NUTRIGENOMIK, Jembatan Antara Ilmu Nutrisi dan Genetik

Beberapa penelitian di bidang nutrisi ternak banyak mengeksplorasi terkait defisiensi ataupun kelebihan dari beberapa komponen nutrisi yang dapat menyebabkan penyakit pada ternak, yang selanjutnya berpengaruh terhadap menurunnya produktivitas ternak. Akan tetapi terobosan di bidang genomik mendorong perkembangan beberapa teknologi yang dapat diaplikasikan di bidang nutrisi.

Beberapa teknik baru itu seperti genomik, proteomik, metabolik dan bioinformatik menjadi solusi untuk menjembatani gap antara nutrisi dan genetik. Telah banyak diketahui bahwa kekurangan pakan, ketidakseimbangan nutrisi dan atau kelebihan pakan memiliki efek yang mendalam, yang dapat menyebabkan memburuknya kesehatan dan performa. Hal ini menunjukkan bahwa, komponen nutrisi dalam pakan mempunyai efek langsung pada proses molekuler yang pada akhirnya dapat merubah ekspresi gen.

Kemajuan dalam ilmu nutrisi menemukan bahwa nutrisi atau metabolitnya dapat mengatur berbagai fungsi tubuh secara langsung atau dengan merangsang atau menonaktifkan regulator tertentu. Oleh karena itu, untuk mempelajari hubungan gen nutrisi atau interaksi antara genomik dan nutrisi, nutrigenomik telah diperkenalkan dalam penelitian bidang nutrisi.

Konsep Nutrigenomik

Nutrigenomik merupakan suatu studi ilmiah yang mempelajari mengenai dinamika, regulasi dan cara dari suatu gen spesifik berinteraksi dengan suatu senyawa atau bioaktif pada suatu makanan tertentu. Menurut Hippocrates, makanan  akan diubah menjadi informasi genetik yang di ekpresikan sehingga memberikan profil metabolisme yang berbeda yang akan berdampak pada pola makan dan kesehatan.

Nutrigenomik adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara faktor genetik dengan nutrisi yang memiliki komposisi spesifik dan yang mampu menginduksi ekspresi gen dalam tubuh. Nutrigenomik merupakan aplikasi genomik dalam pengembangan teknologi baru, seperti transkriptomik, proteomik, metabolomik, dan epigenomik berbasis pada analisis fungsi gen dan ekspresinya.

Nutrigenomik adalah ilmu yang mempelajari hubungan molekuler antara stimulasi nutrisi dan respon dari gen, sehingga akan dapat dipahami tentang bagaimana nutrisi mempengaruhi jalur metabolisme/metabolic pathways dan kontrol homeostasis, bagaimana regulasi ini terganggu pada fase awal dari penyakit yang berhubungan dengan pakan, dan sejauhmana kepekaan genotipe berkontribusi terhadap penyakit tersebut pada individu.

Dilihat dari perspektif nutrigenomik, nutrien merupakan sinyal dari pakan, yang terdekteksi oleh sistem sensor sel, yang mempengaruhi ekspresi gen dan protein, serta produksi metabolit. Meskipun hanya sedikit, penelitian pada interaksi molekuler dari bahan pakan mengindikasikan bahwa ekspresi gen dimodifikasi dari komponen pakan, termasuk di dalamnya makrokomponen (karbohidrat, protein, lemak dan kolesterol), vitamin (diantaranya A, B, E, D), mineral (diantaranya Fe, Se, Ca) dan phytocompounds termasuk flavonoids, isothiocyanates dan indoles.

Ilmu yang mempelajari bagaimana gen dan produk gen berinteraksi dengan komponen kimiawi pakan untuk mengubah fenotip, dan sebaliknya, bagaimana gen dan produk metabolisme nutrisi disebut nutritional genomics atau nutrigenomics. Dilihat dari perspektif nutrigenomik, nutrien merupakan sinyal dari pakan, yang terdekteksi oleh sistem sensor sel, yang mempengaruhi ekspresi gen dan protein, serta produksi metabolit. Tahapan yang krusial dari nutrigenomik adalah transcriptomics, proteomics dan metabolomics.

Interaksi antara Nutrisi dan Gen

Pakan telah lama dianggap sebagai suatu campuran komplek dari substansi alami yang menyediakan energi dan building block untuk perkembangan dan penopang suatu organisme. Disamping hal itu, nutrisi memiliki berbagai aktivitas biologis. Beberapa nutrien ditemukan bertindak sebagai penangkal radikal yang dikenal sebagai antioksidan dan beberapa lainnya terlibat dalam perlindungan terhadap penyakit.

Beberapa nutrien lainnya telah terbukti menjadi molekul pemberi isyarat yang kuat dan bertindak sebagai hormon nutrisi. Beberapa metabolit sekunder dari tanaman yang dikenal sebagai phytochemical bertindak sebagai modulator kesehatan dan produksi pada hewan. Banyak penyakit dan gangguan terkait dengan nutrisi suboptimal dari nutrisi yang esensial, ketidakseimbangan macronutrients, atau konsentrasi toksik senyawa makanan tertentu.

Ada penyakit multietiological yang disebabkan interaksi nutrisi yang berbeda terhadap beberapa gen (Mariman, 2006). Hal ini berdasarkan keragaman luar biasa pada makhluk hidup dalam pencernaan makanan, penyerapan nutrisi, metabolisme, dan ekskresi telah diamati dan penyakit genetik dalam proses ini telah dilaporkan. Integritas fungsional dari gen terutama tergantung pada sinyal metabolik yang diterima nukleus dari faktor internal, misalnya hormon, dan faktor-faktor eksternal, misalnya nutrisi, dimana nutrisi merupakan salah satu yang paling berpengaruh dari rangsangan lingkungan.

Genom berevolusi dalam menanggapi berbagai jenis rangsangan lingkungan, termasuk gizi. Oleh karena itu, ekspresi informasi genetik dapat diatur lebih tinggi oleh, nutrisi, mikronutrien, dan phytochemical yang ditemukan dalam makanan. Nutrigenomic yang mempelajari pengaruh nutrien pada kesehatan melalui perubahan di tingkat genom (gen), transkriptom (mRNA), proteom (protein), metabolom (metabolit) serta perubahannya di tingkat fisiologis.

Aplikasi Nutrigenomik pada Kesehatan dan Nutrisi Ternak

Efek dari variasi genetik ini dipengaruhi oleh lokasi gen tersebut dan ekspresi protein dari gen tersebut dan berefek terhadap proses matobolisme gen-gen terkait (genes cascade). Perubahan dalam gen juga memberikan dampak yang berbeda terhadap populasi (ras) yang berbeda. Susunan DNA tertentu juga memiliki ketahanan terhadap penyakit tertentu.

Oleh karena itu, perkembangan ilmu nutrigenomik merupakan momen yang krusial untuk merevolusi pemahaman manusia terhadap apa yang dimakannya. Beberapa komponen nutrisi essensial juga dapat mempengaruhi perubahan aktivitas gen dan kesehatan, seperti karbohidrat, asam amino, asam lemak, kalsium, zinc, selenium, folate dan Vitamin A, C & E, dan juga komponen bioaktif non-essesial mempengaruhi secara signifikan terhadap kesehatan.

Sampai saat ini, hampir 1000 gen penyakit manusia sudah teridentifikasi, 97% diantaranya diketahui sebagai penyebab penyakit monogenik (artinya mutasi di satu gen saja sudah cukup untuk menjelaskan penyebab penyakit). Pada beberapa penyakit monogenik, modifikasi asupan makanan dapat mencegah munculnya gejala klinis. Nutritional genomic menjanjikan terciptanya sejumlah rekomendasi diet sebagai hasil penelitian yang mendalam tentang interaksi nutrien-gen. Rekomendasi diet yang diharapkan adalah yang sesuai dengan pola variasi genetik individual (nutrisi individual= personalized nutrition) sehingga dapat diterapkan sebagai nutrisi pencegahan terhadap timbulnya penyakit kronik.

Penemuan mutakhir menyatakan bahwa efek sehat dari komponen makanan sebagian besar berhubungan dengan interaksi spesifik pada tingkat molekular yaitu partisipasi komponen diet dalam pengaturan ekspresi gen dengan mengubah aktifitas faktor transkripsi, atau melalui sekresi hormon yang mengganggu faktor transkripsi (Gambar 1).

Gambar 1: Skema interaksi nutrien-gen. (Dikutip dari Gillies PJ, J Am Diet Assoc 2003;103:S52)

Nutrisi tidak hanya bertindak sebagai substrat untuk metabolisme tetapi dapat juga mempengaruhi proses yang berlangsung secara bersinambungan dari (Dikutip dari Go et al J. Nutr. 135: 3016S–3020S, 2005)6 genom ke transkriptom ke proteom (genotip) ke fenotip (Dikutip dari Go dkk J. Nutr. 135: 3016S–3020S, 2005)6

Nutrigenomics adalah analisis prospektif untuk mengetahui peranan berbagai zat gizi dalam mengatur ekspresi gen. Berbagai teknologi genomik canggih antara lain DNA microarray, RT- PCR (Real Time-Polymerase Chain Reaction), dan lain-lain diterapkan untuk menelitii efek zat gizi pada tingkat genom, transkriptom, proteom dan metabolom (Gambar 2).

Gambar 2: Teknologi yang digunakan pada genomik, transkriptomik, proteomik dan metabolomik
untuk mempelajari respons selular terhadap perubahan lingkungan nutrisional.

Nutrigenomics sebagai ilmu pengetahuan temuan, bertujuan memahami pengaruh nutrisi terhadap jaras metabolisme, pengendalian homeostasis serta bagaimana pengaturan ini terganggu pada penyakit yang berkaitan dengan diet.

Studi ekspresi gen dapat digunakan untuk identifikasi jalur/pathway dan kandidat gen yang berpengaruh terhadap sifat ekonomis. Nutrisi dan genetik sangat mempengaruhi performa reproduksi hewan perah. Hal ini sangat penting selama masa transisi dan menyusui dini, ketika hewan tersebut sangat sensitif terhadap ketidakseimbangan gizi.

Nutrigenomik dapat digunakan untuk memahami bagaimana managemen nutrisi dapat diterapkan untuk mengatasi penyakit, performa dan produktivitas pada ternak. Dalam perjalannya pada penelitian nutrigenomik pada ternak ruminansia, tujuan nutrigenomik adalah untuk mempelajari pengaruh pakan pada perubahan ekspresi gen atau proses regulasi yang mungkin terkait dengan berbagai proses biologi yang berkaitan dengan kesehatan hewan dan produksi.

Dalam studi pada sapi pejantan yang mendapat nutrisi terbatas karena asupan pakan yang buruk, hal ini berefek pada ekspresi gen tertentu yang berhubungan dengan turnover protein, cytoskeletal remodeling dan metabolic homeostasis (Byrne, et.al., 2005).

Ada beragam informasi tentang pengaruh pakan pada ekspresi gen yang terkait dengan sifat produktif atau reproduksi ternak. Sebuah penelitian menyatakan bahwa kekurangan selenium dalam ransum pakan akan mengubah sintesis protein pada level transcriptional (Rao, et.al, 2001). Hal ini menyebabkan efek samping seperti efek peningkatan dari stres melalui peningkatan regulasi ekspresi gen spesifik dan signal pathway.

Di sisi lain, gen yang bertanggung jawab untuk mekanisme detoksifikasi dan perlindungan dari kerusakan oksidatif terhambat, konsekuensi ini akhirnya mengarah pada perubahan ekspresi fenotipik gejala terkait defisiensi selenium.

Dari contoh di atas terlihat bahwa, mungkin nutrigenomik dapat digunakan untuk mengidentifikasi penanda khusus untuk memanipulasi ekspresi gen melalui penggunaan nutrisi atau kombinasi keduanya, sehingga dapat meningkatkan kinerja hewan produktif serta keseluruhan. Penemuan penanda gen yang berkaitan dengan sifat-sifat ekonomis penting pada ternak seperti susu, daging, produksi wol dll. Ekspresinya dapat ditingkatkan dengan pengaturan pakan merupakan kajian penelitian nutrigenomik yang akan membantu untuk meningkatkan produksi ternak yang berkelanjutan.

Oleh: Ayu Septi Anggraeni

Penulis adalah Kandidat Peneliti Bidang Bioteknologi Peternakan dan Ilmu Ternak, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)

e-mail:  ayu.anggraeni07@gmail.com atau ayus001@lipi.go.id