DNA membawa instruksi genetik untuk setiap sel dalam tubuh kita.
Openclipart.org
Otak kita menyimpan informasi besar tentang pengalaman, perasaan, dan dunia sekitar kita. Jaringan neuron mengkode sinyal-sinyal ini sebagai kenangan. Jaringan ini disebut engram. Neuron tertentu terlibat dalam pembentukan engram dan penyimpanan informasi baru. Bagaimana neuron direkrut ke dalam jaringan engram telah menjadi salah satu misteri inti dari pembelajaran dan memori. Sekarang, sebuah studi baru dari Swiss mungkin telah mengungkap proses-proses mendasar yang membuat neuron memenuhi syarat untuk membentuk engram. Pemeriksaan teliti mereka terhadap otak tikus setelah belajar mengungkapkan bahwa kemampuan engram untuk menyimpan memori mungkin ditentukan oleh bagaimana DNA dikemas dalam neuron.
DNA membawa instruksi genetik untuk setiap sel dalam tubuh kita. Dua untai panjang yang terjalin menciptakan struktur heliks rangkap klasiknya. Jika direntangkan dari ujung ke ujung, sebuah molekul DNA tunggal akan melintasi lebih dari enam kaki atau sekitar 2 meter. Luar biasanya, semua DNA kita dapat masuk ke dalam inti sel, yang hanya beberapa mikrometer panjangnya. Diameter inti lebih dari sejuta kali lebih kecil dari total panjang DNA. Oleh karena itu, DNA dikondensasi dan dibungkus dengan rapat di sekitar protein yang disebut histon seperti gulungan benang yang berganda. Sekelompok instruksi yang berbeda diorganisir bersama bergantung pada fungsi sel.
DNA yang diputar di sekitar gulungan ini disebut kromatin. Mengkondensasi DNA menjadi kromatin yang terbungkus rapat membuat ekspresi gen menjadi diam. Agar gen dapat ditranskripsi, kromatin harus terbuka untuk membuat DNA lebih mudah diakses. Proses pembukaan ini memungkinkan enzim dan protein yang diperlukan untuk berikat ke urutan gen dan memulai proses transkripsi. Selama transkripsi, molekul RNA pembawa pesan mentranskripsikan gen dan membawa informasi genetik keluar dari inti ke sitoplasma, di mana itu dapat diterjemahkan menjadi protein. Bergantung pada apa yang dibutuhkan sel, hanya beberapa bagian dari DNA yang dibuka pada setiap waktu. Setiap sel memiliki sekelompok alat yang mengendalikan gen mana yang “dimatikan dan dinyalakan” tanpa mengubah urutan DNA secara permanen. Sebagian dari informasi itu dimodifikasi oleh protein histon yang melingkupi DNA. Dalam studi mereka, Santoni et. al berspekulasi bahwa mekanisme ini mungkin memediasi bagaimana neuron dipilih untuk menyimpan kenangan.
Tim memulai penyelidikan mereka dengan merekrut sekelompok tikus untuk menjalani sebuah eksperimen peningkatan rasa takut. Kenangan yang menakutkan diketahui merekrut neuron di wilayah tertentu otak yang disebut amigdala. Ketika kita mengalami sesuatu yang menakutkan, amigdala memberi sinyal ke wilayah otak lain yang terlibat dalam pembentukan memori, seperti hipokampus. Interaksi ini membantu mengkodekan kenangan dari peristiwa yang menakutkan.
Dalam studi ini, tikus secara berkala terpapar nada frekuensi tinggi yang disertai dengan kejutan kecil. Tikus dengan cepat belajar untuk mengaitkan nada dengan kejutan, membeku di tempat setiap kali nada diputar dan kejutan diberikan. Bahkan ketika tidak ada kejutan, tikus terus membeku ketakutan saat mendengar nada. Respon ini menandakan bahwa nada yang sebelumnya netral telah dikodekan menjadi engram yang terkait dengan rasa takut di otak. Setelah eksperimen peningkat rasa takut, tim membandingkan neuron di amigdalanya.
Yang mereka temukan dalam perbandingan dengan tikus yang tidak terpapar eksperimen pembelajaran rasa takut adalah perbedaan dalam aksesibilitas DNA. Tikus yang berpartisipasi dalam eksperimen memiliki tingkat tinggi penanda epigenetik pada gen-gen yang mengendalikan pembukaan dan penutupan kromatin. Lampiran penanda ini pada DNA membantu melemaskan protein histon, memungkinkan kromatin terbuka. Santoni et. al menyimpulkan bahwa karena kromatin terbuka mempromosikan transkripsi gen, kemampuan neuron untuk menyimpan informasi mungkin ditentukan oleh aksesibilitas DNA.
Pemahaman bagaimana neuron direkrut ke dalam engram mungkin memiliki dampak signifikan dalam pengembangan terapi yang meningkatkan pembelajaran dan memori. Santoni et. al bereksperimen dengan gagasan ini dengan meningkatkan prevalensi penanda epigenetik di otak dari kelompok tikus lain. Sebelum menjalani kondisi rasa takut, tikus ini disuntik dengan alat pengeditan gen yang meningkatkan aktivitas enzim yang menempatkan penanda ini pada DNA. Tikus mengembangkan rasa takut terhadap nada yang jauh lebih besar dan lebih lama yang berkorelasi dengan peningkatan tingkat penanda di seluruh amigdalanya.
Kesimpulan dari studi ini adalah langkah maju dalam pemahaman perubahan DNA yang mungkin menjadi dasar bagaimana kenangan terbentuk dan diperkuat. Peneliti utama dan peneliti perintis di bidang engram, berpendapat, “Kami sedang membuka cahaya pada langkah awal pembentukan memori dari tingkat DNA.” Studi tambahan tentang mekanisme epigenetik yang mendorong pembelajaran dan memori suatu hari nanti dapat meletakkan dasar untuk mengobati berbagai gangguan kognitif, seperti penyakit Alzheimer dan sindrom stres pasca trauma.