (misalnya H3K27me3) yang terikat pada butiran; (4) balikkan taut-silangnya lalu murnikan DNA-nya; (5) urutkan DNA itu (ChIP-seq) dan cacah bacaannya sepanjang genom: puncaknya adalah tempat tanda itu berada. Kendali berupa DNA masukan tanpa antibodi menetapkan latarnya. Daya pisahnya sebesar fragmennya, kira-kira satu nukleosom.

Catatan 1.7 (Sandi atau keterkaitan)

Kata “sandi” melebih-lebihkan keadaannya. Banyak tanda merupakan akibat transkripsi, bukan penyebabnya (H3K36me3 diletakkan oleh metiltransferase yang membonceng polimerase), dan membuang sebuah penulis sering mengubah ekspresi jauh lebih sedikit daripada yang disarankan sebaran tandanya. Yang mapan adalah bahwa beberapa tanda — H3K9me3, H3K27me3, dan metilasi DNA di bawah — mengusung pembungkaman yang merambat sendiri dan hidup lebih lama daripada isyarat yang memasangnya.

1.3 Metilasi DNA dan penyalinan sebuah tanda

Definisi 1.8 (Metilasi DNA)

Pada vertebrata sebuah gugus metil ditambahkan pada karbon 5 sitosina hampir hanya di dalam dinukleotida CpG (sebuah C yang disusul G pada untai yang sama), yaitu urutan yang menjadi komplemennya sendiri, sehingga CpG yang termetilasi lazimnya termetilasi pada kedua untainya. Sekitar $70\text{ sampai }80\,\%$ CpG sebuah sel manusia termetilasi, dan promotor yang termetilasi bersifat bisu: gugus metilnya dibaca oleh protein pengikat metil-CpG (MeCP2, MBD1–4) yang merekrut HDAC dan metilase H3K9, dan gugus itu langsung menghalangi beberapa faktor transkripsi. Kekecualiannya adalah pulau CpG, bentangan sepanjang kira-kira satu kilobasa, kaya G dan C serta kaya CpG, yang duduk pada promotor sebagian besar gen rumah tangga dan tetap tak termetilasi di dalam sel normal. Gugus metil dituliskan oleh metiltransferase DNA: DNMT3A dan DNMT3B menjalankan metilasi de novo pada tapak yang belum termetilasi, sedangkan DNMT1, yang lebih menyukai CpG hemimetilasi — satu untai termetilasi, untai lain tidak — menjalankan metilasi pemeliharaan di belakang garpu replikasi. Pembuangannya bersifat pasif, lewat replikasi tanpa pemeliharaan, atau aktif, lewat enzim TET, yang mengoksidasi 5-metilsitosina menjadi 5-hidroksimetilsitosina dan seterusnya sampai perbaikan eksisi basa menggantinya dengan sitosina biasa.

Contoh 1.9 (Mengapa genom kekurangan CpG)

Genom manusia mengandung $42\,\%$ G $+$ C, sehingga andaikan basanya saling bebas sebuah CpG akan muncul dengan frekuensi $0.21\times 0.21 \approx 0.044$ , yakni sekitar $2.8\times 10^{8}$ kali di dalam genom diploid. Cacah teramatinya sekitar $5.6\times 10^{7}$ , seperlima dari itu. Sebabnya adalah tandanya sendiri: sitosina termetilasi yang kehilangan gugus aminonya menjadi timina, basa normal yang tidak dapat dikenali sebagai salah oleh permesinan perbaikan, sedangkan sitosina tak termetilasi terdeaminasi menjadi urasil, yang dieksisi. Sepanjang waktu evolusi CpG yang termetilasi telah bermutasi menjadi TpG dan CpA, dan hanya pulau yang tak termetilasi yang mempertahankan CpG-nya. Tanda itu meninggalkan jejaknya di dalam urutan.

Teorema 1.10 (Pemeliharaan keadaan metilasi sepanjang pembelahan)

Tinjaulah satu tapak CpG, yang diikuti sepanjang satu garis keturunan sel. Pada tiap pembelahan sitosina untai baru termetilasi dengan peluang $\mu$ apabila sitosina untai cetakannya termetilasi (daya guna pemeliharaan) dan dengan peluang $\delta$ apabila tidak (laju de novo). Misalkan $p_{n}$ adalah peluang tapak itu termetilasi sesudah $n$ pembelahan. Maka

p_{n+1} = \mu\, p_{n} + \delta\,(1 - p_{n}), \qquad p_{n} = p^{*} + (p_{0} - p^{*})\,(\mu - \delta)^{n}, \qquad p^{*} = \frac{\delta}{1 - \mu + \delta}.

Setiap tapak menghanyut menuju kesetimbangan $p^{*}$ yang sama, apa pun keadaan awalnya, dan ingatan akan keadaan awal itu meluruh secara geometrik dengan rasio $\mu - \delta$ . Sebuah tanda diingat selama kira-kira $1/(1 - \mu + \delta)$ pembelahan; ingatan yang setia akan selisih antartapak karena itu menuntut $\mu$ sangat dekat ke $1$ dan $\delta$ sangat dekat ke $0$ , atau menuntut umpan balik yang membuat $\mu$ dan $\delta$ bergantung pada keadaan tetangganya.

Bukti. Rekurensinya adalah hukum peluang total atas kedua keadaan untai cetakan. Titik tetapnya memenuhi $p^{*} = \mu p^{*} + \delta(1 - p^{*})$ , sehingga $p^{*}(1 - \mu + \delta) = \delta$ . Dengan mengurangkan persamaan titik tetap itu dari rekurensinya diperoleh $p_{n+1} - p^{*} = (\mu - \delta)(p_{n} - p^{*})$ , yang bila diiterasi memberi bentuk tertutupnya. Karena $0 \le \delta \le \mu \le 1$ , rasio $\mu - \delta$ terletak di $[0,1]$ dan simpangannya mengecil; simpangan itu separuh setiap $\ln 2 / (-\ln(\mu - \delta)) \approx \ln 2/(1 - \mu + \delta)$ pembelahan ketika $\mu - \delta$ dekat ke $1$ . ∎

Contoh 1.11 (Angka-angkanya)

Nilai terukur bagi sel mamalia adalah $\mu \approx 0.99$ dan $\delta \approx 0.02$ tiap pembelahan pada CpG yang lazim. Maka $p^{*} = 0.02/0.03 \approx 0.67$ , dekat dengan fraksi termetilasi seluruh genom, dan $\mu - \delta = 0.97$ : tapak yang termetilasi penuh lalu dibiarkan pada permesinannya saja akan berada separuh jalan kembali ke rata-rata sesudah $\ln 2 / 0.03 \approx 23$ pembelahan. Promotor yang dibungkam dan tetap bisu selama ratusan pembelahan seumur hidup karena itu menuntut lebih daripada DNMT1: pembaca metil-CpG merekrut metilasi H3K9 dan pembaca H3K9 merekrut DNMT3, sehingga pulau tanda yang rapat menaikkan $\mu$ -nya sendiri menuju $1$ dan menurunkan $\delta$ tetangganya menuju $0$ . Sebaliknya, sel yang kehilangan DNMT1 kehilangan tandanya secara pasif: dengan $\mu = \delta = 0$ fraksi untai yang termetilasi separuh pada tiap pembelahan.

Kiri: metilasi pemeliharaan. Sesudah replikasi setiap CpG bersifat hemimetilasi; DNMT1 menyalin tandanya ke untai baru dengan peluang tiap tapak. Kanan: nasib sebuah tapak sepanjang pembelahan untuk = 0.99, = 0.02 (biru dari keadaan termetilasi, merah dari keadaan tak termetilasi) — keduanya memusat ke p* = 0.67 — dan untuk tapak yang umpan balik tetangganya menaikkan menjadi 0.999 (hijau). — Kiri: metilasi pemeliharaan. Sesudah replikasi setiap CpG bersifat hemimetilasi; DNMT1 menyalin tandanya ke untai baru dengan peluang $\mu$ tiap tapak. Kanan: nasib sebuah tapak sepanjang pembelahan untuk $\mu = 0.99$ , $\delta = 0.02$ (biru dari keadaan termetilasi, merah dari keadaan tak termetilasi) — keduanya memusat ke $p^{*} = 0.67$ — dan untuk tapak yang umpan balik tetangganya menaikkan $\mu$ menjadi $0.999$ (hijau).

Metode 1.12 (Membaca metilasi: pengurutan bisulfit)

Pengurutan saja tidak dapat melihat sebuah gugus metil. Perlakukan DNA yang telah didenaturasi dengan natrium bisulfit: sitosina tak termetilasi terdeaminasi menjadi urasil, yang terbaca sebagai T sesudah PCR, sedangkan 5-metilsitosina terlindungi dan tetap terbaca sebagai C. Urutkan DNA hasil konversinya lalu bandingkan dengan acuannya: setiap C yang tetap C tadinya termetilasi, setiap C yang menjadi T tidak. Bila dikerjakan seluruh genom (pengurutan bisulfit seluruh genom) cara ini memberi keadaan metilasi setiap dari $2.8\times 10^{7}$ CpG sebuah genom haploid pada daya pisah satu basa, sebagai fraksi sel di dalam contohnya.

1.4 Penonaktifan X dan pencetakan genomik

Definisi 1.13 (Penonaktifan kromosom X)

Pada mamalia betina salah satu dari dua kromosom X setiap sel somatik dibungkam secara transkripsi sejak dini dalam perkembangan, suatu bentuk kompensasi dosis yang menyetarakan ekspresi gen terpaut-X antara betina XX dan jantan XY. Kromosom yang dibungkam itu dimampatkan menjadi badan padat yang menempel pada selubung inti, yaitu badan Barr. Pilihan X mana yang dibungkam bersifat acak di dalam embrio sendiri dan, sekali dibuat, diwariskan secara klonal oleh seluruh keturunan sel itu. Penonaktifannya diprakarsai oleh Xist, RNA tak penyandi sepanjang $17\,\mathrm{kb}$ yang ditranskripsi dari pusat penonaktifan-X kromosom yang akan dibungkam: RNA itu menyelimuti kromosom tersebut secara cis, lalu merekrut Polycomb (H3K27me3), varian histon makroH2A, dan akhirnya metilasi DNA pada promotornya, dan sesudah itu kebisuannya terpelihara tanpa Xist perlu hadir pada tiap pembelahan. Sekitar $15\,\%$ gen terpaut-X manusia lolos dari penonaktifan, sebagian atau seluruhnya.

Bukti eksperimental. Barr dan Bertram (1949) memperhatikan adanya badan padat di dalam nukleus neuron kucing betina, tetapi tidak pada yang jantan. Ohno (1959) menunjukkan bahwa badan itu adalah satu kromosom X utuh yang memadat. Lyon (1961) merangkai keping-kepingnya: mencit betina heterozigot untuk gen warna bulu terpaut-X memiliki bulu mozaik berbercak yang mengekspresikan alel yang satu atau yang lain, sehingga tiap bercak adalah satu klon yang salah satu X-nya, selalu X yang sama, bisu; hal yang sama berlaku bagi bercak jingga dan hitam kucing belang tiga, yang gen jingganya terpaut-X, dan bagi kelenjar keringat mozaik perempuan pembawa alel mutan sebuah gen terpaut-X. Kucing belang tiga jantan hampir selalu XXY. ∎

Kiri: nukleus sel betina yang diwarnai untuk DNA, dengan X tak aktif yang mampat — badan Barr — terhimpit pada tepi intinya. Kanan: seekor kucing belang tiga. Tiap bercak jingga atau hitam adalah satu klon sel kulit yang membungkam kromosom X yang sama; warna putihnya berasal dari gen pembercak autosom yang terpisah.

Definisi 1.14 (Pencetakan genomik)

Sebuah gen disebut tercetak apabila hanya satu dari kedua alelnya yang diekspresikan, dan alel mana yang diekspresikan bergantung pada tetua asalnya: sebagian gen hanya diekspresikan dari salinan ayah, sebagian lain hanya dari salinan ibu. Mamalia memiliki sekitar $100\text{ sampai }200$ gen tercetak yang mengelompok, dan tiap kelompok dikendalikan oleh sebuah daerah kendali pencetakan (ICR) yang termetilasi pada satu alel tetua dan tidak pada yang lain. Metilasinya dipasang di dalam garis nutfah — satu pola di dalam sperma, pola lain di dalam telur — dihapus di dalam sel nutfah generasi berikutnya lalu dipasang lagi menurut jenis kelamin individu tersebut. Anak yang menerima kedua salinan sebuah kromosom dari tetua yang sama (disomi uniparental) karena itu memiliki dosis gen tercetak yang salah walaupun urutannya sama sekali normal.

Bukti eksperimental. McGrath dan Solter, dan secara terpisah Surani, Barton, serta Norris (1984), membuat zigot mencit berpronukleus dua-duanya dari ibu, atau dua-duanya dari ayah, dengan memindahkan pronukleus antartelur yang telah dibuahi. Kedua macam zigot itu tidak berkembang sampai lahir, walaupun masing-masing memiliki dua perangkat kromosom yang lengkap: embrio ginogenetiknya membentuk embrio yang lumayan dengan plasenta yang buruk, sedangkan yang androgenetik membentuk plasenta besar dan nyaris tanpa embrio. Kedua genom tetua itu tidak setara dan keduanya diperlukan. Cattanach dan Kirk (1985) menunjukkan dengan disomi uniparental khas-kromosom bahwa ketaksetaraan itu terbatas pada daerah tertentu kromosom tertentu, dan di situlah kelompok gen tercetak kemudian ditemukan. ∎

Contoh 1.15 (Kelompok Igf2–H19)

Igf2, sebuah faktor pertumbuhan janin, diekspresikan dari alel ayah; tetangganya H19, sebuah RNA tak penyandi, dari alel ibu. Di antara keduanya terletak ICR dan, di seberang H19, seperangkat penguat bersama. Pada kromosom dari ibu, ICR-nya tak termetilasi dan mengikat CTCF, yang bertindak sebagai isolator: penguatnya dapat menjangkau H19 tetapi tidak Igf2. Pada kromosom dari ayah, ICR-nya termetilasi (dipasang di dalam sperma), CTCF tidak dapat mengikat, dan penguatnya menjangkau ke seberang sampai Igf2; metilasinya juga merambat sehingga membungkam promotor H19. Satu tanda, dipasang di satu garis nutfah, memutuskan nasib kedua gen.

Pencetakan pada Igf2–H19. Alel dari ibu: ICR yang tak termetilasi mengikat CTCF, sebuah isolator, sehingga penguat di hilirnya hanya mengaktifkan H19. Alel dari ayah: ICR-nya termetilasi di dalam sperma, CTCF tidak dapat mengikat, penguatnya menjangkau Igf2, dan metilasinya membungkam H19. — Pencetakan pada *Igf2*–*H19*. Alel dari ibu: ICR yang tak termetilasi mengikat CTCF, sebuah isolator, sehingga penguat di hilirnya hanya mengaktifkan *H19*. Alel dari ayah: ICR-nya termetilasi di dalam sperma, CTCF tidak dapat mengikat, penguatnya menjangkau *Igf2*, dan metilasinya membungkam *H19*.

Contoh 1.16 (Prader–Willi dan Angelman)

Penghapusan yang sama sebesar kira-kira $5\,\mathrm{Mb}$ pada kromosom 15 (daerah 15q11–q13) menimbulkan sindrom Prader–Willi — tonus otot yang lemah saat lahir, lalu nafsu makan tak terpuaskan dan kegemukan — apabila penghapusan itu berada pada kromosom dari ayah, dan sindrom Angelman — disabilitas intelektual berat, tanpa bicara, perangai riang, dan kejang — apabila berada pada kromosom dari ibu. Daerah itu mengusung gen yang diekspresikan dari ayah (SNRPN dan sekelompok RNA kecil) yang satu-satunya salinan aktifnya hilang pada kasus pertama, dan UBE3A yang diekspresikan dari ibu, yang hilang pada kasus kedua. Disomi uniparental ibu untuk kromosom 15, tanpa penghapusan sama sekali, juga memberi Prader–Willi: dua salinan dari ibu, bisu untuk gen dari ayah.

Catatan 1.17 (Mengapa mencetak sama sekali)

Gen tercetak diperkaya untuk kendali pertumbuhan janin dan pemindahan hara plasenta, dengan gen yang diekspresikan dari ayah (Igf2, Peg3) cenderung memacu pertumbuhan dan gen yang diekspresikan dari ibu (H19, Igf2r, Cdkn1c) cenderung mengekangnya. Yang disebut teori kekerabatan membaca hal ini sebagai pertentangan: gen seorang ayah beruntung bila menyedot lebih banyak dari ibu yang kelak mungkin mengandung keturunan jantan lain, sedangkan gen ibu beruntung bila menjatah di antara seluruh anaknya. Pencetakan terjadi pada mamalia berplasenta dan pada tumbuhan berbunga, yang endospermanya juga disuapi induknya, dan tidak pada burung maupun reptil — persis seperti ramalan teori itu.

1.5 Pewarisan epigenetik dan batasnya

Definisi 1.18 (Epigenetika)

Yang disebut epigenetika adalah kajian tentang perubahan aktivitas gen yang diwariskan tanpa berupa perubahan urutan DNA: keadaan yang diusung oleh metilasi DNA, tanda histon, atau untaian faktor transkripsi yang menopang dirinya sendiri, lalu disalin lewat pembelahan sel. Dua alel yang urutannya identik tetapi keadaan epigenetiknya berbeda dan mantap disebut epialel. Pewarisan lewat mitosis adalah kelaziman dan itulah yang membuat sel terdiferensiasi tetap terdiferensiasi. Pewarisan lewat meiosis, dari tetua ke keturunan, merupakan kekecualian pada mamalia, karena tandanya dihapus dalam dua gelombang pemrograman ulang: di dalam sel nutfah purba, tempat cetakan dan sebagian besar metilasi disapu lalu dipasang kembali menurut jenis kelaminnya, dan sekali lagi di dalam zigot serta embrio dini, tempat genom dari ayah didemetilasi secara aktif oleh TET3 dan genom dari ibu secara pasif, sebelum pola embrio itu sendiri diletakkan oleh DNMT3.

Contoh 1.19 (Mencit kuning agouti yang bertahan hidup)

Pada alel $A^{vy}$ sebuah retrotransposon menyisip di hulu gen warna bulu agouti. Di tempat promotor transposon itu tak termetilasi, promotor tersebut memacu agouti terus-menerus di setiap sel; mencitnya kuning, gemuk, dan rawan diabetes. Di tempat promotor itu termetilasi, gennya mengikuti kendali normalnya dan mencitnya cokelat (“pseudoagouti”). Saudara seperindukan yang identik secara genetik terentang di sepanjang seluruh spektrum itu, dan induk kuning beranak kuning lebih banyak daripada induk cokelat: epialelnya terhapus secara tidak tuntas lewat garis nutfah ibu. Waterland dan Jirtle (2003) memberi induk $A^{vy}$ yang bunting pakan kaya pendonor metil (folat, vitamin B₁₂, kolina, betaina) dan menggeser bulu anaknya ke arah cokelat. Lingkungan satu generasi telah memasang tanda yang diusung generasi berikutnya.

Dua saudara seperindukan Avy dengan genotipe identik: seekor mencit kuning dan gemuk yang transposon di hulu agouti-nya tak termetilasi, dan seekor pseudoagouti cokelat yang transposon itu termetilasi. — Dua saudara seperindukan $A^{vy}$ dengan genotipe identik: seekor mencit kuning dan gemuk yang transposon di hulu *agouti*-nya tak termetilasi, dan seekor pseudoagouti cokelat yang transposon itu termetilasi.

Proposisi 1.20 (Di mana keadaan epigenetik yang diwariskan ditemukan)

Tiga sistem yang telah dianalisis dengan baik memperagakan mekanisme di atas. Variegasi efek posisi pada Drosophila: sebuah gen yang dipindahkan oleh penataan ulang kromosom sehingga berdampingan dengan heterokromatin dibungkam pada sebagian sel dan tidak pada sebagian lain, sehingga matanya belang; tiap bercak adalah satu klon, pembungkamannya merambat dari heterokromatin lewat gelung HP1, dan gen yang mutasinya menekan variegasi itu (gen Su(var)) ternyata HP1 dan metiltransferase H3K9. Vernalisasi pada Arabidopsis: dingin musim dingin selama berminggu-minggu membungkam penekan pembungaan FLC lewat H3K27me3 yang diletakkan Polycomb, kebisuan itu bertahan sepanjang berbulan-bulan pertumbuhan musim semi dan ribuan pembelahan sel, dan keadaannya diatur ulang pada tiap generasi sehingga tiap tumbuhan harus mengalami musim dinginnya sendiri. Paramutasi pada jagung: satu alel gen pigmen b1, ketika berjumpa dengan alel tertentu yang lain di dalam heterozigot, mengubahnya menjadi keadaan bisu miliknya sendiri, dan alel yang telah berubah itu meneruskan keadaannya kepada keturunannya selama berbagai generasi, lewat metilasi terarah-RNA-kecil yang dibahas di Bab 2. Pada tiap kasus pewarisannya bersifat mitotik dan tangguh; penerusan antargenerasinya entah diatur ulang secara aktif (tumbuhan) atau bocor dan sebagian (mencit).

Catatan 1.21 (Batas klaim antargenerasi)

Klaim bahwa kelaparan atau tekanan batin seorang kakek “diwariskan secara epigenetik” kepada cucu manusia sering terdengar dan sebagian besar belum terbukti. Dua gelombang penghapusan berdiri di antara sebuah tanda somatik dan seorang cucu, gen tercetak serta segelintir transposon adalah satu-satunya penyintas penghapusan yang terdokumentasi pada mamalia, dan di dalam kohort manusia pengaruh lingkungan bersama, lingkungan rahim, serta selisih genetik sukar dipisahkan dari sebuah tanda yang diusung garis nutfah. Kasus yang telah diperagakan — $A^{vy}$ , sebagian epialel terpaut transposon, keadaan yang diperantarai RNA pada cacing dan tumbuhan — memang nyata, dipahami secara molekuler, dan sempit. Teorema bab ini menjelaskan sebabnya: tanpa umpan balik yang mendorong $\mu$ ke $1$ , sebuah tanda melupakan dirinya dalam beberapa lusin pembelahan, dan garis nutfah menambahkan pengaturan ulang yang aktif di atasnya.

1.6 Latihan

Latihan 1.1 ★

Sebutkanlah susunan partikel inti sebuah nukleosom, panjang DNA yang diikatnya, dan panjang penghubung yang lazim. Mengapa pencernaan kromatin dengan nuklease memberi tangga fragmen, bukan lapisan merata?

Solusi

Solusi Latihan 1.1.

Masing-masing dua salinan H2A, H2B, H3, dan H4 (sebuah oktamer) dengan $147\,\mathrm{bp}$ DNA dalam $1.65$ putaran; penghubung sepanjang $20\text{ sampai }60\,\mathrm{bp}$ , sehingga ulangannya mendekati $200\,\mathrm{bp}$ . Nukleasenya hanya memotong DNA penghubung yang terpapar, tak pernah di dalam sebuah inti, sehingga setiap fragmen merupakan kelipatan bulat ulangan itu: sebuah tangga $200$ , $400$ , $600\,\mathrm{bp}$ , bukan lapisan merata.

Latihan 1.2 ★

Sebuah genom katak memiliki $3.0\times 10^{9}$ pasangan basa tiap perangkat haploid. Berapa nukleosom yang dikandung sebuah nukleus diploid, dengan ulangan $190\,\mathrm{bp}$ , dan berapa panjang DNA-nya?

Solusi

Solusi Latihan 1.2.

Diploid: $6.0\times 10^{9}$ bp; $6.0\times 10^{9}/190 \approx 3.2\times 10^{7}$ nukleosom; panjangnya $6.0\times 10^{9}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 2.0\,\mathrm{m}$ .

Latihan 1.3 ★

Uraikanlah H3K27me3, H4K16ac, dan H3S10ph. Untuk masing-masing katakan apakah ia berkaitan dengan kromatin aktif atau bisu, lalu sebutkan satu pembaca bagi yang pertama.

Solusi

Solusi Latihan 1.3.

H3K27me3: histon H3, lisina 27, termetilasi tiga kali — kromatin bisu gen yang ditekan selama perkembangan, dituliskan PRC2 dan dibaca protein berkromodomain PRC1. H4K16ac: H4, lisina 16, terasetilasi — kromatin aktif dan terbuka (tanda itu memutus satu sentuhan antarnukleosom). H3S10ph: H3, serina 10, terfosforilasi — tanda mitosis yang berkaitan dengan pemadatan kromosom (dan, sesaat, dengan pengaktifan gen oleh sebagian isyarat); bukan tanda pembungkaman maupun pengaktifan yang mantap.

Latihan 1.4 ★

Jelaskanlah mengapa kucing belang tiga hampir selalu betina, dan apa yang pasti dimiliki kucing belang tiga jantan.

Solusi

Solusi Latihan 1.4.

Gen jingga terpaut-X dan memiliki alel jingga serta alel hitam; bulu berbercak menuntut satu alel dari masing-masing, pada dua kromosom X yang berbeda, dan salah satunya dibungkam di tiap sel. Jantan memiliki satu X dan seluruhnya jingga atau seluruhnya hitam. Jantan belang tiga membawa dua kromosom X dan sebuah Y (XXY), dan mandul.

Latihan 1.5 ★★

Hitunglah rasio pemampatan serabut $10\,\mathrm{nm}$ dari angka-angka Definisi 1.1 (ulangan $200\,\mathrm{bp}$ , manik $11\,\mathrm{nm}$ ), dan rasio yang dibutuhkan untuk memuat $4\,\mathrm{cm}$ DNA kromosom manusia rata-rata ke dalam kromatid mitosis sepanjang $4\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Dengan faktor tambahan berapa serabut itu harus terlipat?

Solusi

Solusi Latihan 1.5.

$200\,\mathrm{bp}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 68\,\mathrm{nm}$ tiap manik setebal $11\,\mathrm{nm}$ : rasionya $6.2$ . Yang dibutuhkan: $4\,\mathrm{cm}/4\,\text{µ}\mathrm{m} = 10^{4}$ . Pelipatan lanjutannya sebesar $10^{4}/6.2 \approx 1600$ .

Latihan 1.6 ★★

Di dalam model Teorema 1.10 dengan $\mu = 0.98$ dan $\delta = 0.01$ , carilah $p^{*}$ dan cacah pembelahan yang membuat tapak yang mula-mula termetilasi kehilangan separuh kelebihannya atas $p^{*}$ . Ulangilah untuk $\mu = 0.999$ , $\delta = 0.001$ .

Solusi

Solusi Latihan 1.6.

$\mu = 0.98$ , $\delta = 0.01$ : $p^{*} = 0.01/0.03 = 0.33$ ; rasionya $\mu - \delta = 0.97$ ; waktu paruhnya $\ln 2/(-\ln 0.97) = 22.8 \approx 23$ pembelahan. $\mu = 0.999$ , $\delta = 0.001$ : $p^{*} = 0.5$ ; rasionya $0.998$ ; waktu paruhnya $\ln 2 / 0.002 \approx 350$ pembelahan.

Latihan 1.7 ★★

Sebuah percobaan ChIP-seq pada sel hati memberi puncak H3K4me3 dan puncak H3K27ac pada promotor gen $A$ , domain H3K27me3 yang lebar di atas gen $B$ , dan H3K9me3 di atas gen $C$ . Ramalkanlah keadaan transkripsi masing-masing, lalu katakan mana di antara $B$ dan $C$ yang lebih mungkin menyala pada tipe sel lain, dan mengapa.

Solusi

Solusi Latihan 1.7.

$A$ : aktif (promotor H3K4me3 dengan asetilasi). $B$ : bisu, ditekan Polycomb — heterokromatin fakultatif, keadaan sebuah gen perkembangan yang dimatikan pada garis keturunan ini tetapi dipakai pada garis lain, sehingga $B$ -lah yang mungkin aktif pada tipe sel lain. $C$ : bisu, heterokromatin konstitutif (jalur HP1), lazimnya urutan berulang atau gen yang dibungkam pada setiap tipe sel.

Latihan 1.8 ★★

Seorang perempuan membawa penghapusan daerah UBE3A pada salah satu kromosom 15-nya tetapi sehat. Ayahnya membawa penghapusan yang sama dan juga sehat. Sindrom apa, bila ada, yang mengancam tiap anaknya, dan dengan peluang berapa? Bagaimana andaikan penghapusan itu datang dari ibunya?

Solusi

Solusi Latihan 1.8.

UBE3A hanya diekspresikan dari alel ibu di dalam neuron. Penghapusan yang dibawanya datang dari ayahnya, pada alel yang memang sudah bisu, sehingga ia sehat; ketika ia menurunkannya, penghapusan itu menjadi penghapusan dari ibu: tiap anak berpeluang $1/2$ mewarisinya dan lalu mengidap sindrom Angelman. Andaikan penghapusan itu datang dari ibunya, ia sendiri akan mengidap sindrom Angelman; pembawa yang sehat hanya mungkin mewarisinya dari ayah. (Penghapusan seluruh daerah itu dari ayah akan memberi Prader–Willi; UBE3A sendiri tidak cukup untuk itu.)

Latihan 1.9 ★★

Ramalkanlah akibatnya, pada embrio mencit betina, apabila gen Xist dihapus dari satu kromosom X; dari keduanya. Ramalkanlah apa yang dilakukan transgen Xist yang disisipkan ke sebuah autosom pada autosom itu.

Solusi

Solusi Latihan 1.9.

Satu X tanpa Xist tidak dapat dinonaktifkan, sehingga X yang lain dibungkam di setiap sel: penonaktifannya lengkap tetapi tidak lagi acak (condong), dan embrionya hidup. Kedua X tanpa Xist: tanpa penonaktifan, dua kromosom X aktif, ekspresi terpaut-X dua kali lipat, dan embrio betina itu mati dini. Sebuah transgen Xist pada autosom menyelimuti autosom tersebut secara cis dan membungkam gennya, sehingga satu salinan autosom kehilangan fungsi — percobaan yang menunjukkan Xist memadai untuk pembungkaman secara cis.

Latihan 1.10 ★★★

Jelaskanlah, dengan Contoh 1.9, mengapa pulau CpG mempertahankan CpG-nya sedangkan sisa genom kehilangan empat perlimanya, dan apa yang tersirat dari hal itu tentang keadaan metilasi pulau-pulau tersebut di dalam garis nutfah sepanjang waktu evolusi. Mengapa argumen itu gagal bagi gen yang hanya termetilasi di dalam hati?

Solusi

Solusi Latihan 1.10.

Sitosina termetilasi terdeaminasi menjadi timina, yang tidak dikenali permesinan perbaikan, sehingga CpG termetilasi bermutasi menjadi TpG atau CpA dengan laju tinggi. Hanya urutan yang tak termetilasi di dalam garis nutfah, generasi demi generasi, yang mempertahankan CpG-nya; pulau CpG mempertahankan miliknya, sehingga pulau itu telah tak termetilasi di dalam garis nutfah sepanjang hampir seluruh sejarah vertebrata. Gen yang hanya termetilasi di hati tetap tak termetilasi di dalam sperma dan telur; mutasi yang timbul di sel hati tidak diwariskan, sehingga metilasi somatik tidak meninggalkan jejak di dalam urutan.

Latihan 1.11 ★★★

Tunjukkanlah, dengan gelung penulis–pembaca Proposisi 1.5, bagaimana sebuah domain H3K9me3 dapat mantap sepanjang replikasi walaupun tiap pembelahan mengencerkan histon bertanda itu dua kali lipat dengan histon baru tanpa tanda. Apa yang menentukan tempat domain itu berhenti merambat? Usulkanlah percobaan untuk menguji uraian Anda.

Solusi

Solusi Latihan 1.11.

Pada replikasi, histon lama yang bertanda dibagi antara kedua duplek anaknya dan diselingi histon baru yang tanpa tanda, sehingga tiap domain anak bertanda kira-kira separuhnya. HP1 yang terikat pada nukleosom bertanda yang tertahan merekrut SUV39H, yang memetilasi tetangganya yang tanpa tanda; selama nukleosom bertanda cukup rapat untuk membawa seorang penulis ke tiap celah, domain itu terisi kembali sebelum pembelahan berikutnya — umpan balik yang sama dengan $\mu$ tinggi di dalam teorema. Perambatannya berhenti pada batas: protein isolator (CTCF), gen yang ditranskripsi kuat dan gen tRNA, nukleosom yang mengusung tanda aktif yang tak serasi (H3K4me3, asetilasi) yang tak dapat dipakai penulisnya, serta titik tempat penghapus (demetilase, pergantian HDAC) melampaui penulisnya. Ujinya: rekrutlah HP1 sesaat ke sebuah pelapor (sebuah fusi dengan domain pengikat DNA yang pengikatannya dikendalikan obat), lepaskan, lalu ikuti kebisuan pelapor itu serta H3K9me3-nya sepanjang pembelahan; ramalkan ketahanan yang bergantung pada penulisnya, dan kehilangan bila penulis atau pendimeran pembacanya dimutasikan, atau bila sebuah isolator ditempatkan di dalam domain itu.

Latihan 1.12 ★★★

Sebuah kajian melaporkan bahwa cucu orang yang mengalami masa kelaparan memiliki metilasi yang berubah pada sebuah gen pertumbuhan dan massa tubuh yang lebih besar. Sebutkanlah penjelasan tandingan yang harus disingkirkan sebelum menyimpulkan bahwa sebuah tanda metilasi diteruskan lewat garis nutfah, lalu katakan percobaan apa pada mencit yang akan menuntaskan soal itu.

Solusi

Solusi Latihan 1.12.

Singkirkanlah: lingkungan bersama (pakan dan kemiskinan cucunya sendiri); pengaruh rahim — anak perempuan ibu yang terpapar kelaparan itu masih janin, dengan sel nutfahnya sudah hadir, sehingga garis nutfah cucunya terpapar langsung dan pengaruhnya bukan antargenerasi; selisih genetik antara keluarga yang selamat dan yang tidak; sebab terbalik (massa tubuh itu sendiri mengubah metilasi di dalam darah); selisih susunan sel darah; dan pengujian berganda atas banyak CpG. Percobaan pada mencit: paparkan jantan F $_0$ galur murni (tanpa jalur rahim), kawinkan dengan betina yang tak terpapar atau pakailah pembuahan di luar tubuh serta pemindahan embrio, lalu ikutilah F $_2$ dan F $_3$ lewat garis ayah sambil mengukur metilasi di dalam sperma tiap generasi; sebuah tanda yang bertahan pada sperma dan fenotipe F $_3$ , di dalam galur tanpa keragaman genetik, adalah penerusan lewat garis nutfah.

1.7 Soal: Ingatan Sebuah Gen yang Dibungkam

Soal 1.1

Soal akhir pekan — sebuah genom manusia yang terkemas ke dalam nukleusnya, sebuah tanda metilasi yang diikuti sepanjang pembelahan, seekor kucing belang tiga yang dibaca sebagai peta klonal, dan penyakit satu daerah tercetak yang dihitung, berakhir pada cacah pembelahan yang dilalui sebuah tanda tanpa umpan balik dan pada ukuran populasi sel yang memilih X-nya

Data: sebuah nukleus diploid manusia memuat $6.4\times 10^{9}$ pasangan basa, pada $0.34\,\mathrm{nm}$ dan $650\,\mathrm{Da}$ tiap pasangan; ulangan nukleosomnya $200\,\mathrm{bp}$ , sebuah oktamer histon berbobot $108\,\mathrm{kDa}$ , dan partikel intinya berupa cakram bergaris tengah $11\,\mathrm{nm}$ dan setebal $5.5\,\mathrm{nm}$ . Nukleusnya bola bergaris tengah $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Genomnya $42\,\%$ G $+$ C. Metilasi pada CpG biasa: $\mu = 0.99$ , $\delta = 0.02$ tiap pembelahan.

Bagian I — Pengemasan.

Hitunglah panjang total DNA di dalam nukleus dan cacah nukleosomnya.
Hitunglah massa total histon (oktamernya saja) dan massa DNA, dalam pikogram ( $1\,\mathrm{Da} = 1.66 \times 10^{-24}\,\mathrm{g}$ ).
Hitunglah volume nukleus dan volume total partikel intinya, yang diperlakukan sebagai silinder. Berapa bagian nukleus yang diisinya?
Andaikan nukleosomnya dijajarkan ujung ke ujung sebagai serabut $10\,\mathrm{nm}$ , berapa panjang serabut itu, dan berapa rasio pemampatannya terhadap DNA telanjang?
Serabut itu terlipat menjadi simpal sepanjang $200\,\mathrm{kb}$ yang tertambat kohesin. Berapa simpal, dan berapa nukleosom tiap simpal?
Dengan andaian kebebasan, berapa dinukleotida CpG yang akan dikandung genom diploid itu? Cacah teramatinya $5.6\times 10^{7}$ . Berapa bagian yang hilang, dan lewat mekanisme mutasi apa?

Bagian II — Sebuah tanda sepanjang pembelahan.

Tulislah rekurensi bagi $p_{n}$ lalu hitunglah $p^{*}$ .
Sebuah CpG promotor termetilasi penuh pada $n = 0$ . Hitunglah $p_{n}$ sesudah $10$ , $50$ , dan $200$ pembelahan.
Sesudah berapa pembelahan kelebihan $p_{n} - p^{*}$ tinggal separuh? Sel punca jaringan membelah kira-kira sekali seminggu: berapa tahun lamanya itu?
Sebuah obat menghambat DNMT1 sepenuhnya ( $\mu = 0$ ) dan DNMT3 juga ( $\delta = 0$ ). Tunjukkanlah bahwa fraksi untai termetilasi di dalam populasinya separuh pada tiap pembelahan, lalu carilah cacah pembelahan yang membawa metilasi $80\,\%$ ke bawah $5\,\%$ .
Di dalam pulau yang dibungkam, pembaca metil-CpG merekrut metilasi H3K9, yang merekrut DNMT3, sehingga di dalam pulau itu $\mu = 0.9995$ dan $\delta = 0.0005$ . Hitunglah ulang waktu paruh kelebihannya, dalam pembelahan dan dalam tahun pada satu pembelahan seminggu.
Jelaskanlah dalam satu kalimat mengapa hasil pertanyaan 11 dan bukan hasil pertanyaan 9 yang dituntut sebuah gen yang dibungkam seumur hidup, dan susunan molekul macam apa yang menghasilkannya.

Bagian III — Peta belang tiga.

Seekor kucing heterozigot untuk gen jingga terpaut-X. Jelaskanlah mengapa bulunya berbercak jingga dan hitam dan apa yang diwakili satu bercak.
Penonaktifan X terjadi ketika sel yang ditakdirkan membentuk kulit berjumlah $N$ . Masing-masing memilih X secara acak. Berapa peluang bahwa seluruh $N$ sel memilih X yang sama, sehingga kucingnya berwarna tunggal?
Tidak ada heterozigot berwarna tunggal semacam itu yang terdokumentasi di antara barangkali semiliar ekor kucing; ambillah peluangnya sebesar $10^{-9}$ lalu taksirlah $N$ .
Luas permukaan kulit kucing itu sekitar $0.3\,\mathrm{m}^{2}$ dan bercaknya rata-rata $15\,\mathrm{cm}^{2}$ . Taksirlah cacah bercaknya, lalu jelaskan mengapa cacah itu lebih besar daripada $N$ .
Seekor kucing jantan XXY juga belang tiga. Berapa badan Barr yang tampak pada selnya? Berapa pada betina XXX dan pada jantan XY?
Sebuah gen yang lolos dari penonaktifan hadir dalam dua salinan aktif pada betina dan satu pada jantan. Berikanlah satu alasan mengapa pelolosan itu dapat ditoleransi dan satu keadaan tempat hal itu penting.

Bagian IV — Kromosom 15.

Sindrom Prader–Willi mengenai kira-kira satu kelahiran dari $15\,000$ ; $70\,\%$ kasusnya berupa penghapusan de novo 15q11–q13 dari ayah dan $25\,\%$ berupa disomi uniparental ibu. Hitunglah frekuensi kelahiran tiap sebabnya.
Sindrom Angelman berfrekuensi kira-kira sama; $70\,\%$ berupa penghapusan dari ibu, $5\,\%$ disomi dari ayah, dan $10\,\%$ mutasi titik UBE3A. Mengapa mutasi titik menjadi sebab Angelman tetapi hampir tak pernah menjadi sebab Prader–Willi?
Seorang ayah membawa translokasi berimbang yang membuat $20\,\%$ spermanya kehilangan 15q11–q13. Berapa bagian anaknya yang mengidap Prader–Willi, dan berapa bagian yang Angelman?
Disomi uniparental timbul ketika zigot trisomik kehilangan satu kromosom. Bila zigot trisomi-15 kehilangan satu dari ketiga kromosomnya secara acak, dan trisominya berasal dari ibu (dua salinan dari ibu), berapa peluang bahwa yang tersisa berupa disomi ibu? Sindrom yang mana?
Gen Prader–Willi diekspresikan dari ayah dan gen Angelman dari ibu. Dengan teori kekerabatan, katakanlah gejala mana dari kedua sindrom itu (kesulitan menyusu saat lahir lawan nafsu makan yang rakus) yang cocok dengan teori tersebut dan mana yang lebih sukar dicocokkan.
Diusulkan sebuah cara mengobati Angelman dengan mengaktifkan kembali UBE3A dari ayah yang bisu. Kebisuannya disebabkan oleh RNA antisens yang diekspresikan dari ayah. Usulkanlah sasaran molekulnya lalu katakan mengapa terapi itu tidak akan mengganggu gen tercetak yang lain.
Ringkaskanlah: waktu paruh sebuah tanda tanpa umpan balik (pertanyaan 9) dan dengan umpan balik (pertanyaan 11), dalam pembelahan; dan populasi pendiri $N$ bulu belang tiga (pertanyaan 15).

Solusi

Solusi Soal 1.1.

1. $6.4\times 10^{9}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 2.2\,\mathrm{m}$ ; $6.4\times 10^{9}/200 = 3.2\times 10^{7}$ nukleosom. 2. Histon: $3.2\times 10^{7}\times 1.08\times 10^{5} = 3.5\times 10^{12}$ Da $= 5.7\,\mathrm{pg}$ . DNA: $6.4\times 10^{9}\times 650 = 4.2\times 10^{12}$ Da $= 6.9\,\mathrm{pg}$ . Massanya sebanding. 3. Nukleus: $\tfrac{4}{3}\pi\,(5\,\text{µ}\mathrm{m})^{3} = 520\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ . Inti: $\pi\,(5.5)^{2}\times 5.5 = 520\,\mathrm{nm}^{3} = 5.2\times 10^{-7}\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ; totalnya $3.2\times 10^{7}\times 5.2\times 10^{-7} = 17\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : sekitar $3\,\%$ nukleus. 4. $3.2\times 10^{7}\times 11\,\mathrm{nm} = 0.35\,\mathrm{m}$ ; rasio pemampatannya $2.2/0.35 \approx 6$ . 5. $6.4\times 10^{9}/2\times 10^{5} = 32\,000$ simpal, dengan $1000$ nukleosom pada tiap simpal. 6. $0.21^{2}\times 6.4\times 10^{9} = 2.8\times 10^{8}$ ; teramati $5.6\times 10^{7}$ , jadi $80\,\%$ hilang, lewat deaminasi 5-metilsitosina menjadi timina (transisi C $\to$ T yang tak terperbaiki pada CpG termetilasi). 7. $p_{n+1} = 0.99\,p_{n} + 0.02\,(1 - p_{n}) = 0.97\,p_{n} + 0.02$ ; $p^{*} = 0.02/0.03 = 0.67$ . 8. $p_{n} = 0.67 + 0.33\times 0.97^{n}$ : $n = 10$ : $0.91$ ; $n = 50$ : $0.74$ ; $n = 200$ : $0.67$ (kelebihannya $7\times 10^{-4}$ ). 9. $\ln 2/(-\ln 0.97) = 22.8 \approx 23$ pembelahan; pada satu pembelahan seminggu, sekitar $23$ minggu — lima bulan. 10. Tiap replikasi memasangkan satu untai lama, yang masih termetilasi, dengan satu untai baru yang tak dimetilasi enzim mana pun; untai lamanya tidak bertambah maupun berkurang, cacah untainya berlipat dua, sehingga fraksi termetilasinya separuh. $0.80/2^{n} < 0.05$ menuntut $2^{n} > 16$ : lima pembelahan ( $0.025$ ; empat pembelahan memberi tepat $5\,\%$ ). 11. Rasionya $0.9995 - 0.0005 = 0.999$ ; waktu paruhnya $\ln 2/(-\ln 0.999) \approx 690$ pembelahan, sekitar $13$ tahun pada satu pembelahan seminggu. 12. Gen yang bisu selama seumur hidup, yakni sekitar $4000$ pembelahan mingguan, menuntut waktu paruh ratusan pembelahan, dan hanya umpan balik pertanyaan 11 yang memberinya: pembaca tandanya (MeCP2, HP1) merekrut penulisnya (metilase H3K9, DNMT3), sehingga domain tanda yang rapat menyalin dirinya dengan daya guna yang tak dimiliki enzim tunggal mana pun. 13. Satu X mengusung alel jingga, X yang lain alel hitam; tiap sel kulit telah membungkam satu X dan hanya mengekspresikan yang lain; keturunan sebuah sel mempertahankan pilihannya, sehingga satu bercak adalah satu klon (atau sekelompok klon bersebelahan) yang membuat pilihan yang sama. 14. Seluruh $N$ sel memilih X pembawa jingga, atau seluruhnya memilih X yang lain: $2\times (1/2)^{N} = 2^{1-N}$ . 15. $2^{1-N} = 10^{-9}$ : $N - 1 = \log_{2} 10^{9} = 29.9$ , $N \approx 30$ sel. 16. $3000\,\mathrm{cm}^{2}/15\,\mathrm{cm}^{2} = 200$ bercak, jauh lebih banyak daripada $30$ pendiri: selama pertumbuhan keturunan seorang pendiri terpencar oleh percampuran dan perpindahan sel, sehingga satu klon membentuk beberapa pulau (dan tetangga yang berpilihan sama menyatu, yang bekerja ke arah sebaliknya tetapi lebih lemah). 17. Satu badan Barr tiap X di luar X yang pertama: XXY satu, XXX dua, XY tidak ada. 18. Dapat ditoleransi bila gennya memiliki homolog Y yang berfungsi, sehingga jantan pun memiliki dua salinan (gen pseudoautosom dan pasangan seperti KDM5C/KDM5D); hal itu penting pada aneuploidi X — pada sindrom Turner (XO) gen yang lolos hanya hadir dalam satu salinan, dan itulah sebabnya individu XO bukan sekadar perempuan normal (haploinsufisiensi SHOX dan perawakan pendek), sedangkan pada XXY gen yang lolos justru berlebih dosis. 19. $1/15\,000 = 6.7\times 10^{-5}$ ; penghapusannya $0.70\times 6.7\times 10^{-5} = 4.7\times 10^{-5}$ (satu dari $21\,000$ ); disomi ibunya $1.7\times 10^{-5}$ (satu dari $60\,000$ ). 20. Angelman adalah kehilangan satu gen, UBE3A, sehingga satu mutasi titik pada alel ibu sudah memadai. Prader–Willi adalah kehilangan beberapa gen yang diekspresikan dari ayah sekaligus (SNRPN, kelompok RNA kecilnya); mutasi titik menonaktifkan salah satu saja dan memberi paling banter fenotipe sebagian, tak pernah sindrom seutuhnya. 21. $20\,\%$ anaknya menerima penghapusan dari ayah dan mengidap Prader–Willi; tidak ada yang mengidap Angelman, yang menuntut penghapusan dari ibu. 22. Tiga kromosom, dua dari ibu dan satu dari ayah, satu hilang secara acak: yang dari ayah hilang dengan peluang $1/3$ , meninggalkan disomi ibu dan Prader–Willi; dengan peluang $2/3$ satu salinan dari ibu yang hilang dan anaknya normal. 23. Gen dari ayah semestinya memacu tuntutan pada ibu; kehilangannya (Prader–Willi) semestinya menurunkan tuntutan — dan itu cocok dengan lemahnya isapan dan gagal tumbuh bayi baru lahir — sedangkan nafsu makan rakus yang datang kemudian justru kebalikannya dan lebih sukar dicocokkan (satu bacaan yang diusulkan ialah bahwa gen dari ayah biasanya mengarahkan anak menuju penyapihan). Angelman, kehilangan sebuah gen dari ibu, semestinya menaikkan tuntutan; isapan yang berkepanjangan dan seringnya terbangun malam pada anak Angelman memang cocok, sedangkan kejang dan hilangnya bicara sama sekali bukan soal sumber daya. 24. Sasarlah transkrip antisens dari ayah (UBE3A-ATS) dengan oligonukleotida antisens yang mengurainya atau menghalangi pemanjangannya: UBE3A dari ayah masih utuh dan dibungkam hanya secara cis oleh RNA itu, sehingga membuang RNA-nya memulihkan ekspresinya. Metilasi daerah kendali pencetakannya tidak tersentuh, sehingga SNRPN dan gen tercetak yang lain mempertahankan pola tetuanya yang normal. 25. Waktu paruh sebuah tanda: sekitar $23$ pembelahan tanpa umpan balik, sekitar $690$ dengan umpan balik; bulu belang tiga diputuskan oleh populasi pendiri sekitar $30$ sel.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium