Epigenetik I:
Konsep dan Metilasi DNA

Bramadi Arya, S.Si., M.Biotech
Biologi Molekuler II · Pertemuan 2

Program Studi S1 Ilmu Biomedis
Universitas Syedza Saintika

Sasaran pertemuan

Pertemuan 2 · Konsep epigenetik dan mekanisme metilasi DNA

Sub-CPMK 2: menjelaskan konsep epigenetik dan mekanisme metilasi DNA.

Alur pertemuan

1. Definisi epigenetik dan syarat “diwariskan”
2. Kimia metilasi: bagaimana DNMT memindahkan gugus metil
3. Tiga fungsi enzim: de novo, pemeliharaan, dan penghapusan (TET)
4. Bagaimana metilasi membungkam gen: pembaca dan penghalang
5. Fungsi fisiologis: imprinting dan inaktivasi X
6. Metilasi pada kanker, terapi, gizi, biopsi cair, dan cara mengukurnya

Definisi yang presisi

Epigenetik: perubahan fungsi gen yang diwariskan secara mitotik (kadang meiotik) tanpa perubahan urutan basa.

• Heritabel: pola bertahan setelah sel membelah
• Tidak mengubah urutan DNA: berbeda dari mutasi
• Reversibel: dapat ditulis dan dihapus enzim

Faktor transkripsi yang hilang saat sinyal berhenti bukan epigenetik. Pola metilasi yang disalin ke sel anak adalah epigenetik.

Metilasi DNA dan modifikasi histon sebagai dua lapisan utama. Sumber: NIH Common Fund, via Wikimedia Commons.

Di mana metilasi terjadi

• Target utama: sitosin pada dinukleotida CpG
• CpG palindromik, sehingga metilasi simetris di kedua untai
• Sekitar 70 sampai 80 persen CpG genom manusia termetilasi
• Namun CpG langka, sekitar seperempat dari frekuensi harapan

Mengapa langka? Deaminasi spontan 5mC menghasilkan timin. Salah pasang T:G lebih sulit dikenali daripada U:G, sehingga CpG “terkikis” selama evolusi dan menjadi titik panas mutasi C ke T.

Deaminasi 5-metilsitosin menjadi timin. Sumber: Wikimedia Commons.

CpG island

Wilayah yang lolos dari pengikisan karena umumnya tidak termetilasi di sel germinal.

Kriteria klasik (Gardiner-Garden dan Frommer, 1987):

• Panjang lebih dari 200 pb, kandungan GC lebih dari 50 persen
• Rasio CpG teramati terhadap harapan lebih dari 0,6

Sekitar 60 sampai 70 persen promotor gen manusia mengandung CpG island, termasuk hampir semua gen housekeeping.

CpG island di promotor biasanya tidak termetilasi (gen aktif), sedangkan CpG di luar island umumnya termetilasi.

Kimia reaksi metilasi

1. Donor metil: S-adenosilmetionin (SAM), berubah menjadi S-adenosilhomosistein (SAH)
2. Base flipping: DNMT memutar sitosin keluar dari heliks ke kantong katalitik
3. Serangan nukleofilik: sisteina di situs aktif menyerang C6, membentuk ikatan kovalen sementara
4. Transfer metil ke karbon C5
5. Eliminasi: enzim lepas, menyisakan 5-metilsitosin (5mC)

Gugus metil pada C5 menjulur ke alur mayor DNA, tempat protein “membaca” urutan. Metilasi mengubah protein mana yang dapat mengikat tanpa mengubah pasangan basa.

Sitosin dan 5-metilsitosin: gugus metil pada C5. Sumber: Wikimedia Commons.

Keluarga DNMT

Enzim	Fungsi	Ciri kunci
DNMT3A	Metilasi de novo	Menulis pola baru saat perkembangan dan diferensiasi
DNMT3B	Metilasi de novo	Penting untuk wilayah repetitif dan perisentromer
DNMT3L	Kofaktor, tanpa aktivitas katalitik	Menstimulasi DNMT3A/3B, penting di sel germinal
DNMT1	Metilasi pemeliharaan	Memilih CpG hemimetilasi, menyalin pola saat replikasi

Semua DNMT katalitik berbagi domain metiltransferase di ujung C; perbedaan fungsi datang dari domain regulator di ujung N (misalnya RFTS dan CXXC pada DNMT1, PWWP dan ADD pada DNMT3A/3B).

Mutasi DNMT3A termasuk yang paling sering pada leukemia mieloid akut, menunjukkan pentingnya “penulis” pola ini.

Figur: arsitektur DNMT dan TET

Reaksi kimia, filogeni, dan arsitektur domain DNMT dan TET. Yang S, et al. (2025) BMC Mol Cell Biol 26:26, Fig. 1. CC BY 4.0.

Pemeliharaan: menyalin pola saat replikasi

1. Replikasi menghasilkan DNA hemimetilasi: untai induk termetilasi, untai baru belum
2. UHRF1 mengenali CpG hemimetilasi lewat domain SRA
3. UHRF1 mengubikuitinasi histon H3 (K18 dan K23), menjadi “landasan” DNMT1
4. DNMT1 direkrut ke garpu replikasi (bersama PCNA) dan memetilasi untai baru

Hasil: pola induk tersalin ke kedua sel anak. Inilah dasar molekuler sifat heritabel.

Pemeliharaan berlangsung dua fase: cepat, terkopel replikasi (menit), dan lambat, pasca-replikasi (jam) (Petryk et al., 2021).

Simetri CpG memungkinkan informasi ini disalin, mirip replikasi semi-konservatif.

Figur: siklus pemeliharaan dan penghapusan

Pemeliharaan (DNMT1/UHRF1) dan penghapusan (TET) tanda metilasi pada sel normal. Heredia-Mendez AJ, et al. (2023) Cancers 15:1991, Fig. 3. CC BY 4.0.

Mengapa promotor aktif terlindungi

DNMT3A dan DNMT3L “membaca” histon sebelum menulis metil:

• Domain ADD pada DNMT3A dan DNMT3L mengikat ekor histon H3 yang tidak termetilasi pada lisin 4 (H3K4me0)
• Pengikatan H3K4me0 juga melepas autoinhibisi DNMT3A, sehingga enzim aktif hanya di tempat yang “boleh”
• Promotor aktif ditandai H3K4me3, yang menolak pengikatan ADD
• Akibatnya CpG island pada gen aktif terlindung dari metilasi de novo

“Percakapan” histon dan DNA: modifikasi histon (Pertemuan 3) menentukan di mana metilasi DNA boleh ditulis.

Penghapusan metilasi

Pasif: DNMT1 tidak bekerja beberapa putaran replikasi, metilasi terencerkan setengahnya tiap pembelahan.

Aktif (jalur TET)

• TET1 sampai TET3 mengoksidasi 5mC bertahap: 5mC, 5hmC, 5fC, 5caC
• Butuh Fe2+ dan alfa-ketoglutarat
• TDG memotong 5fC atau 5caC
• BER memasang kembali sitosin

Kaitkan dengan Pertemuan 5: demetilasi aktif memakai mesin perbaikan eksisi basa.

Demetilasi 5-metilsitosin lewat oksidasi bertahap. Sumber: Wikimedia Commons.

Bagaimana metilasi membungkam gen

1. Menghalangi langsung

Sebagian faktor transkripsi dan protein pengikat DNA tidak dapat menempel pada urutan termetilasi. Contoh penting: CTCF.

2. Merekrut pembaca

• Protein MBD, misalnya MeCP2, mengenali 5mC
• MBD merekrut korepresor (Sin3A, NuRD) yang membawa HDAC
• Histon terdeasetilasi, kromatin memadat, gen terkunci bungkam

Mutasi MECP2 menyebabkan sindrom Rett: “membaca” metilasi sama pentingnya dengan “menulisnya”.

Peran ganda MeCP2 pada 5mC dan 5hmC. Vuu YM, et al. (2023) Int J Mol Sci 24:4218, Fig. 2. CC BY 3.0.

Lokasi menentukan makna

Metilasi tidak selalu berarti “gen mati”:

Lokasi metilasi	Hubungan dengan ekspresi
Promotor / CpG island	Umumnya membungkam transkripsi
Badan gen (gene body)	Sering berkorelasi dengan transkripsi aktif
Elemen repetitif dan transposon	Menjaga agar tetap bungkam, melindungi stabilitas genom
Enhancer	Memodulasi aktivitas regulasi jarak jauh

Pola metilasi juga khas tipe sel: atlas metilom 39 tipe sel manusia menunjukkan tiap sel punya “sidik jari” metilasi sendiri (Loyfer et al., 2023). Prinsip ini menjadi dasar biopsi cair.

Imprinting genom: kasus H19/IGF2

Pada 11p15, IGF2 dan H19 berbagi enhancer. Di antaranya ada ICR1.

• Alel maternal: ICR1 tidak termetilasi, CTCF mengikat dan menjadi insulator. Enhancer hanya mengaktifkan H19
• Alel paternal: ICR1 termetilasi, CTCF tidak dapat mengikat. Enhancer mengaktifkan IGF2

Gangguan metilasi ICR1:

• Hipermetilasi: Beckwith-Wiedemann (pertumbuhan berlebih)
• Hipometilasi: Silver-Russell (hambatan pertumbuhan)

Lokus yang sama juga terganggu (loss of imprinting) pada berbagai tumor (Ortega et al., 2026).

Mekanisme imprinting Igf2/H19. Sumber: Wikimedia Commons.

Inaktivasi kromosom X

• Pada sel betina, satu X dibungkam untuk menyetarakan dosis gen
• Diawali lncRNA XIST yang menyelubungi X target (Pertemuan 4)
• Tahap akhir: metilasi CpG island pada X inaktif mengunci keadaan bungkam
• Pilihan X bersifat acak per sel, lalu diwariskan ke sel keturunan

Bukti yang terlihat: kucing calico hampir selalu betina. Gen warna oranye/hitam ada di X, sehingga inaktivasi acak menghasilkan mosaik bercak warna.

Kucing calico: mosaik inaktivasi X. Sumber: Wikimedia Commons.

Metilasi dan kanker

Dua perubahan terjadi bersamaan:

• Hipometilasi global: transposon aktif kembali, genom tidak stabil
• Hipermetilasi fokal pada promotor gen penekan tumor

Contoh klinis:

• MLH1: hipermetilasi promotor menyebabkan kanker kolorektal MSI-tinggi sporadis, berbeda dari sindrom Lynch akibat mutasi germline (MMR, Pertemuan 5)
• MGMT: promotor termetilasi pada glioblastoma membuat sel gagal memperbaiki kerusakan akibat temozolomid, sehingga obat lebih efektif (Hegi et al., 2005)
• IDH1/2 mutan: 2-hidroksiglutarat menghambat TET, memicu hipermetilasi luas

Figur: metilasi normal vs kanker

Hipometilasi global dan hipermetilasi promotor pada sel kanker. Heredia-Mendez AJ, et al. (2023) Cancers 15:1991, Fig. 4. CC BY 4.0.

Terapi: menghapus metilasi yang keliru

Azasitidin dan desitabin adalah analog nukleosida:

1. Terinkorporasi ke DNA saat replikasi, menggantikan sitosin
2. DNMT mencoba memetilasinya dan membentuk ikatan kovalen (langkah 3 reaksi)
3. Karena N5 menggantikan C5, reaksi tidak dapat selesai. DNMT terperangkap dan didegradasi
4. Tanpa DNMT, metilasi hilang secara pasif pada replikasi berikutnya

Dipakai pada sindrom mielodisplastik dan leukemia mieloid akut.

Memahami langkah kimia reaksi DNMT menjelaskan persis mengapa obat ini bekerja.

Desitabin: nitrogen menggantikan C5 cincin sitosin. Sumber: Wikimedia Commons.

Gizi dan metilasi

Metilasi bergantung pada pasokan SAM dari metabolisme satu-karbon (folat, B12, metionin, kolin).

• Tikus agouti viable yellow (A^vy): suplementasi donor metil pada induk hamil meningkatkan metilasi transposon di hulu gen agouti, menggeser warna bulu anak dan menurunkan kecenderungan obesitas (Waterland dan Jirtle, 2003)
• Dutch Hunger Winter: paparan kelaparan prenatal dikaitkan dengan metilasi IGF2 lebih rendah sekitar enam dekade kemudian (Heijmans et al., 2008)

Lingkungan awal kehidupan dapat meninggalkan jejak molekuler yang bertahan lama. Relevan untuk kajian gizi dan herbal (Pertemuan 13).

Metilasi sebagai biomarker: biopsi cair

• Sel yang mati melepas DNA ke plasma (cfDNA), membawa pola metilasi asal jaringannya
• Karena pola metilasi khas tipe sel dan berubah pada kanker, cfDNA dapat mengungkap ada tidaknya kanker sekaligus asal organnya
• Contoh: uji deteksi dini multi-kanker berbasis metilasi target menunjukkan spesifisitas tinggi, dengan sensitivitas yang meningkat seiring stadium (Klein et al., 2021)
• Tantangan: kadar DNA tumor sangat rendah pada stadium awal, standardisasi pra-analitik, dan validasi klinis (Rendek et al., 2024)

Figur: lanskap uji biopsi cair berbasis metilasi

Uji biopsi cair berbasis metilasi untuk deteksi multi-kanker dan organ spesifik. Rendek T, et al. (2024) Cancers 16:2001, Fig. 1. CC BY 4.0.

Mengukur metilasi

Konversi bisulfit (standar emas)

• Sitosin tidak termetilasi menjadi urasil, dibaca T setelah PCR
• 5mC tetap C
• Turunan: MSP, sekuensing bisulfit, pyrosequencing, MethyLight

Keterbatasan: DNA rusak akibat bisulfit, dan 5mC tidak dapat dibedakan dari 5hmC.

Metode tanpa bisulfit (lebih baru)

• EM-seq: konversi enzimatik (TET2 dan APOBEC3A), DNA lebih utuh
• Nanopore dan PacBio: membaca 5mC dan 5hmC langsung dari sinyal, tanpa konversi, pada fragmen panjang

Pilihan metode bergantung tujuan: klinis terarah (MSP, pyrosequencing) atau genom luas (sekuensing).

Figur: prinsip metode berbasis bisulfit

Prinsip COBRA, MS-FLAG, dan MethyLight setelah konversi bisulfit. Jeddi F, et al. (2024) Cancer Cell Int 24:240, Fig. 1. CC BY 4.0.

Ringkasan mekanistik

• CpG dimetilasi pada C5 oleh DNMT memakai SAM, lewat base flipping dan ikatan kovalen sementara
• DNMT3A/3B menulis pola baru; DNMT1 dengan UHRF1 menyalinnya saat replikasi
• TET dan TDG menghapus metilasi secara aktif lewat jalur BER
• Metilasi membungkam dengan menghalangi faktor (CTCF) dan merekrut MBD serta HDAC
• Makna metilasi bergantung lokasi dan tipe sel
• Aplikasi nyata: imprinting, kanker (MLH1, MGMT), terapi hipometilasi, gizi, dan biopsi cair

Rujukan: review dan artikel terbaru

• Wei A, Wu H. (2022). Mammalian DNA methylome dynamics: mechanisms, functions and new frontiers. Development 149:dev182683.
• Petryk N, Bultmann S, Bartke T, Defossez PA. (2021). Staying true to yourself: mechanisms of DNA methylation maintenance in mammals. Nucleic Acids Res 49:3020-3032.
• Yang S, et al. (2025). Evolutionary and structural insights into DNMTs and TETs. BMC Mol Cell Biol 26:26.
• Heredia-Mendez AJ, Sanchez-Sanchez G, Lopez-Camarillo C. (2023). Reprogramming of the genome-wide DNA methylation landscape in three-dimensional cancer cell cultures. Cancers 15:1991.
• Vuu YM, Roberts CT, Rastegar M. (2023). MeCP2 is an epigenetic factor that links DNA methylation with brain metabolism. Int J Mol Sci 24:4218.
• Ortega B, et al. (2026). H19 and IGF2 imprinting from embryogenesis to oncogenesis. Front Cell Dev Biol 14:1698015.
• Loyfer N, et al. (2023). A DNA methylation atlas of normal human cell types. Nature 613:355-364.
• Rendek T, et al. (2024). Current challenges of methylation-based liquid biopsies in cancer diagnostics. Cancers 16:2001.
• Jeddi F, et al. (2024). The common bisulfite-conversion-based techniques to analyze DNA methylation in human cancers. Cancer Cell Int 24:240.
• Klein EA, et al. (2021). Clinical validation of a targeted methylation-based multi-cancer early detection test. Ann Oncol 32:1167-1177.

Rujukan: buku dan artikel klasik

• Alberts B, et al. (2022). Molecular Biology of the Cell, 7th ed. Garland Science. Bab 4 dan 7.
• Gardiner-Garden M, Frommer M. (1987). CpG islands in vertebrate genomes. J Mol Biol 196:261-282.
• Sharif J, et al. (2007). The SRA protein Np95 mediates epigenetic inheritance by recruiting Dnmt1 to methylated DNA. Nature 450:908-912.
• Tahiliani M, et al. (2009). Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1. Science 324:930-935.
• Hegi ME, et al. (2005). MGMT gene silencing and benefit from temozolomide in glioblastoma. N Engl J Med 352:997-1003.
• Waterland RA, Jirtle RL. (2003). Transposable elements: targets for early nutritional effects on epigenetic gene regulation. Mol Cell Biol 23:5293-5300.
• Heijmans BT, et al. (2008). Persistent epigenetic differences associated with prenatal exposure to famine in humans. PNAS 105:17046-17049.

Gambar Wikimedia Commons: detail penulis dan lisensi tiap berkas tercatat di img/CREDITS.md (dibuat otomatis oleh get_images.py).

Terima kasih