Informasi Sains Hari Ini

Rekonstruksi Kromosom Kuno Menawarkan Pengetahuan Tentang Evolusi Mamalia

Peneliti telah kembali pada waktunya, setidaknya secara virtual, menghitung ulang kromosom mamalia eutheria pertama, nenek moyang manusia mamalia yang telah lama punah dan tidak dikenal.

"Angka pada cabang merah dari nenek moyang eutheria pertama Homo sapiens adalah jumlah breakpoint dalam fragment kromosom leluhur yang telah direkonstruksi. Breakpoint adalah lokasi dimana kromosom terbuka, memungkinkan untuk penataan ulang. Jumlah Breakpoint per juta tahun ada dalam tanda kurung. Sebanyak 162 breakpoint kromosom diidentifikasi antara nenek moyang eutheria dan pembentukan manusia sebagai spesies." Kredit : Harris Lewin, UC Davis

Bagaimana jika peneliti bisa kembali dalam waktu 105 juta tahun dan secara akurat mengurutkan kromosom mamalia plasenta pertama? Apa yang akan diungkapkannya tentang evolusi dan mamalia modern , termasuk manusia?

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan minggu ini di Prosiding National Academy of Sciences, para peneliti telah kembali pada waktunya, setidaknya secara virtual, menghitung ulang kromosom mamalia eutherian pertama, nenek moyang manusia mamalia yang telah lama punah dan tidak dikenal.

"Revolusi dalam sekuensing DNA telah memberi kita cukup banyak kluster genom kromosom untuk mengizinkan rekonstruksi komputasi nenek moyang eutheria, serta nenek moyang kunci lainnya sepanjang garis keturunan yang mengarah ke manusia modern, " kata Harris Lewin, seorang penulis utama Studi dan profesor evolusi dan ekologi serta Robert dan Rosabel Osborne Endowed Chair di University of California, Davis.

"Kami sekarang memahami langkah-langkah utama evolusi kromosom yang mengarah kepada organisasi genom lebih dari separuh tatanan mamalia yang ada. Studi ini akan memungkinkan kita untuk menentukan peran penyusunan ulang kromosom  dalam pembentukan spesies mamalia baru dan bagaimana penatan ulang tersebut dihasilkan. Dalam perubahan adaptif yang spesifik untuk garis keturunan mamalia yang berbeda, " kata Lewin.

Temuan ini juga memiliki implikasi luas untuk memahami bagaimana penataan ulang kromosom selama jutaan tahun dapat berkontribusi pada penyakit manusia, seperti kanker.

"Dengan mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang hubungan antara titik balik evolusioner dan titik balik kanker, ciri molekul kromosom yang penting yang menyebabkan ketidakstabilannya dapat terungkap," kata Lewin. "Studi kami dapat diperluas untuk deteksi dini kanker dengan mengindetifikasi penataan ulang kromosom diagnostik pada manusia dan hewan lainnya, dan mungkin target baru untuk terapi personal".

Kromosom Descrambling

Untuk menciptakan kembali kromosom kerabat purba ini, tim memulai genom berurutan dari 19 mamalia plasenta yang ada - semua keturunan eutherian - termasuk manusia, kambing, anjing, orangutan, sapi, tikus dan simpanse dan lainnya.

Para peneliti kemudian memanfaatkan algoritma baru yang mereka kembangkan yang disebut DESCHRAMBLER. Algoritma menghitung ("descrambled") urutan dan orientasi yang paling mungkin dari 2.404 fragmen kromosom yang umum ditemukan di antara genom mamalia 19 plasenta.

"Ini adalah analisis terbesar dan paling komprehensif yang pernah dilakukan sampai saat ini, dan DESCHRAMBLER terbukti menghasilkan rekonstruksi yang sangat akurat dengan menggunakan simulasi data dan dengan membandingkannya dengan alat rekonstruksi lainnya," kata Jian Ma, co-senior penulis studi dan seorang profesor asosiasi Biologi komputasional di Carnegie Mellon University di Pittsburgh.

Selain nenek moyang eutheria, rekonstruksi dibuat untuk enam genom leluhur lainnya di pohon evolusi manusia: boreoeutherian, euarchontoglires, simian (primata), catarrhini (monyet purba), kera besar (great apes)  dan simpanse. Rekonstruksi memberikan gambaran rinci tentang berbagai perubahan kromosom - translokasi, inversi, fisi dan penataan ulang kompleks lainnya - yang telah terjadi selama 105 juta tahun antara mamalia pertama dan Homo sapiens.

Tingkat Evolusi yang Berbeda-beda

Salah satu penemuannya adalah bahwa nenek moyang eutheria pertama kemungkinan memiliki 42 kromosom, kurang empat dari manusia. Peneliti mengidentifikasi 162 breakpoint kromosom - lokasi dimana kromosom terbuka, memungkinkan penataan ulang - antara nenek moyang eutheria dan pembentukan manusia sebagai spesies.

Tingkat evolusi kromosom nenek moyang sangat berbeda di antara garis keturunan mamalia yang berbeda. Tapi beberapa kromosom tetap stabil sepanjang waktu. Sebagai contoh, enam dari kromosom nenek moyang eutheria yang direkontruksi tidak menunjukan penataan ulang selama hampir 100 juta tahun sampai munculnya nenek moyang manusia dan simpanse secara bersamaan.

Kromosom orangutan ditemukan paling lambat berkembang dari semua primata dan masih mempertahankan delapan kromosom yang tidak banyak berubah sehubungan dengan orientasi orde gen dibandingkan dengan nenek moyang eutheria. Sebaliknya, garis keturunan yang mengarah ke simpanse memiliki tingkat penataan kromosom tertinggi di antara primata.

"Ketika kromosom mengatur ulang, gen baru dan elemen regulator dapat terbentuk dan merubah regulasi ekspresi ratusan gen, atau lebih. Setidaknya mungkin kejadian adalah penyebab atas perbedaan utama fenotipik yang kita amati diantara mamalia," kata Denis. Larkin, penulis senior pada studi ini dan pembaca genomik komparatif di Royal Veterinary College di University of London.

Kromosom dari tiga nenek moyang tertua (eutherian, boreoeutherian, dan euarchontoglires) masing-masing ditemukan mencakup lebih dari 80 persen keseluruhan genom manusia, rekonstruksi paling rinci yang dilaporkan sampai saat ini. Kromosom yang direkonstruksi dari nenek moyang simian yang paling baru, katarrhini, kera besar (great apes), manusia dan simpanse mencakup lebih dari 90 persen urutan genom manusia, memberikan kerangka struktural untuk memahami evolusi primata.

Sumber Penelitian :

Bahan yang disediakan oleh University of California - Davis.

Referensi Jurnal :

Jaebum Kim dkk. Rekonstruksi dan sejarah evolusi kromosom eutherian. PNAS, 2017 DOI: 10.1073/ pnas. 1702012114