Pemrograman ulang (biologi)

Dalam biologi, pemrograman ulang mengacu pada penghapusan dan pemodelan ulang tanda epigenetik, seperti metilasi DNA, selama perkembangan mamalia atau dalam kultur sel. Kontrol semacam itu juga sering dikaitkan dengan modifikasi kovalen alternatif histon.
Pola metilasi DNA sebagian besar dihapus dan kemudian diberikan kembali antar generasi pada mamalia. Hampir semua metilasi dari orang tua dihapus, pertama selama gametogenesis, dan kedua pada embriogenesis awal, dengan demetilasi dan remetilasi terjadi setiap waktu. Demetilasi embriogenesis awal terjadi pada periode praimplantasi dalam dua tahap - awalnya pada zigot, kemudian beberapa siklus replikasi embrionik pertama dari morula dan blastula. Gelombang metilasi kemudian terjadi selama tahap implantasi embrio, dengan pulau-pulau CpG dilindungi dari metilasi. Hal ini menghasilkan represi global dan memungkinkan gen housekeeping diekspresikan dalam semua sel. Pada tahap pasca-implantasi, pola metilasi merupakan stadium dan spesifik jaringan dengan perubahan yang akan menentukan setiap tipe sel individu yang bertahan secara stabil dalam waktu yang lama.

Perkembangan embrio

Setelah pembuahan, beberapa sel embrio yang baru terbentuk bermigrasi ke ridge germinal dan pada akhirnya akan menjadi sel germinal (sperma dan oosit). Karena fenomena rekaman genomik, genom ibu dan ayah ditandai secara berbeda dan harus diprogram ulang dengan benar setiap kali mereka melewati germline. Oleh karena itu, selama proses gametogenesis sel-sel kuman primordial harus memiliki pola metilasi DNA biparental asli mereka dihapus dan diberikan kembali berdasarkan jenis kelamin dari orang tua.
Setelah pembuahan, genom paternal dan maternal di-demetilasi yaitu untuk menghapus tanda epigenetik mereka dan memperoleh totipotensi. Ada asimetri pada titik ini: pronukleus jantan mengalami demetilasi yang cepat dan aktif, sedangkan pronukleus wanita didemetilasi secara pasif selama pembelahan sel. Terlepas dari sifat global dari proses ini, ada sekuens tertentu yang dapat menghindarinya, sebagai differentially methylated regions (DMRS) yang terkait dengan gen yang direkam, retrotransposon, dan heterokromatin sentromerik. Remetilasi diperlukan lagi untuk membedakan embrio menjadi organisme lengkap.
Manipulasi in vitro dari embrio pra-implantasi telah terbukti mengganggu pola metilasi pada lokus tercetak dan memainkan peran penting pada hewan kloning.

Dalam sistem kultur sel

Pemrograman ulang juga dapat diinduksi secara artifisial melalui pengenalan faktor eksogen, biasanya faktor transkripsi. Dalam konteks ini, sering merujuk pada penciptaan sel punca pluripoten yang diinduksi (sel iPS) dari sel dewasa seperti fibroblas dewasa. Ini memungkinkan produksi sel punca untuk penelitian biomedis, seperti penelitian terapi sel punca, tanpa menggunakan embrio. Cara ini dilakukan dengan transfeksi gen terkait sel punca menjadi sel dewasa menggunakan vektor virus seperti retrovirus.

Sejarah

Orang pertama yang berhasil menunjukkan pemrograman ulang adalah John Gurdon, yang pada tahun 1962 mendemonstrasikan bahwa sel-sel somatik yang berbeda dapat diprogram ulang kembali menjadi keadaan embrionik ketika ia berhasil mendapatkan kecebong renang setelah transfer sel epitel usus yang dibedakan menjadi telur katak berenerasi. Untuk pencapaian ini, ia menerima Hadiah Nobel Kedokteran tahun 2012 bersama Shinya Yamanaka. Yamanaka adalah yang pertama menunjukkan (pada 2006) bahwa transfer inti sel somatik atau proses pemrograman ulang berbasis oosit (lihat di bawah), yang Gurdon temukan, dapat direkapitulasi (pada tikus) oleh faktor-faktor transkripsi tertentu (Oct4, Sox2, Klf4, dan c-Myc) untuk menghasilkan sel induk pluripotent terinduksi (iPSC).  Lebih lanjut, kombinasi gen lain juga telah digunakan.

Variabilitas

Sifat-sifat sel yang diperoleh setelah pemrograman ulang dapat bervariasi secara signifikan, khususnya di antara iPSC. Faktor-faktor yang menyebabkan variasi dalam kinerja pemrograman ulang dan fitur fungsional produk akhir termasuk latar belakang genetik, sumber jaringan, stoikiometri faktor pemrograman ulang, dan stresor yang terkait dengan kultur sel.

Transfer inti sel somatik

Oosit dapat memprogram ulang inti dewasa menjadi keadaan embrionik setelah transfer inti sel somatik, sehingga organisme baru dapat dikembangkan dari sel tersebut.
Pemrograman ulang berbeda dari pengembangan epitipe somatik,  karena epitipe somatik berpotensi dapat diubah setelah suatu organisme telah meninggalkan tahap perkembangan kehidupan. Selama transfer inti sel somatik, oosit mematikan gen spesifik jaringan dalam inti sel somatik dan berbalik pada gen spesifik embrionik.