Isoform

Dalam genetika, isoform adalah salah satu anggota dari sekumpulan produk serupa yang berasal dari gen yang sama, kumpulan tersebut dapat berupa mRNA atau protein yang dihasilkannya. Isoform yang paling banyak dipelajari adalah isoform protein (atau "varian protein") yang terbentuk akibat perbedaan pada sekuens DNA pengode (CDS) dari mRNA prekursornya.^[1] Meskipun banyak di antaranya menjalankan peran biologis yang sama atau serupa, beberapa isoform protein memiliki fungsi yang unik. Sekumpulan isoform protein dapat terbentuk melalui penjalinan alternatif, penggunaan promotor atau situs awal transkripsi (TSS) yang bervariasi, ataupun modifikasi pascatranskripsi lainnya pada satu gen tunggal; modifikasi pascatranslasi umumnya tidak termasuk dalam kategori ini. (Untuk hal tersebut lihat Proteoform). Melalui mekanisme penjalinan RNA, mRNA memiliki kemampuan untuk memilih segmen pengode protein (ekson) yang berbeda dari suatu gen, atau bahkan bagian ekson yang berbeda, untuk membentuk sekuens mRNA yang berlainan. Setiap sekuens unik menghasilkan bentuk protein yang spesifik.

Penemuan isoform dapat menjelaskan kesenjangan antara jumlah wilayah pengode protein yang relatif sedikit—sebagaimana diungkapkan oleh Proyek Genom Manusia—dan besarnya keragaman protein yang ditemukan pada suatu organisme: protein-protein berbeda yang dikodekan oleh gen yang sama dapat meningkatkan keragaman proteom.^[1] Isoform pada tingkat protein dapat muncul dalam bentuk penghapusan domain utuh atau lengkungan yang lebih pendek, yang biasanya terletak di permukaan protein.^[2]

Isoform pada tingkat RNA dapat diidentifikasi dengan mudah melalui studi transkrip cDNA dan RNA-Seq. Banyak gen manusia diketahui memiliki isoform hasil penjalinan alternatif yang telah terkonfirmasi. Diperkirakan terdapat sekitar 100.000 expressed sequence tag (EST) yang dapat diidentifikasi pada manusia.^[1] Isoform yang memiliki perubahan pada CDS merupakan isoform yang paling banyak dikarakterisasi secara mendalam karena umumnya menghasilkan protein dengan sifat fungsional yang berbeda.^[3] Isoform RNA tidak hanya dapat berbeda pada bagian CDS (yang menyebabkan perbedaan karakteristik protein yang dihasilkan), tetapi juga pada wilayah yang tidak diterjemahkan (UTR). Wilayah ini mengatur kadar transkrip primer melalui berbagai cara seperti stabilitas, pelipatan, dan pergantian transkrip, serta efisiensi translasi. UTR sering kali menjadi target miRNA, yang umumnya menurunkan ekspresi transkrip dengan memicu degradasi atau menghentikan proses translasi. Dengan demikian, UTR dapat menentukan seberapa banyak transkrip yang diterjemahkan menjadi protein.^[4]

Dalam penggunaan istilah yang sudah usang, kata "isoform" juga digunakan sebagai sinonim yang kurang spesifik untuk "paralog"—yaitu produk dari gen-gen berbeda dalam organisme yang sama, yang saling berkerabat akibat peristiwa duplikasi gen di masa lampau. Sebagai contoh, PRKAA1 dan PRKAA2 adalah paralog, namun banyak sumber yang hanya menyebut keduanya sebagai "isoform".^[5]

Definisi

Satu gen tunggal memiliki kemampuan untuk menghasilkan berbagai RNA (dan karenanya protein) yang berbeda baik dalam struktur maupun komposisinya;^[6][7] proses ini diatur oleh penjalinan alternatif mRNA, meskipun belum jelas sejauh mana proses tersebut memengaruhi keragaman proteom manusia, karena kelimpahan isoform transkrip mRNA tidak selalu berkorelasi dengan kelimpahan isoform protein.^[8] Perbandingan struktur protein tiga dimensi dapat digunakan untuk membantu menentukan isoform mana—jika ada—yang mewakili produk protein fungsional, dan struktur sebagian besar isoform dalam proteom manusia telah diprediksi oleh AlphaFold serta dirilis secara publik di isoform.io.^[9] Spesifisitas isoform yang ditranslasikan ditentukan oleh struktur/fungsi protein, serta jenis sel dan tahap perkembangan saat isoform tersebut diproduksi.^[6][7] Penentuan spesifisitas menjadi lebih rumit ketika suatu protein memiliki banyak subunit dan setiap subunit memiliki banyak isoform.

Mekanisme

Mekanisme utama yang menghasilkan isoform protein adalah penjalinan alternatif dan penggunaan promotor yang bervariasi, meskipun modifikasi akibat perubahan genetik seperti mutasi dan polimorfisme terkadang juga dianggap sebagai isoform yang berbeda.^[10]

Penjalinan alternatif

Penjalinan alternatif adalah proses modifikasi pascatranskripsi utama yang menghasilkan isoform transkrip mRNA, dan merupakan mekanisme molekuler utama yang dapat berkontribusi terhadap keragaman protein.^[7] Spliseosom, suatu ribonukleoprotein besar, adalah mesin molekuler di dalam nukleus yang bertanggung jawab atas pemotongan dan ligasi RNA, serta penghilangan segmen yang tidak mengodekan protein (intron).^[11]

Karena penjalinan merupakan proses yang terjadi di antara transkripsi dan translasi, dampak utamanya sebagian besar telah dipelajari melalui teknik genomika—misalnya, analisis microarray dan sekuensing RNA telah digunakan untuk mengidentifikasi transkrip hasil penjalinan alternatif serta mengukur kelimpahannya.^[10] Kelimpahan transkrip sering digunakan sebagai proksi untuk kelimpahan isoform protein, meskipun eksperimen proteomika yang menggunakan elektroforesis gel dan spektrometri massa telah menunjukkan bahwa korelasi antara jumlah transkrip dan protein sering kali rendah, dan bahwa satu isoform protein biasanya mendominasi.^[12] Sebuah studi tahun 2015 menyatakan bahwa penyebab ketidaksesuaian ini kemungkinan terjadi setelah translasi, meskipun mekanismenya pada dasarnya belum diketahui.^[13] Akibatnya, meskipun penjalinan alternatif telah dikaitkan sebagai penjalin penting antara variasi dan penyakit, tidak ada bukti konklusif bahwa proses ini terutama bekerja dengan menghasilkan isoform protein baru.^[12]

Penjalinan alternatif umumnya menggambarkan proses yang diatur secara ketat di mana transkrip alternatif dihasilkan secara sengaja oleh mesin penjalinan. Namun, transkrip semacam itu juga dihasilkan oleh kesalahan penjalinan dalam proses yang disebut "penjalinan berderau", dan juga berpotensi ditranslasikan menjadi isoform protein. Meskipun sekitar 95% gen dengan banyak ekson diperkirakan mengalami penjalinan alternatif, sebuah studi mengenai penjalinan berderau mengamati bahwa sebagian besar transkrip berbeda yang berkelimpahan rendah merupakan "derau" (noise), dan memprediksi bahwa sebagian besar transkrip alternatif serta isoform protein yang ada di dalam sel tidak memiliki relevansi fungsional.^[14]

Penggunaan promotor

Tahap regulasi transkripsional dan pasca-transkripsional lainnya juga dapat menghasilkan isoform protein yang berbeda.^[15] Penggunaan promotor yang bervariasi terjadi ketika mesin transkripsi sel (RNA polimerase, faktor transkripsi, dan enzim lainnya) memulai transkripsi pada promotor yang berbeda—yaitu wilayah DNA di dekat gen yang berfungsi sebagai situs pengikatan awal—sehingga menghasilkan transkrip dan isoform protein yang sedikit termodifikasi.

Elemen regulatori cis pada promotor mengandung urutan yang dikenali oleh faktor transkripsi dan mesin transkripsi basal. Oleh karena itu, lokasi TSS (transcription start site atau "situs awal transkripsi") penting untuk memahami biogenesis isoform tertentu. Gagasan bahwa mitra pengikatan yang berbeda memberikan sifat fungsional yang berbeda telah banyak dipelajari dalam regulasi gen yang spesifik terhadap jaringan.^[16] Sebagai contoh, faktor transkripsi (TF) yang sama dapat mengarahkan ekspresi gen di jaringan yang berbeda hanya dengan berikatan pada TSS yang berbeda di setiap jaringan tersebut.^[17]

Karakteristik

Umumnya, satu isoform protein ditetapkan sebagai sekuens kanonis berdasarkan kriteria seperti prevalensi dan kemiripannya dengan sekuens ortolog, atau yang secara fungsional analog, pada organisme lain.^[18] mRNA yang bersangkutan dapat disebut sebagai "transkrip kanonis".^[19]

Isoform diasumsikan memiliki sifat fungsional yang serupa karena sebagian besar memiliki sekuens yang mirip serta berbagi sebagian hingga hampir seluruh ekson dengan sekuens kanonis. Namun, beberapa isoform menunjukkan perbedaan yang jauh lebih besar (misalnya melalui penjalinan trans) dan mungkin hanya berbagi sedikit atau bahkan tidak berbagi ekson sama sekali dengan sekuens kanonis. Selain itu, isoform dapat memiliki efek biologis yang berbeda—sebagai contoh ekstrem, fungsi satu isoform dapat mendorong kelangsungan hidup sel, sementara isoform lainnya mendorong kematian sel—atau memiliki fungsi dasar yang serupa namun berbeda dalam lokalisasi subselulernya.^[20] Akan tetapi, sebuah studi tahun 2016 melakukan karakterisasi fungsional terhadap semua isoform dari 1.492 gen dan menyimpulkan bahwa sebagian besar isoform berperilaku sebagai "aloform fungsional". Para penulis menyimpulkan bahwa isoform berperilaku layaknya protein yang berbeda setelah mengamati bahwa fungsi sebagian besar isoform tidak tumpang tindih.^[21] Karena studi tersebut dilakukan pada sel secara in vitro, belum diketahui apakah isoform dalam proteom manusia yang diekspresikan memiliki karakteristik serupa. Selain itu, karena fungsi setiap isoform umumnya harus ditentukan secara terpisah, fungsi sebagian besar isoform yang telah diidentifikasi dan diprediksi masih belum diketahui.

Jenis

Isoform dapat dikategorikan berdasarkan sifat perbedaannya menjadi isoform struktural dan isoform sekuens. Isoform struktural muncul akibat peristiwa penjalinan alternatif yang menghasilkan komposisi ekson yang berbeda, termasuk peloncatan/penyertaan ekson, situs jalinan alternatif pada ujung 5' atau 3', serta retensi intron. Mekanisme-mekanisme ini menghasilkan transkrip dan protein dengan arsitektur domain yang berbeda—misalnya, penyertaan atau pengecualian domain fungsional secara utuh, atau penggunaan situs donor/akseptor alternatif yang menambah atau menghilangkan sebagian sekuens ekson. Sebaliknya, isoform sekuens biasanya dihasilkan dari variasi nukleotida tunggal, insersi, delesi, atau modifikasi pascatranslasi yang mengubah urutan asam amino tanpa mengubah struktur ekson secara keseluruhan.^[22]

Penjalinan alternatif merupakan proses modifikasi pasca-transkripsi utama yang menghasilkan isoform transkrip mRNA, di mana isoform-isoform tersebut dapat menghasilkan fungsi, aktivitas, atau pola ekspresi yang berbeda.^[23] Perbedaan ini memiliki signifikansi fungsional: isoform struktural sering kali menunjukkan sifat yang sangat berbeda akibat ada atau tidaknya domain protein secara utuh, sedangkan isoform sekuens mungkin menunjukkan variasi fungsional yang lebih halus. Kedua mekanisme tersebut berkontribusi secara signifikan terhadap keragaman proteom, dengan variasi struktural melalui penjalinan alternatif yang sangat umum terjadi pada eukariota tingkat tinggi, yang memengaruhi sebagian besar gen multi-ekson.

Konsep terkait

Glikoform

Glikoform adalah isoform protein yang hanya berbeda dalam hal jumlah atau jenis glikan yang terikat padanya. Glikoprotein sering kali terdiri dari sejumlah glikoform yang berbeda, dengan perubahan pada sakarida atau oligosakarida yang terikat. Modifikasi ini dapat terjadi akibat perbedaan biosintesis selama proses glikosilasi, atau karena kerja enzim glikosidase atau glikosiltransferase. Glikoform dapat dideteksi melalui analisis kimia terperinci terhadap glikoform yang telah dipisahkan, namun lebih mudah dideteksi melalui reaksi diferensial dengan lektin, seperti pada kromatografi afinitas lektin dan elektroforesis afinitas lektin. Contoh umum glikoprotein yang terdiri dari berbagai glikoform adalah protein darah seperti orosomukoid, antitripsin, dan haptoglobin. Variasi glikoform yang tidak biasa terlihat pada molekul adhesi sel saraf (NCAM) yang melibatkan asam polisialat (PSA).

Contoh

ATF3

Activating transcription factor 3 (Atf3) adalah gen yang diinduksi oleh cedera (regeneration-associated gene atau RAG) yang diketahui memiliki banyak promotor. Ekspresi Atf3 meningkat setelah cedera saraf, dan ekspresi berlebih dari bentuk Atf3 yang aktif secara konstitutif meningkatkan laju regenerasi saraf tepi.^[24] Sejauh ini, empat isoform Atf3 telah diidentifikasi di ganglion akar dorsal (DRG). Keempat isoform ini berbeda dalam hal situs awal transkripsi (TSS), dan satu di antaranya berbeda pada urutan pengode protein (CDS). Namun, belum jelas promotor mana yang digunakan pada neuron DRG yang sedang beregenerasi.^[25]

PTEN

Homolog fosfatase dan tensin (PTEN) awalnya diidentifikasi sebagai gen penekan tumor.^[26] Penelitian terbaru menemukan bahwa PTEN juga menekan regenerasi akson pada sel ganglion retina, traktus kortikospinal, dan neuron DRG.^[27][28][29] Sejauh ini, 3 isoform Pten (PTEN, PTEN J1, dan PTEN J2) telah diidentifikasi dan dianalisis. Urutan PTEN J1 identik dengan isoform PTEN konvensional, kecuali adanya perbedaan pada TSS dan pergeseran kecil pada CDS. PTEN J2 memiliki CDS yang terpotong, situs awal transkripsi alternatif, dan 3' UTR yang lebih panjang dibandingkan dengan isoform PTEN konvensional yang diekspresikan di dalam neuron. CDS yang terpotong tersebut mengodekan protein yang tidak memiliki domain fosfat. Selain itu, ekspresi berlebih PTEN J2 dan PTEN pada neuron kortikal primer tidak memengaruhi regenerasi akson. Oleh karena itu, muncul hipotesis bahwa PTEN J2 berfungsi sebagai RNA regulator untuk menghambat aktivitas Pten.^[25]

Studi tambahan

Baru-baru ini, telah dicapai kemajuan dalam mengarakterisasi isoform yang diketahui dari gen-gen yang terkait dengan regenerasi (RAG) menggunakan RNA-Seq, hal ini penting untuk memahami keragaman isoform di sistem saraf pusat (SSP).^[30][31]

Referensi

Pranala luar

Lihat entri isoform di kamus bebas Wikikamus.

• MeSH entry protein isoforms
• Definitions Isoform