Aspek Klinik Channel Ion

Proses informasi di dalam CNS sangat tergantung pada fungsi channel ion. Proses

yang paling cepat melibatkan aksi potensial tembakan dan neurotransmisi yang

cepat. Meskipn diluar cakupan bab ini, bab ini menjelaskan bidang klinik dimana

fungsi channel ion sangat penting, bagian berikut menjelaskan beberapa daerah

dimana pemahaman fungsi channel ion sangat penting bagi psikiatri, neurologi

dan farmakologi klinik.

Aktivitas listrik dan fungsi neuroimaging

Kemampuan untuk menggambarkan aktivitas metabolik secara langsung di

dalam otak menggunakan positron emission tomografi (PET) dan fungsional

magnetic resonance imaging (fMRI) memberikan pengaruh besar pada

pemahaman proses kognitif pada manusia dan sirkuit neurologis penyakit

psikiatri. Teknik imaging ini sangat tergantung pad aperubahan monitoring pada

aliran darah regional dan aktivitas metabolik (menggunakan glukosa). penafsiran

hasil dari neuroimaging tergantung pada pemahaman bagaimana perubahan

pada aliran darah dan metabolisme energi berhubungan dengan aktivitas

neuronal. Umumnya dipercaya bahwa perubahan yang ditemukan pada

neuroimaging fungsional menggambarkan rata-rata aktivitas neuronal di daerah

yang menjadi perhatian. Namu, sangat penting untuk mempertimbangkan

bagaimana perubahan imaging berhubungan dengan tembakan neuronal dan

aktivitas, menjelaskan perbedaan pada resolusi sementara aktivitas metabolik

pada level seluler dan molekular. Tugas ini sulit digambarkan dan

diperhitungkan, menggambarkan pengaruh yang mungkin dari aksi tembakan,

pelepasan transmiter, pengambilan seluler dan pompa ion yang diperlukan untuk

menghasilkan transisi dan untuk menetapkan homeostasis ionik di dalam neuron

dan glial. Sangat penting, aktivitas pompa membran diperlukan untuk

mempertahankan homeostasis ionik merupakan kontributor utama untuk

konsumsi energi CNS. Beberapa bukti menegaskan bahwa banyak signal

metabolik di dalam otak dihasilkan dari aktivitas sinaps glutamatergik cepat.

Bentuk saat ini menegaskan bahwa potensial aksi tembakan dan aksi post

sinaptik glutamat diperhitungkan bersamaan untuk 80 persen atau lebih

konsumsi energi CNS. Pengaruh yang lebih kecil berasal dari mempertahankan

keadaan ionik sisa dan memperbaharui glutamat (konsumsi energi mencapai 15

persen). Diperhitungkan secara bersamaan, penelitian ini menegaskan bahwa

perubahan yang ditemukan pada pemeriksaan imaging fungsional sangat besar

ditentukan oleh aktivitas perangsangan yang cepat pada daerah otak khusus.

Penemuan ini secara khusus penting dalam usaha untuk menjelaskan bagiaman

neuromodulator terlibat dalam aksi dari banyak obat psikotropik yang

mempengaruhi proses CNS.

Aktivitas neuronal dan Sindrom Alkohol Janin

Ion channel memainkan peranan penting dalam perkembangan sistem saraf

pada hewan mamalia. Selama perkembangan, lebih banyak neuron dihasilkan

daripada yang diperlukan dalam sistem saraf yang matur. Tergantung pada

daerah yang terkena, lima persen atau lebih neuron tidak selamat. Hal ini

menjelaskan pentingnya pemahaman faktor-faktor yang mempengaruhi

kelangsungan hidup neuronal dan menghasilkan pertanyaan penting mengenai

faktor-faktor yang mempengaruhi kehilangan neuronal dalam perkembangan

penyakit. Saat ini jelas bahwa neuron berfungsi untuk mempertahankan dan

mengembangkan hubungan dan menghasilkan pertanyaan penting mengenai

faktor-faktor yang mempengaruhi kehilangan neuronal dalam perkembangan

penyakit, neuron harus memperlihatkan level aktivitas yang tepat selama

periode penting dalam perkembangan. Aktivitas ini sebagian menghasilkan

potensial aksi yang dimediasi oleh tegangan channel ion aktif. Tambahan,

aktivitas sinaptik yang tepat, khususnya asal rangsangan sinaptik, kelihatan

memainkan peranan penting dalam menentukan kelangsungan hidup neuronal

selama sinaptogenesis. Bila aktivitas neuronal intrinsik dihambat oleh blokade

tegangan sodium aktif atau channel kalsium, neuron mengalami degenerasi

neuronal apoptotik. Penelitian terbaru pada mencit menunjukkan bahwa agen

yang menurunkan transmisi sinaptik yang dimediasi glutamat, khususnya

komponen yang dimediasi oleh reseptor NMDA, menghasilkan kehilangan dalam

jumlah besar neuron pada berbagai daerah otak selama sinaptogenesis. Sama

halnya, terapi yang meningkatkan penghambatan dimediasi oleh GABA juga

mendukung apoptosis neuronal dalam jumlah besar selama periode

perkembangan. Sejumlah obat yang dipakai secara klinik dan penyalahgunaan

obat-obatan memperlihatkan sifat yang sama. Sebagai contoh, phencyclidine

merupakan obat yang menghambat channel ion NMDA berpotensial neurotoksik

selama perkembangan pada mencit bila diberikan satu hari selama

sinaptogenesis. Neurotoksisitas yang sama ditemukan secara klinik bila

menggunakan benzodiazepin dan barbiturat yang beraksi melalui reseptor

GABAA.

Pada manusia, periode sinaptogenesis mulai dari trimester ketiga

kehamilan sampai beberapa tahun kehidupan. Telah diketahui bahwa paparan

pada waktu perkembangan sistem saraf manusia dengan ethanol menghasilkan

sindrom yang disebut sindrom alkohol janin dan sindrom ini merupakan bentuk

yang ringan, pengaruh alkohol terhadap janin. Sindrom alkohol janin

dikarakteristikkan dengan mikrosefali, badan pendek, abnormalitas wajah, dan

berbagai gangguan pada proses belajar. Sama dengan penelitian yang dijelaskan

diatas, mencit yang terpapar dengan level intoksikasi ethanol untuk peridoe

beberapa jam pada satu hari selama sinaptogenesis menyebabkan apoptotik

neurodegenerasi, pada beberapa daerah mengakibatkan kehilangan lebih dari

separuh neuron. Ethanol merupakan obat dengan pengaruh kompleks pada

sistem saraf, termasuk kemampuan untuk menghambat reseptor NMDA dan

pada beberapa kasus meningkatkan reseptor GABAA. Pada mencit, kerusakan

perkembangan yang dihasilkan oleh ethanol kelihatan menggambarkan

campuran kerusakan oleh antagonis NMDA dan potentiator GABA.

Model saat ini sangat kuat menegaskan bahwa penyakit psikiatri mayor

dari kompleks interaksi gen dengan variabel lingkungan. Sangat menarik untuk

dicatat bahwa beberapa penelitian menunjukkan bahwa individu dengan

pengaruh alkohol janin memperlihatkan psikopatologi yang besar karena sifat

nya pada saat dewasa, termasuk peningkatan prevalensi depresi mayor dan

penyakit psikotik. Sangat beralasan untuk memperhatikan bahwa paparan dini

dengan obat merubah aktivitas neuronal selama perkembangan yang dapat

memberikan pengaruh besar pada ekspresi sindrom psikiatri pada orang dewasa.

Meskipun sangat jelas pada kasus penyalahgunaan obat seperti ethanol dan

phencyclidine, sejumlah terapi menggunakan obat seperti anticonvulsan,

anestesi dan sedatif memiliki sifat yang sama. Penelitian terhadap hewan

menunjukkan bahwa obat ini juga dapat memberikan pengaruh pada

perkembangan sistem saraf pusat.

Tegangan Channel sodium dan aksi antikonvulsan

Kejang merupakan keadaan hipereksitabilitas pada CNS dan menghasilkan

pengaruh kompleks pada kesadaran dan aktivitas motorik. Obat yang dipakai

untuk menangani kejang adalah depresan CNS yang beraksi pada berbagai

channel ion dan sistem transmitter untuk meningkatkan penghambatan dan

menurunkan perangsangan. Reseptor GABAA merupakan target beberapa anti

konvulsan dan anti konvulsan efektif meningkatkan penghambatan GABA.

Contoh antikovulsan yang beraksi pada reseptor GABAA seperti barbiturat dan

benzodiazepine. Antikonvulsan lain mempengaruhi bagian lain pada

neurotransmitter GABAergik. Contoh nya adlaah tiagabine (blok transporter-

mediasi uptake GABA) dan γ-vinyl-GABA (menghambat enzim degradasi GABA,

GABA transminase).

Aktivasi tegangan channel Na+ merupakan target dari anti konvulsan yang

lain. Contoh obat yang merubah channel Na+ adalah phenytoin, carbamazepine

dan dan lamotrigine. Obat ini memiliki aksi kompleks pada channel Na+, tetapi

memiliki sifat yang sama yakni menurunkan aliran ion mellaui channel yang

bertanggung jawab untuk menghasilkan potensial aksi. Karena potensial aksi

memediasi pelepasan neurotransmitter sangat penting dalam transduksi aktivitas

neuronal di dalam signal interneuronal, sangat menarik bahwa obat

antikonvulsan yang menghambat channel Na+ juga kelihatan dapat menurunkan

perangsangan (glutamatergik) transmisi sinaptik. Kelihatna jelas di dalam neuron

hippocampal dengan anti konvulsan dan obat neuroprotektan, riluzole, yang

secara klinik dipakai untuk menurunkan kehilangan neuronal yag disebabkan

oleh sklerosis lateral amyotropik (ALS). Riluzole (dan beberapa anti konvulsan

lain) meningkatkan in aktivasi tegangan channel Na+. Mengapa agen ini lebih

disukai dalam menurunkan transmisi glutamategik masih belum jelas tetapi

dapat melibatkan densitas channel Na+ pada glutamatergik dibandingkan dengan

neuron GABAergik. Pengaruh, transmisi perangsangan dapat diturunkan dengan

derajat penghambatan channel Na+ yang memiliki sedikit pengaruh pada

penghambatan transmisi.

Menjelaskan pentingnya obat anti konvulsan sebagai stabilizer mood,

pengamatan mekanistik ini memiliki hubungan psikiatri. Baru-baru, asam valproic

merupakan salah satu obat yang dipertahankan dalam penanganan penyakit

affektif bipolar, dan antikonvulsan lain, seperti carbamazepine dan lamotrigine,

yang merupakan agen lini kedua. Mekanisme asam valproic masih tidak jelas,

tetapi pengaruh pada transmisi GABAergik dan channel sodium sepertinya

memberikan pengaruh. Sebaliknya, lithium, obat lain yang mempertahankan

stabilisasi mood,permeate channel sodium tetapi kelihatan menggunakan

pengaruhnya melalui aksi pada messenger kedua reseptor GABA dan

benzodiazepine.

Reseptor GABAA merupakan ligand channel ion yang melewati ion

chlorida selektif dan menghambat kebanyakan daerah CNS. Tambahan, reseptor

GABAA merupakan tempat aksi banyak depresan CNS, seperti barbiturat,

neurosteroid, loreclezole, benzodiazepine dan kemungkinan etanol. Agen ini

beraksi pada tempat berbeda di dalam kompleks reseptor GABAA. Agonis pada

tempat benzodiazepines (misalnya diazepam (Valium), chlordizepoxide,

alprazolem (Xanax) meningkatkan afinitas reseptor GABAA untuk GABA,

meningkatkan respon untuk memaksimalkan konsentrasi GABA. Pengaruh dari

benzodiazepin agonis terhadap channel ion GABAA adalah meningkatkan

frekuensi pembukaan channel pada keadaan tidak adanya perubahan pada

kinetik channel intrinsik (misalnya durasi channel terbuka). Pengaruh ini berbeda

dari barbiturat dan neurosteroid, dimana waktu pembukaan channel lebih lama

dan dapat secara langsung membuka channel GABAA pada keadaan tidak adanya

GABA. Klas kedua benzodiazepines, disebut agonist inversal, terikat dengan

tempat benzodiazepine agonis (misalnya menghasilkan kecemasan dan

menyebabkan konvulsi). Flumazenil (Romazicon) merupakan antagonis pada

tempat benzodiazepine – jadi, flumazenil terikat dengan tempat benzodiazepinie

tetapi tidak secara langsung merubah aliran Cl-. Malahan, Flumazenil memblok

pengaruh dari benzodiazepine agonist dan agonist inversal. Flumazenil dipakai

secara klinik dalam membalikkan pengaruh sedatif dari benzodiazepine saat

anestesi atau pada keadaan overdosis.

Pengaruh benzodiazepine agonist adalah heteogen dan tergantung pada

daerah pada CNS dan subunit yang menysun reseptor GABAA. tempat tertentu

memiliki afinitas tinggi untuk obat hipnotik, zolpidem (Ambien), dan disebut

sebagai reseptor benzodiazepine tipe I. Tempat lain memiliki afinitas rendah

untuk zoplindem dan disebut reseptor tipe II. reseptor Tipe I predominan GABAA-

reseptor benzodiazepine di daam CNS, sedangkan tempat tipe III ditemukan

secara primer di hippocampus, neocortex, striatum dan spinal cord.

Penelitian menggunakan rekombinan reseptor GABAA memperlihatkan

bahwa benzodiazepine tipe I/ tipe II memberikan hasil yang berbeda dari

komposisi subunit reseptor GABAA. saat ini, lebih dari 20 reseptor subunit GABA

berbeda yang termasuk dalam delapan subklas yang telah di kloning (disebut

α1-, β1-4, γ1-4, δ, επ, θ dan ρ1-5), tidak semuanya ditemukan pada hewan.

Channel ion GABA fungsional kelihatan pentamer terdiri dari berbgaai kombinasi

sub unit. GABA kebanyakan terikat dengan subunit β, sedangkan adanya subunit

γ sangat penting untuk sensitivitas benzodiazepine. Ikatan benzodiazepine

seperti terjadi antara pertemuan subunit α dan γ. Perbedaan antara

benzodiazepin tipe I dan II secara farmakologi tergantung pada dimana subunit α

terlihat dengan subunit β dan subunit β dan subunit γ. Α-1 berisi reseptor GABAA

yang memperlihatkan farmakologi tipe I, sedangkan α2, α3 dan α5 berisi

reseptor yang memiliki respon benzodiazepine tipe II. sejumlah reseptor subunit

GABA ditemukan pada CNS, sejumlah kombinasi pentamerik berbeda

kemungkinan mengejutkan. Namun, kelihatan bahwa reseptor yang berisi

α1β2γ2 dan α2β3γ2 terhitung mencapai 80 persen dari reseptor yang sensitif

benzodiazepine di dalam CNS, dimana reseptor α5β30γ2 reseptor merupakan

reseptor GABA yang tidak sensitif terhadpa zolpidem yang terlihat di dalam

hippocampus. Reseptor yang berisi subunit α4 dan α6 tidak sensitif terhadap

agonist benzodiazepine. Penemuan ini lebih lanjut membuat mungkin untuk

membuat reseptor GABA dengan merubah sensitivitas benzodiazepin.

Penelitian terbaru menggunakan mencit transgenik yang kelihatan

mengalami perubahan reseptor GABAA memberikan pandangan baru mengenai

subtipe reseptor yang memediasi pola perilaku. Kelihatan bahwa mencit yang

memperlihatkan subunit α1 tidak sensitif terhadap benzodiazepine karena

substitusi asam amino tunggal, yang dapat memperlihatkan penurunan sedasi,

amnestik dan pengaruh anti konvulsan dari benzodiazepin tetapi

mempertahankan aksi anxiolitik. Jadi hal ini sangat kuat menegaskan

kemungkinan untuk menghasilkan generasi baru obat benzodiazepin yang

memiliki pengaruh klinik yang lebih baik dengan menurunkan efek samping dan

potensial penyalahgunaaan obat.

Reseptor NMDA dan PCP

Pengaruh langsung pada channel ion sangat penting dalam memahami

mekanisme aksi sejumlah obat psikoaktif. Wawasan yang sangat ingin diketahui

adalah bahwa reseptor glutamat tipe NMDA merupakan tempat aksi yang

penting untuk obat, phencyclidine (PCP, debu malaikat). Penyalahgunaan PCP

bertujuan untuk halusinogenik dan disosiasi (perasaan tidak nyata). PCP secara

struktural analog dengan dizocilpine (MK-801) dan ketamin, tempat ikatan di

dalam channel NMDA dan memblok aliran ion. Blok channel NMDA oleh obat

seperti PCP memiliki sifat penting seperti pengaruh jangka panjang, channel ion

tertutup sekitar molekul PCP. Menyandarkan pada blok PCPC menyebbakan

channel NMDA terbuka pada potensial depolarisasi. Masih tidak jelas bagaimana

channel NMDA memblok pengaruh yang psikotomimetik dari PCPC, meskipun

pemahaman interaksi ini masih diteliti. Penemuan obat seperti PCP

menghasilkan perubahan patologis pada neuron cortical posterior menegaskan

melibatkan sirkuit limbik spesifik.

Bagian yang sangat penting dari reseptor NMDA adalah peranan terhadap

channel gerbang ligan yang memainkan peranan dalam kelenturan sinaptik.

Meksipun mekanisme seluler yang mendasari belajar dan ingatan pada otak

manusia tidak diketahui, dipercaya bahwa perubahan menjadi penyebab ingatan

jangka panjang pada transmisi sinaptik. Bila sinap glutamat dipakai pada

frekuensi tinggi, mereka mengalami penigkatan menetap respon, disebut sebagai

potensiasi jangka panjang (LTP). Pada banyak daerah, induksi LTP tergantung

pada aktivasi reseptor NMDA dan memerlukan deteksi perubahan pada fungsi

presinaptik (pelepasan glutamat) dan depolarisasi membran post sinaptik.

Reseptor NMDA memiliki sifat unik yang membuat molekular potnsial untuk

merubah fungsi sinaptik. Pertama, channel ion NMDA sangat permeabel

terhadap ion kalsium dan bila channel ini terbuka, channel ini memberikan dalam

julah besar signal kalsium ke neuron. Kalsium, merupakan messenger yang

sangat penting yang menghasilkan perubahan biokimia seluler pada host yang

mencakup aktivasi kinase protein spesifik, phospholipase dan enzim sintetik

seluler lain. Jadi, influks kalsium yang dimediasi channel NMDA memberikan

pemicu penting utnuk menghasilkan perubahan pada fungsi sinaptik. Kedua,

channel ion NMDA efektif menghambat potensial membran yang dekat dengan

potensial memrab neuron karena blok tegangan oleh konsentrasi fisiologis ion

magnesium ekstraseluler. Blok magnesium pada channel NMDA diredakan bila

potensial membran mengalami depolarisasi. Dalam pengaruh, reseptor NMDA

berperan sebagai detektor, memerlukan aktivasi baik ikatan glutamat dan

depolarisasi membran post sinaptik. Bila keadaan ini ditemukan, reseptor NMDA

ikut serta dalam transmisi sinaptik dan memainkan peranan penting dalam

menginduksi LTP. Menariknya, reseptor NMDA juga ikut serta pada beberapa

bentuk depresi sinaptik jangka panjang (LTD) juga pada kasus LTD, kelihatan

bahwa derajat depolarisasi membran post sinaptik kurang daripad ayang

menyertai LTP, menghasilkan kemungkinan signal kalsium lebih kecil dan aktivasi

protein fosfat di dalam sel post sinaptik. Saat ini, LTP dan LTD merupakan calon

untuk mekanisme seluler yang mendasrai bentuk dasar pembelaran pada sistem

saraf mamalia. PCP dan ethanol menghambat reseptor NMDA, dipikir bahwa

pengaruh amnestik dari obat ini menghasilkan blokade pada reseptor NMDA.

Tembakan Neuronal dan Kompleks Keadaan perilaku

Keadaan perilaku tertentu, seperti kesadaran, perhatian, mood dan tidur

kelihatan memerlkan aktivitas pada sirkuit neuronal spesifik, jaringan

kortikothalamik khusus. Aktivitas pada sirkuit ini melibatkan sifat elektrofisiologi

intrinsik dari neuron spesifk dan pengaruh dari sistem neuromodulator aksi lebih

difus, mencakup sistem muskarinik dan monoaminergik. Neuron tertentu

memiliki gerbang tegangan spesifik yang membuat merek adapat menembak

secara ritmis dan spontan, jadi memiliki sifat yang diperkirakan membuka jalan

atau oscilator. Sebagai contoh, neuron pada nukleus olivary inferior memiliki

potensial aksi secara secara spontan dan mempertahankan tembakan ini dalam

hubungan dengan periode jangka panjang tidak adanya input. Neuron olivari

inferior ini menembakkan secara konvensioal Na+ yang memberikan depolarisasi

yang diperlukan untuk membuka chanel HVA Ca2+. Pada gilirannya, Ca2+ yang

masuk mengaktifkan Ca2+ - dependent K+ konduktasi yang dengan cepat dan

efektif menyebabkan hyperpolarizes membran. Ketika terjadi hyperpolarisasi

membran, saluran LVA Ca2+ terbuka dan membawa potensial membran kembali

ke ambang batas untuk menembak Na+, yang kemudian mengaktifkan siklus lain.

Dalam kasus neuron olivary rendah, yang merupakan sifat dari channel LVA Ca2+

yang mendorong oscilator. Saluran LVA dinonaktifkan pada membran neuronal

tetapi menjadi aktif ketika membran hyperpolarized dalam keadaan istirahat.

Akibatnya, hyperpolarization menjadi stimulus pengaktif yang memungkinkan

saluran LVA untuk membuka. Tembakan oscilator pada neuron olivary inferior

kemudian mendorong neuron Purkinje di cerebellum pada frekuensi

penembakan yang sesuai untuk olivary neuron inferior. Purkinje neuron

beresonansi dalam menanggapi rangsangan dari neuron olivary rendah inferior.

Rangkaian resonansi ini diyakini menyebabkan tremor fisiologis, yang berosilasi

sekitar sepuluh siklus per detik. Di sirkuit ini, neuron orivari inferior dianggap

sebagai alat pacu jantung. Kegiatan pacu jantung juga ditemukan dalam neuron

thalamic, meskipun tidak selalu identik, mekanisme yang digunakan untuk

menggerakkan osilasi. Aktivitas jaringan dalam sistem talamokortikal dimediasi

oleh kedua neuronal intrinsik dan koneksi sinaptik. Aktivitas ini menyebabkan

perubahan spesifik pada electroencephalogram (EEG) selama keadaan tidur dan

sadar. Neuron talamokortikal menunjukkan dua keadaan aktivitas yang berbeda.

selama tidur, sel memperlihatkan ritmis yang sinkron yang menyerupai delta,

spindle, dan gelombang lambat lain pada EEG. Selama keadaan sadar dan tidur,

neuron ini memperlihatkan aktivtias tonik. Channel kalsium LVA sangat penting

dalam aktivitas jaringan thalmocortical. Perubahan dari tidur ke sadar dimediasi

oleh depolarisasi neuron retikular thalamik dan ketidakaktivan channel kalsium

LVA. Juga kelihatna bahwa abnormalitas pada neuron thalamocortical sangat

penting dalam menghasilkan gelombang 3Hz dan aktivitas gelombang yang

terlihat selama kejang.

Pada beberapa daerah pada CNS, output dari sel pacemaker dimediasi

oleh perangsangan cepat atau transmiter penghambatan. Namun, beberapa

neuron dapat menembakkan potensial aksi. Pembakaran adalah periode dari

puncak sering tembakan yang diikuti dengan periode diam. Tipe tembakan ini

dipakai untuk menghasilkan aktivitas dalam jaringan neural lokal atau distribusi.

Tambahan, tembkan dapat memberikan signal Ca2+ intraseluler yang cukup untuk

melepaskan transmiter peptida. Pada akhirnya, memperlambat aksi sinaptik

pada peptida dalam kombinasi dengan atau terbebas dari sistem reseptor

protein G yang dapat merubah frekuensi oscilator tembakan dan pembakaran.

Contoh yang jelas dari keadaan ini adalah tembakan berulang yang terjadi saat

puncak frekuensi adaptasi yang dihambat oleh blok Ca2+ diaktifkan oleh K+

konduktase. Pada pola ini, sifat listrik intrinsik neuron dan pengaruh dari

modulator transmitter untuk menentukan level bawah aktivitas (atau tonus)

pada sistem neuronal spesifik.

Channel Ion dan Penyakit

Selama beberapa tahun terakhir, ada peningkatan bukti bahwa sejumlah

penyakit klinik seperti sindrom neuropsikiatri, dihasilkan dari kerusakan yang

diturunkan atau yang didapat pada channel ion (disebut channelopati).

Gangguan ini dikarakteristikkan oleh perubahan fungsi pada channel ion yang

dihasilkan dari mutasi genetik, abnormalitas transkripsional atau proses

autoimun. Meskipun kebanyakan dari penyakit ini tidak dianggap murni penyakit

psikiatri, keterlibatan channel ion spesifik pada penyakit mengandung

pemahaman penting mengenai channel ion dalam fungsi fisiologis. Lebih lanjut,

beberapa sindrom channelopati menegaskan cara berpikir mengenai interaksi

gen-lingkungan dalam menghasilkan penyakit psikiatri.

Informasi yang paling lengkap mengenai peranan abnormal fungsi

channel ion dalam menghasilkan penyakit ada pada penyakit jantung. Salah satu

contoh adalah sindrom QT yang memanjang, dikarakteristikan oleh keruskaan

repolarisasi jantung. Individu dengan QT memanjang memiliki predisposisi

mengalami perkembangan aritmia jantung malignan (misalnya torasdes de

pointes) baik secara spotan atau selama paparan dengan obat tertentu, seperti

obat psikotrofi. Beberapa mutasi yang diturunkan pada channel ion jantung

terlibat dalam sindrom QT panjang. Mutasi ini mencakup mutasi pada gen

channel Na+, SCN5A, atau empat gen yang mempengaruhi keterlambatan

perbaikan arus K+ di dalam jantung. Kerusakan pada channel Na+ SCN5A kelihatan

meningkatkan aliran sodium melalui kerusakan pada inaktivasi channel.

Menariknya, kehilangan fungsi mutasi pada SCN5A menyebabkan sindrom

Brugada, penyakit jantung yang menyebabkan ventrikular fibrilasi idiopatik.

Menjelaskan pentingnya channel SCN5A dalam peningkatan potensial aksis

jantung, mekanisme yang mendasari ventrikular fibrilasi pada sindrom Brugada

yang belum sepenuhnya dipahami saat ini. mutasi pada channel K+ rectifier

tertunda mempengaruhi sindrom QT jangka panjang mengakibatkan kehilangan

fungsi channel dan abnormalitas pada repolarisasi ventrikular. Mekanisme

channel mempengaruhi sindrom QT memanjang yang diinduksi obat belum

sepenuhnya dipahami tetapi dapat melibatkan channel K+ polimorfisme.

Mejelaskan pentingnya channel ion dalam menentukan pola tembakan

neuron, yangd itmeukan pada epilepsi, kelompok penyakit yang disebabkan oleh

episode abnormal aktivitas kelistrikan paroksimal, disebabkan oleh mutasi pada

channel ion spesifik. Sebagai contoh, epilepsi lobus frontal dominan autosomal

disebabkan oleh mutasi pada gen α4 reseptor asetilkolin nikotinik neuronal.

Sindrom yang dikarakteristikkan oleh kejang selama tidur malam dan secara

klinik sulit dibedaakan dengan mimpi buruk. Mutasi dilaporkan saat ini

merupakan gangguan daerah transmembran kedua pada protein yang dipiir

membentuk channel ion. Penurunan kesadaran neonatla familial benigna

disebabkan oleh mutasi pada channel K+ gen KCNQ2 atau KNCQ3. Protein gen

yang membentuk channel M yang menghasilkan aktivasi lambat dan

perlambatan arus K+. Ekspresi dari alela mutasi tunggal pada gen neonatal

familial merupakan gangguan dominan dengan patologi alela mutasi walaupun

adanya alela yang secara normal pada kromosom lain – penurunan jumlah

channel cukup menghasilkan neuron menjadi hipereksitabilitas. Epilepsi umum

dengan kejang demam ditambah siindrom dominan autosomal yang dihasilkan

dari mutasi pada subunit channel Na2+. Peranan channel dalam sindrom genetik

yang jarang ini menegaskan bahwa epilepsi idiopatik kemungkinan channelopati

yang dihasilkan dari interaksi antara kerusakan genetik pada channel ion dan

pengaruh buruk dari lingkungan. Mengenali gen channel yang mengalami

kerusakan yang menyebabbkan epilepsi idiopatik akan memberikan kesempatan

untuk farmakoterapi dengan membuat genotip individu untuk terapi untuk gen

khusus yang terlibat.

Gen CACNA1A channel kalsium, yang berkode subunit α1 HVA P/Q tipe

Ca2+ menyebabkan beberapa penyakit genetik. Migrai hemiplegi familial

merupakan bentuk dominan autosomal pada migran dengan onset masa anak-

anak dan aura yang mencakup hemiparesis sementara itu hemiplegia yang

berlangsung selama beberapa jam sampai hari. Sebaliknya, sakit kepala berbeda

dari sindrom migrain yang menyebabkan aura, meskipun, pada beberapa

keluarga, gangguan disertai dengan ataksia progresif. Seperti yang diperkirakan

pada penyakit psikiatri, migrai hemiplegik familial secara genetik heterogen

dengan mencapai 50 persen kasus melibatkan mutasi pada CACNA1A.

heterogenitas meluas ke level molekular dengan 13 mutasi berbeda yang

dikenalis aat ini. pengaruh mutasi diperkirkan mulai pada fungsi, yang

memberikan patologi yang jelas dari alela mutasi tunggal pada pasien. Ekspresi

berbagai mutasi gen pada sistem heterogen memperlihatkan gambaran

kompleks dengan mutasi yang paling dikenali menyebabkan penuruann aliran

Ca2+, mungkin kehilangan fungsi, dan mutasi lain yang menyebabkan peningkatan

fluks Ca2+ atau mendapatkan fungsi. Gangguan lain yang dominan yang

disebabkan oleh mutasi pada CACNA1A adalah ataksia tipe 2 episodik. Pasien

mengalami episode nistagmus dan ataksia yang berlangsung beberapa jam

sampai beberapa hari; pada beberapa pasien, penyakit ini mengalami

perkembangan atrofi cerebral. Mencapai 50 persen pasien mengalami migrain.

Meskipun 15 mutasi menyebabkan gangguan kasar pada ekspresi protein,

beberapa mutasi merubah asam amino tunggal. Ekspresi gen dengan satu titik

mutasi pada sistem heterolog menghasilkan kehilangan lengkap fungsi tanpa

merubah ekspresi protein. Akhrinya, satu tipe dominan autosomal ataksia

spinocerebral (SCA6) dihubungkan dengan adanya ekspresi pada CAG ulangan

(poliglutamin) pada terminus karboksil pada protein CACNA1A.

Pada banyak cara, sangat mudah untuk mengkonsepkan mutasi protein

yang dihasilkan dari keadaan kronik seperti ataksia daripada gangguan episodik

seperti migrain, karena channel P/Q sangat penting untuk pelepasan transmiter

pada sirkuit serebral yang bertugas untuk berjalan. Mutasi pada P/Q

menyebabkan migrain yang secara khusus merupakan fungsi yang penting untuk

sirkuit neural yang diaktifkan oleh paparan lingkungan yang buruk (memicu

migrain) atau tergantung pada transmitter seperti serotonin (dipikir terlibat

dalam patogenesis migrain). Berbagai sindrom menyebabkan perubahan pada

gen CACNA1A menjelaskan heterogenitas yang diperkirakan dari mengkaji gen

untuk penyakit psikiatri.

MS menghasilkan banyak tipe gejala, seperti disfungsi serebral,

sekurangnya sebagian karena demielinisasi. Cedera saraf perifer mengakibatkan

perubahan pada ekspresi gen channel Na+. Dikonsepkan bahwa MS merupakan

penyakit yang disebabkan oleh cedera saraf sebagai akibat demielinisasi

menegaskan bahwa ada beberapa perubaan pada ekspresi channel Na+ pada

penyakit ini. peneltiian terhadap hewan dari demielinisasi memperlihatkan

ekspresi channel Na+ spesifik neuron sensorik resisten tetrodotoksin (SNS) pada

sel purkinje cerebral, sebuah tipe channel normal yang tidak terlihat di dalam

otak. Pemeriksaan post mortem pada otak dari pasien dengan MS yang

memperlihatkan tanda klinik disfungsi cerebral sebelum kematian juga

menunjukkan ekspresi channel SNS Na+ pada sel Purkinje. Penemuan ini jelas

spesifik untuk MS yang didasrakan pada tidak adanya ekspresi channel Na+ SNS

pada sel puskinje pada korktes serebral yang diambil dari pasien yang mati

sebagai akibat dari penyakti arteri koroner. contoh dari keadaan channelopati

menegaskan bahaw bahwa interaksi lingkungan dengan gen dipikir merupakan

hal yang sangat penting dalam patofisiologi penyakit psikiatri yang dapat

mengakibatkan induksi channelopati.

Didasarkan pada status saat ini, jelas sepertinya ada perbedaan gerbang

tegangan dan gerbang ligan channel ion yang akan memberikan pemahaman

yang lebih baik mengenai struktur, biofisik, dan level genetik. Meskipun kejadian

kelistrikkan yang mendasari perangsangan neuronal relatif stereotipe, berbagai

channel ion mempengaruhi penembakkan neuronal yang memberikan

fleksibilitas tinggi dalam kontrol aktivitas seluler. Lebih lanjut, perbedaan pada

channel ion yang terlibat dalam signal listrik yang memberikan kompleks dan

kekuatan dimana perangsangan dapat dimodulasi oleh neurotransmiter dan obat

terapi. Menentukan bagaimana perubahan halus pada fungsi channel ion

mempengaruhi perilaku dan sindrom klinik masih perlu dilakukan penelitian

lebih lanjut dalam bidang ini.

Anjuran seluruh referensi

Bagian 1.4. membahas bagaimana secara langsung neurotransmiter monoamine

(misalnya 5-HT3) dan aktif tidak langsung (melalui protein G) channel ion berpadu

pada neurotransmisi. Bagian 1.5 membahas neurotransmiter asam amino-

menggunakan rasional yang sama untuk neurotransmiter monoamine (lihat di

atas). Bagian 1.6 membahas bagaimana neuropeptida merubah sifat kelistrikan

sel secara langsung. Bagian 1.8 membahas bagaimana protein G, sebuah jalur

signal yang sangat penting intra seluler, mengunakan pengaruh channel sebagai

bagian dari signal. Bagian 1.14 membahas bagiaman menggunakan elektrofisilogi

tergantung pada prinsip dasra elektrofisiologi. Bagian 1.20 membahas ilmu dasra

tidr-bagaimana siklus tidur dapat dihasilkan dari mempertahankan sirkuit neural,

menggambarkan sifat elektrofisiologi sel spesifik di dalam jaringan. Bagian 1.22

membahas mekanisme neural penyalahgunaan substansi- bagiaman beberapa

obat yang dapat mempengaruhi channel ion.

1.10. Genom, transkriptone, dan Proteome

Steven O. Moldin, PhD

Steven E. Hyman M,D.

Bagian 1 “Ilmu Neural”

Saat ini merupakan era dimana penelitian global mengenai deoksiribonuklead

acid (DNA), ribonukleat acid (RNA) dan protein memblok sel yang secara rutin

dilakukan, contoh proyek human genom (HGP), oleh penelitian skala besar

variassi genetik pada manusia, dan penyebaran teknologi pemeriksan DNA dan

alat lain fungsi genomik. Sebagai akibatnya, seharusnya mungkin untuk meneliti

genetik penyakit mental dan penyakit kompleks genetik pada manusia. Genomik

fungsional telah menjadi pemeriksaan rutin pada otak dan telah dipakai pada

peneltiian otak manusia post mortem dari individu dengan penyakit mental dan

pada hewan untuk mengetahui ilmu klinik neurologis. Apakah pendekatan omiks

dan apa yang mereka lakukan? Apakah dari setiap pendekatan berusaha untuk

meneliti level informasi biologis dari pandangan global. Sebagai contoh,

walaupun meneliti ekspresi satu gen pada satu waktu, ilmu neurologis dan

peneliti lain saat ini dapat meneliti ekspresi ribuan gen, yang membuat dapat

dilakkan pemilihan informasi dari sejumlah kecil pemeriksana lengkap. Penelitian

genomik merupakan penelitian seluruh genom, dan genom merupakn jumlah

total DNA di dalam organisme dengan mengajukan eukariotik lebih tinggi

memiliki genom nuklear dan mitokondrial. Genomik mungkin diperiksa dengan

teknologi tinggi dengan rangkaian DNA dan dihitung (atau bioinfomartik).

Peranan sentral metoda penghitungan tidak diabaikan, karena ribuan pasangan

basa DNA saat ini di dalam database masyarakat, dimana DA ini telah dibaca dan

dengan cepat dibandingkan dan dianalisis. Epidemiologi genetik dan genetik

(lihat bagian 1.17) memberikan pengaruh menguntungkan langsung pada

genomik, karena genetik merupakan ilmu yang yang diusahakan untuk

menghubungkan rangkaian DNA berbeda (genotipe) dengan perbedaan dapat

turunan (fenotipe). Transkriptome merupakan istilah yang dipakai untuk

menjumlahkan total RNA yang terlihat (transkripsi) di dalam organisme.

Penelitian mengenai ekspresi gen biasanya berfokus pada RNA messenger

(mRNA), antara gen dan protein. Penelitian global mengenai ekspresi gen

menyusun genomik fungsional dan menggunakan alat itu sebagai pemeriksaan

mikro, dimana ribuan rangkaian gen disusun pada slide atau ribuan sampel DNA

dilihat pada slide dan dipakai sebagai pemeriksaan untuk menemukan dan

menghitung rangkaian RNA di dalam sampel. Proteome merupakan protein

lengkap yang ditemukan di dalam organisme dan diteliti secara global dengan

proteomik. Mengambil golongan ini memiliki keterbatasan, bahkan membahas

metabolom, jumlah total aktivitas enzim. Kesalahan bahasa ini dapat dimaafkan

namun, jika teknologi akhir nya berkembang sesuai dengan yang dijanjikan.

Kemampuan untuk memonitor ekspresi ribuan gen, protein atau aktivitas enzim,

juga peningkatan metoda penghitungan, menghasilkan janin sistem biologi yang

akan meningkatkan kekuatan metoda penghitungan, yang akan memberikan kita

pandangan jelas mengenai beberapa aspek mengenai otak.

Pada tahun 2003 adalah 50 tahun peringatan penemuan struktur DNA

oleh James Watson dan Francis Crick dan juga tahun dimana HGP lengkap. HGP

merupakan rangkaian lengkap (sangat akurat, rangkaian DNA) pada genom

manusia, rangkaian yang sangat penting bagi organisme seperti mencit juga

dihasilkan. HGP dibuat mungkin dengan mengembangkan teknologi rangkaain

DNA secara cepat, secara akurat dan murah. Sebagai akibatnya, sangat mungkin

untuk menentukan rangkaian DNA dari banyak individu. cara ini memberikan

dalam jumlah beasr informasi mengenai variasi rangkaian pada manusia, bahan

mentah genetik. Adanya rangkaian refrensi pada manusia, luasnya dan

perkembangan informasi mengenai perbedaan rangkaian manusia, bahan

mentah genetik. Adanya perbedaan rangkaian manusia, luasnya dan

perkembangan informasi mengenai variasi pada manusia, dan rangkaian gen dari

organisme memberikan alat baru yang kuat bagi ahli genetik. Diluar rangkaian

genom, saat ini ada usaha intensif untuk mengenali setiap gen dalam genom dan

untuk menghasilkan dan membuat replikasi DNA complement (cDNA) dari setiap

mRNA tersedia dan dapat ditemukan pada manusia, mencit dan spesies lain.

Pengumpulan ini akan memfasilitasi penelitian biologi otak dan patofisiologi

gangguan mental. Ahli neurobiologi akan dapat mengetahui cDNA untuk setiap

pasangan reseptor protein G pada genom manusia, setiap channel ion, dan

setiap protein kinase di dalam sel, disebutkan hanya beberapa klas protein yang

penting. Penelitian terhadap gen tipikal spesies normal dan cDNA akan

dilengkapi oleh kemampuan untuk menilai berbagai bentuk melalui genetik. Jadi,

akan menjadi jelas bagiamana sedikti perbedaan dari reseptor G, channel ion,

atau protein kinase merubah fungsi seluler dan bahkan fungsi otak. Lebih dari

1000 gen dimana mutasi yang merupakan predisposisi penyakit pada manusia

telah dikenali, dan banyak telah dipakai untuk menghasilkan mencit transgenik

yang merupakan model untuk penyakit. Kebanyakan dari gen yang menyebabkan

penyakit telah dikenali, namun, penyebab penyakit mendelian, dimana gen

dipertanyakan menggunakan pengaruh yang sangat besar. Ilmu kedokteran saat

ini mengalihkan perhatiannya pada penelitian untuk mempertimbagkan lebih

banyak gen yang mendasari kompleks penyakit fenotipe, seperti penyakit

mental. Bab ini mulai dengan memperkenalkan DNA dan dasar ekspresi gen.

Kemudian menjelaskan kontribusi HGP dan rangkaian skala besar untuk alat

genetik manusia dan penelitian ekspresi gen yang berhubungan dengan penyakit

mental dan terapi. Apa yang dijelaskan cukup untuk menjelaskan pembaca untuk

mulai menilai hipotesis molekular yang sepertinya mengalami peningkatan di

dalam literatur selama dekade kedepan.

DNA dan RNA : Membentuk Pemisah dalam kehidupan

Genetik molekular, hubunganya dengan psikiatri, secara luas dinilai dengan

hubungan kompleks antara informasi yang dibawah DNA makromolekul dan RNA

dan produk protein mereka, yang sangat penting dalam membentuk blok dari

setiap sel, termasuk neuron, di dalam otak. Cetakan genetik dari setiap

organisme hidup dari bakteri sampai manusia memiliki kode oleh rangkaian DNA.

Struktur double heliks dari DNA yang dijelaskan oleh Watson dan Crick sangat

sesuai untuk menyimpan informasi, menyampaikan informasi dari generasi ke

generasi dan kemampuanya secara langsung untuk sintensis makromolekul lain.

Tiap rangkaian double heliks secara langsung sintesis dari makromolekular lain.

Tiap turunan dari double helix merupakan polimer linear dari empat blok kecil

yang disebut nukleotida. Informasi yang berkode dalam pola linear dari

nukleotida ini. empat nukleotida yang menyusun DNA adalah purines, adenine

(A) dan guanine (G) dan pyrimidines, sitosin (C) dan thymine (T). Seperti yang

diperlihatkan pada gambar 1.10-1, double heliks dibentuk oleh gula fosfat,

dengan nukleotida basa yang berorientasi ke dalam. Di sisi helix, purine (A atau

G) tipe terbesar nukleotida, selalu ditemukan secara langsung berlawanan

pyrimidine (T atau C). Nukleotida A selalu berpasangan dengan T dan G

berpasangan dengan C dengan kata lain, A adalah komplement untuk T dan G

komplemen dengan C. jumlah maksimum A menstabilkan ikatan hidrogen yang

terbentuk dari pasangan nukleotida komplemen; setiap susunan basa

menghilangan stabilitas struktur DNA.

Dasar pasangan basa komplemen yang membentuk dasra replikasi DNA

dan transkripsi DNA menjadi RNA, dimana langkah pertama dalam ekspresi gen.

Karena DNA adalah polimer linear, memberikan template untuk sintesis

makromolekul lain. Replikasi DNA atau sintesis RNA, double helix dan turunan

komplemen baru dari DNA atau RNA disintesis secara berhasil dengan

memadukan basa komplemen (misalnya sebuah A di dalam turunan baru dari T

di dalam turunan template). Karena turunan baru berisi rangkaian nukleotida

yang merupakan komplemen dari rangkaian template, kedua turunan berisi

informasi yang sama. Di dalam replikasi DNA, tiap turunan dari double helix

memberikan template untuk sintesis dari turunan complement baru yag

menghasilkan dua molekul double heliks DNA dikenali pertama. Pada sintesis

RNA (Transkripsi) hanya satu turunan DNA yang memberikan template untuk

sintesis RNA rantai tunggal, yang kemudian disosiasi dari template.

Meskipun struktur DNA sangat sesuai untuk penyimpanan informasi dan

transfer informasi, secara kimia sederhana dan berhubungan dengan kekerasan

struktur heliks yang membatasi fungsi dan dapat terjadi di dalam sel. sebagai

akibatnya, informasi yang berisi di dalam DNA terlihat melalui RNA dan protein

RNA seperti DNA merupakan polimer linear dari empat nukleotida, tetapi tidak

seperti DNA, yang merupakan rantai tunggal, bebas untuk melibat ke dalam

berbagai konformasi, membuat ia berfungsi lebih baik. mRNA merupaakn RNA

yang memberikan hubungan antara rangkaian DNA dan kode protein. Seperti

pada kasus DNA, mRNA membawa informasi yang berkode di dalam rangkaian

linear nukleotida. Molekul RNA yang lain memberikan struktural daripada

informasi yang dibawah di dalam sel. ribosom, organe dimana protein disintesis,

merupakan kontruksi diluar kompleks RNA ribosomal (rRNA) dan protein.

Transfer RNA (tRNA) mengantarkan asam amino ke ribosom untuk berpadu ke

dalam proteini selama proses translasi dari mRNA ke dalam protein.

Protein terdiri dari satu atau lebih polipeptida, makromoleklar linear

terdiri dari asam amino yan berpadu dengan ikatan peptida. Ada 20 asam amino

di dalam sel mamalia. Sel ini memiliki sifat kimia yang berbeda yang berbeda

pada bagian terbesar, hidrophobisiti. Sebagai akibat dari perbedaan raantai

kimia, protein memiliki fungsi lebih banyak daripada DNA atau RNA. Sifat khusus

protein (tabel 1.10-1) tergantung tidak hanya pada rangkaain linear dari asam

amino yang membentuk blok (struktur primer) tetapi juga pada lipatannya,

karakteristik tiga dimensi (sekunder dan tertier); pada kasus seperti itu, rangakai

polipeptida individual disebut subunit. Protein dapat berinteraksi secara non

covalen dengan kofaktor spesifik, sebagai tontoh, molekular ion atau kecil atau

dapat kovalen, sebagai contoh, dengan penambahan gula atau kelompok lipid

dengan beberapa asam amino. Interaksi ini dan modifikasi mempengaruhi

konformasi dari protein dan oleh karena itu merupakan fungsinya. Protein

terlibat dalam setiap aspek penting fungsi seluler.

Table 1.10-1 Tingkatan struktur protein

Tingkata

n

Definisi

Primer Rangkaian linear asam amiino di dalam polipeptida

sekunder Jalur polipeptida

Tertier Secara keseluruhan struktur tiga dimensi dari polipeptida

Keempat Secara keseluruhan struktur protein, yang berarti kombinasi subunit

proteini

GEN DAN KROMOSOM

Pada eukariotik, DNA terisi di dalam organel yang terikat membran, nukleus.

Organisme genom eukariotik terdiri dari gen dan banyak intervensi DNA. Dalam

nukleus DNA didiatur ke dalam kromosom. Ukuran dan jumlah kromosom sangat

berbeda antara spesies; sel manusia memiliki 46-23 turunan dari tiap orang tua.

Kromosom merupakan molekul DNA yang sangat panjang yang terikat dengan

berbagai struktur yang mengatur nukleus. Organisme eukaritik terdrii dari gen

dan sangat banyak molekul DNA panjang yang terikat dengan berbagai struktur

dan pengatran protein. Struktur protein yang paling penting adalah histones,

yang merupakan struktur kecil, protein positif yang memberikan paket DNA di

dalam struktur yang mask ke dalam nukleus sel. heliks DNA dibungkus sektiar

histone untuk membentuk struktur yang kemudian di lipat dalam struktur orde

lebih tingi disebut kromatin. Kromatin berisi berbagai protein tambahan yang

diperlukan untuk replikasi DNA dan modifikasi histone, dan transkripsi dan

proses RNA.

Tiap kromosom berisi segmen multipel DNA yang disebut gen (gambar

1.10-2). Genoom manusia diperkirakan memiliki 30.000 gen. Berdasarkan

sejarah, istilah gen diberikan oleh oskar Johannson dan pertama kali ditemukan

pada tahun 1900 an sebagai konsep untuk menjelaskan bagaiamana sifat

mnurun diturunkan antara generasi. Dengan kemajuan biologi molekular,

menjadi mungkin secara fisik menemukan gen, sebagai bagian dari DNA, dan

berhubungan dengan segmen DNA, dengan produk gen (RNAs dan protein)

sebagai perkiraan awal, satu gen awalnya disebut kode satu protein. Yang

dikenali bahwa rangkaian asam amino di dalam protein klinear dnegan asam

yang merupakan spesifik oleh tiga nukleotida (disebut kodon). Hubungan antara

kodon dan asam amino disebut kode genetik lebih kompelks dalam beberapa

tahun. sebuah gen saat ini dipahami sebagai segmen kromosom yang

bertangguang jawab untuk membuat fungsi produk fungsional. Istilah modern

gen adalah kompnen berikut : rangkaian harus termasuk dalam daerah kode dan

regulator, harus ditranskripsikan (terlihat) dan produk gen harus berfungsi.

RANGKAIAN GENOM MANUSIA

Pada tahun 1988, komite khusus the US national Research Council of the U.S.

National Academy of Sciences menganjurkan mulai HGP untuk rangakain genom

manusia lengkap dari tiga juta pasangan basa. Dalam menyelesaikan genomik

selama 15 tahun terakhri sebagai akibat dari HGP dan skala beasr rangkaian

termasuk konstruksi berikut 1-centimorgan (cM)-resolusi genetik dengan 3000

marker: kontruksi peta fisik dari genom manusia yang berisi lebih dari 50.000

rangkaian; peta mendekati empat juta polimorfisme nukleotida tunggal manusia

(SNP); mengenali lebih dari 15.00 cDNA manusia; rangkaian berakhir pada model

organisme, seperti escherichia coli, saccharomyces cerevisiae,

Caenorhabditiselegans, dan Drosophilia melanogaster dan perkembangan

teknologi skala genomik yang mencakup sintesis oligonukleotida.

Saat ini HGP memberikan kita rangkaian lengkap pada manusia, yang

mungkin disebut sulit, untuk menentukan segmen DNA yang mana merupakan

gen. Michale Synder dan Mark Gerstein menjelaskan lima kriteria untuk

mengenali gen di dalam rangakaian DNA pada genom : (1) membuka bingkai

pembacaan (ORF), yang merangkai kodon pada rangkaian linear molekul mRNA

yang dikodekan oleh DNA (tidak setiap kodon (kelompok tiga basa nukleotida)

spesifik tRNA dan oleh karena itu, asam amino, yang tidak disebut kodon akhir

dan spesifik ujung potensial ORF); (2) rangkaian gambaran atau pola spesifik di

dalam rangkaian DNA (sebagai contoh, tempat untuk RNA) yang dapat dipakai

untuk membantu menentukan lokasi gen; (3) rangkaian gen yang ditelti dapat

dikenali dengan membandingkan bayak rangkaian pada organisme (rangkaian

DNA yang ditemukan dengan mengembangkan metoda untuk mengukur besar

daerah DNA); (4) bukti untuk transkripsi – gen dikenali dapat diselesaikan dengan

menarik RNA atau ekspresi protein, tanda produk gen (pemeriksaan, rangkaian

analisis ekspresi gen (SAGE) dan rangkaian ekspresi rangkaian tag (EST)

merupakan pendekatan yang umum; dan (5) in aktivasi gen- metoda yang

berguna untuk menentukan jika fungsi gen mengalami mutasi atau produknya

tidak akhit, baik gangguan gen secara langsung atau menganggu RNA.

PERBEDAAN GENETIK MANUSIA

Perbedaan dari orang ke orang pada rangkaian rangkaian DNA yang tepat di

dalam gen dapat menghasilkan perbedaan dalam regulasi ekspresi gen atau

dalam produksi produk gen berbeda. perbedaan rangkaian dalam daerahh

regulator mungkin menghasilkan perbedaan level transkripsi atau bahkan pada

gen ekspresi sel diperanyaan. Produksi dari RNAs messenger dapat menghasilkan

perbedaan protein (tergantung pada apakah ada perbedaan dalam ORF dan

tergantung pada apakah perbedaan proses RNA mempengaruhi perbedaan atau

spesifik dua asam amino berbeda – hal ini tidak selalu menjadi kasus karena

banyak asam amino spesifik oleh lebih dari satu kodon). Perbedaan dalam

jumlah, waktu atau lokasi dalam ekspresi roduk gen atau perbedaan pada sifat

produk gen, dapat mempengaruhi perbedaan fenotipe, seperti risiko penyakit

dan respon terhadap terapi. Jenis yang paling sering pada perbedaan rangkaian

pada genom manusia adlaah perubahan baas nukleotida tunggal, disebut SNP.

Perbedaan SNP terjadi bila nukleotida tunggal, seperti A, menggantikan satu basa

nukkleotida lain-C, G, atau T. Sebagai contoh SNP mengalami perubahan segmen

DNA AAGGTTA menjadi AAGGTT, dimana A terakhir pada potongan pertama

digantikan dengan T. Rata-rata, SNP terjadi pada populasi manusia mencapai

satu dalam setiap 1000 basa. Karena hanya 2 persen rangkaian DNA yang

membawa gen, kebanyakan SNP ditemukan pada daerah intergenik. SNP

ditemukan di dalam kode atau atau rangkaian secara khusus menjadi perhatian

karena lebih sering merubah fungsi biologi protein.

Karena potensial menggunakan SNP untuk analisis genetik, dengan kata

lain, untuk membantu memetakan gen dalam hubungan dengan penyakit, usaha

dibuat untuk mengenali dan memetakan SNP pada genom manusia. Pada april

1999, sepuluh perusahaan farmasi dan the Wellcome Trust membentuk

konsorsium SNP, bukan perusahaan profit yang memiliki tujuan untuk

mengontrak laboratorium akademi yang didanai oleh the NIH untuk mengenali

dan memetakan SNP. Konsorsium SNP menemukan dan memetakan hampir

empat juta SNP saat ini. dijelaskan bahwa pemeriksaan ini membutuhkan biaya

besar dan tidak cukup untuk mengelompokkan setiap SNP ini, strategi analisis

yang diusulkan untuk menurunkan jumlah SNP dianalisis untuk julah yang masuk

akal. Satu strategi berfokus pada pembentukan SNP pada kromosom yangsama

yang diturunkan dalam blok atau haplotipe-menyajikan blok yang diturunkan

pada kromosom yang diturunkan yang tidak dipisahkan oleh rekombinasi. Jika

saat ini diteliti, perbedaan genetik manusia akan disajikan oleh mosaic haplotipe,

mungkin membedakan haplotipe pada satu lokus yang secara efisien dikenali

dengan hanya dalam jumlah kecil SNP. SNP seharusnya dipakai tidak hanya untuk

memetakan lokus genetik yang terlibat dalam risiko penyakit tetapi juga

farmakogenomik. Karena faktor genetik mempengaruhi respon orang terhadap

terpai obat. SNP juga dipakai dalam membantu peneliti menentukan dan

memahami mengapa individu berbeda pada efek samping obat juga pada respon

terhadap terapi.

TRANSKRIPTOME : INFORMASI DARI DNA SAMPAI RNA

Ekspresi informasi genetik di dalam sel hampir secara eksklusi sistem satu cara.

Transkripsi DNA menjadi RNA merupakan mekanisme dasar dimana sel

memediasi pertumbuhan, fungsi dan metabolisme. Transkriptome ditetapkan

dengan pengumpulan lengkap elemen transkripsi genom. Selain itu mRNA, juga

merupakan RNA non kode yang dipakai untuk tujuan struktural dan regulator.

Perubahan pada struktur atau level ekspresi pada salah satu dari RNA ini atau

protein ini dapat mempengaruhi penyakit.

Protein tidak disintesis secara langsung dari DNA tetapi pada dua proses

rangkaian, transkripsi DNA menjadi mRNA, yang terjadi di dalam nukleus dan

translasi mRNA di dalam protein yang terjadi di dalam sitoplasma. Berdasarkan

konsepnya, transkripsi sama dengan replikasi DNA di dalam satu dari dua

rangakain DNA yang memberikan template untuk menghasilkan complement

pasti dalam rangkaian nukleotida. Namun, walaupun menghasilkan turunan

ganda asam nuklead yang masih menguatkan rangkaian template (seperti pada

replikasi DNA) transkripsi menghasilkan rangkaian RNA yang dilepaskan dari

template. Cara ini membuat DNA dari gen untuk diperkuat kembali menjadi

double helix dan RNA, yang masih rangkaian tunggal, lebih lanjut diusulkan dan

kemudian mengeluarkan nukleus untuk translasi. Transkripsi gen yang

merupakan kode protein dilakukan oleh enzim polimerase RNA II dan

menyebbakan regulator protein. Protein yang terlibat dalam regulasi transkripsi

disebut faktor transkripsi.

Kontrol primer regulasi gen di dalam eukariotik terjadi pada awal

transkripsi. Regulasi gen ekspresi tergantung pada regulator rangkaian DNA yang

sering disebut cis-acting elemen yang beraksi pada tempa tikatan untuk protein

untuk menandakan memulai dan menghentikan transkripsi, yang merekrut

polimerase II RNA ke DNA, atau dengan meregulasi level ekspresi gen.

Kebanyakan yang diketahui cis regulator elemen yang relatif pendek, 8 sampai 16

nukleotida. Peranan dari elemen ini adalah untuk menambatkan level ekspresi

gen. Peranan dari elemen gen ini adalah untuk menambat faktor transkripsi

untuk mengkoreksi gen target tetapi bukan untuk gen lain. Analogi dnegan

neurofarmakologi, rangkaian DNA spesifik elemen regulator cis beraksi sebagai

reseptor untuk faktor transkripsi. Spesifitas tempat ikatan untuk protein

ditentukan oleh basa di dalam DNA. Rangkaian regulator cis sangat penting

terlibat dalam memulai transkripsi disebut promoter gen. Elemen regulator cis

khusus di dalam gen dan faktor transkripsi khusus ditemukan dalam menentukan

sel apakah gen dapat dilihat dida lam tipe sel dan jika ia, pada keadaan apa. Sel

berisi dalam jumlah besar faktor transkripsi dengan sifat berbeda. beberapa

interaksi dengan banyak gen, yang lain hanya dalam jumlah kecil. Faktor

transkripsi dapat meningkatkan atau menurunkan kecepatan ekspresi gen yang

berinteraksi- dengan kata lain, mereka dapat beraksi sebagai transkripsi aktivator

atau repressor. Kemampuan faktor transkripsi untuk mengaktifkan atau

menekan ekspresi gen diregulasi oleh signal fisiologis.

Untuk dapat beradaptasi secara tepat dengan signal lingkungan, sel harus

dapat mengaktifkan atau menekan ekspresi gen. Di dalam sistem saraf, regulasi

ekspresi gen melalui signal ekstraseluler (yang berarti neurotransmitter)

merupakan mekanisme yang sangat penting mendasari kelenturan neural jangka

panjang untuk mempertahankan ingatan jangka panjang.

PEMROSESAN RNA

Setelah transkripsi DNA menjadi RNA, beberapa mekanisme dipakai pada tingkat

proses RNA untuk menghasilkan berbagai produk gen berbeda. sel eukariotik

lebih dari DNA diperlukan untuk gen. Pada genome manusia, kelihatna bahwa

mencapai 30.000 gen yang berkode protein yang memerlukan tidak lebih dari 2

persen DNA. DA tambahan ini ditemukan tidak hanya antara gen tetapi juga di

dalam mereka. Pada bakteri, protein yang berkode hampir berbeda oleh DNA

tunggal; organisme yang lebih tinggi, kebanyakan gen memiliki rangkaian kode

protein, disbut ekson (karena rangkaian ini dieksport dari nukleus dlaam bentuk

mRNA), diganggu oleh rangakain tanpa kode disebut intron. Bila gen di

transkripsi, RNA panjag dihasilkan kolinear dengan DA dan oleh karena itu, beriis

ekson dan intron. Hal ini disebut transkripsi primer. sebelum RNA meninggalkan

nukleus, RNA memprosees enzim mengeluarkan intron dan ekson bersatu utnuk

membentuk mRNA matur. Proses ini disebut splicing RNA (gamar 1.10-3). Pada

beberapa kasus, transkripsi primer dapat disambung dalam cara alternatif,

tergantung pad atipe sel atau stadiu perkembangan, untuk menghasilkan mRNA

dan oleh karena itu, protein berbeda. mekanisme ini dapat lebihd ari satu

protein disintesis dari gen tunggal dan transkripsi primer, tergantung pada ekson

yang dipertahankan atau dikeluarkan.

Salah satu contoh pemeriksan terbaik alternatif terpusat pada calcitonin

dan gen calcitonin yang mengeluarkan peptida (CGRP); sel tertentu di dalam

sistem saraf membentuk CGRP, yang dijadikan sebagai neurotransmitter,

sedangkan sel medular di dalam kelenjar tiroid membentuk kalsitonin, yang

dijadikan sebgaai hormon, dari gen yang sama. Saat sambungan selesai, mRA

meninggalkan nukleus dan terikat dnegan ribosom di dalam sitoplasma, dimana

ia secara langsung dapat mensintesis protein.

Regulasi Genetik dan Epigenetik dari Ekspresi Gen

Sel dari organisme multi seluler memiliki DNA yang asma pada nukleus mereka

tetapi berbeda struktur dan fungsi karena perbedaan ekspresi gen. Mekanisme

epigenetik sangat penting untuk mengembangkan dan diferensiasi, tetpai dapat

juga dihasilkan pada manusia dewasa baik dengan perubahan acak (proses

stochasctic) atau pengaruh lingkungan. Perubahan epigentik stabil diturunkan

dalam waktu singkat tetapi tidak melibatkan mutasi DNA sendiri. Dua mekanisme

molekular yang terlibat dalam kromatin dan memdiasi fenomena epigenetik.

Metilasi DNA dan modifikasi histone. Modifikasi histone pada terminal amino

oleh asetilasi, fosforilasi, metilasi dan ada dimana-mana memiliki peranan dasar

dalam regulasi gen, dengan kombinasi asetilasi, fosforilasi, dan status metilasi

histon menentukan aktivitas gen. Metilasi DNA pada manusia merupakan

mekanisme umum untuk menyajikan untuk menyajikan transkripsi. Metilasi DNA

merupakan salah sat komponen program epigenetik luas yag mencakup

modifikasi post sintesis dari kromatin. Kromosom diatur dalam daerah fungsional

ekspresi gen (daerah kromatin), yang berbeda berdasarkan aktivtias

transkripsional. Struktur kromatin menggunakan kontorl jangka panjang melebihi

ekspresi gen. Karena setiap sel organisme berisi DNA yang sama (yang berarti

salinan lengkap genom organisme), gen individual harus berisi elemen regulator

yang membuat ekspresi gen selama perkembangan dan kehidupan dewasa.

Ekspresi berbeda dari genom umum diperlukan untuk pembentukan tipe sel

berbeda selama perkembangan (misalnya neuron dibandingkan dnegan ginjal

dibandingkan dnegan sel hati), termauk diferensiasi ribuan tipe berbeda neuron

yang ditemukan did alam otak. Perbedaan ekspresi gen juga mendasari sifat yang

unik dari berbagai tipe sel.

Kontorl jangka panjang ekspresi gen did alam sel juga dikontrol oleh

modifikasi covalent DNA (misalnya oleh penambahan kelompok metil untuk

residue cytosin) dan oleh struktur kromatik. Beberapa mekanisme jangka

panjang ini dapat ditransmisikan ke sel turunan setelah pembelahan sel.

mekanisme seperti itu tidak secara langsung mempengaruhi rangkaian DNA

seperti yang dijelaskan dnegan mekanisme epigenetik. Tabel 1.10-2 menyajikan

pandangan mekanisme regulasi gen yang terlihat di dalam sel manusia.

Tabel 1.10-2 Regulation of Gene Expression in Human Cells

Mechanism Examples

Transcriptional

Binding of tissue-specific transcription

factors to cis-acting elements of a single

gene

Erythroid-specific transcription

factor NF-E2

Direct binding of hormones or growth

factors to response elements in inducible

transcription elements

Steroid hormone response elements

Use of alternative promoters in a single

gene

Eight distinct promoters generate

cell-type-specific expression of the

dystrophin gene

Posttranscriptional

Alternative splicing Differential splicing in the

WT1Wilms' tumor gene

Tissue-specific RNA editing Expression of apolipoprotein B gene

in the intestine

Translational control mechanisms IRE binding protein regulates

production of ferritin heavy chain

and transferrin receptor

Epigenetic and long-term control of gene

expression by chromatin structure

Allelic exclusion Imprinting exclusively in brain of

UBE3A gene

X chromosome inactivation Inactivation of many X chromosome

genes by XIST gene product

Long-range control by chromatin structure Suppression of expression of the

SOX9 gene in campomelic dysplasia

Short-range cell–cell signaling Mammalian embryo cells

Regulasi ekspresi gen oleh neurotransmiter dan messenger keda. Ekspresi gen di

dalam otak dapat diaktifkan oleh proses fisiologis normal oleh pengalaman dan

oleh agen farmakologi. Mekanisme umum dimana signal sinaptik ditransduksi ke

genom melibatkan aktivasi sistme messenger kedua intraseluler dan protein

kinase. Protein kinase kemudian faktor transkripsi spesifik fosforilasi (atau

disertai protein) dapat merubah aktivita stranskripsional nya. Fosforilasi faktor

transkripsi dapat merubah ikatannya dnegan elemen cis-regulator yang tepat,

jika telah terikat dengan DNA, kemampuan untuk meregulasi aktivitas

polimerase II kompleks (gambar 1.10-4). Dengan skema ini, ada dua varian

utama. satu terlibat secara langsung dalam aktivasi faktor transkripsi yang ada

dalam neuron bahkan pad akeadaan basal, sebagai contoh, oleh fosforilasi.

Mekanisme lain yang secara tidak langsung, fosforilasi mengakitkfkan faktor

transkripsi yang ada, lalu mengaktifkan ekspresi gen yang berkdoe faktor

transkripsi tambahan. Faktor yang baru disintesis ini kemudian dapat

mengaktifkan atau menekan tambahan gen target. Mekanisme pertama yang

terjadii lebih cepat daripada kedua dan khususnya menjelaskan perbedaan luas

waktu yang ditemukan untuk regulasi transinaptik ekspreis gen. Jadi beberapa

reseptor neurotransmiter mengalami perubahan stimulasi dalam ekspresi gen

yang terjadi dalam beberapa menit, sedangkan yang lain memerlukan beberapa

jam tergantung pada sinstesis protein baru.