Dari Paus Biru Hingga Cacing Tanah, Mekanisme Umum Memberi Bentuk bagi Mahkluk Hidup

Sistem ini adalah jam "mekanik" pertama yang pernah ditemukan dalam genetika. Dan ini menjelaskan mengapa sistem begitu sangat tepat.

Mengapa tangan kita tidak tumbuh di tengah tubuh kita? Pertanyaan ini tidak sesederhana yang terlihat. Vertebra, tungkai, tulang rusuk, tulang ekor … hanya dalam dua hari, semua elemen ini mengambil tempatnya masing-masing pada embrio, di tempat yang tepat dan dengan ketepatan jam Swiss. Penasaran dengan keandalan yang luar biasa dari mekanisme ini, para ahli biologi telah lama bertanya-tanya bagaimana cara kerjanya. Sekarang, para peneliti dari EPFL (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne) dan Universitas Jenewa (Unige) telah memecahkan misteri itu.

Penemuan mereka ini dipublikasikan dalam jurnal Science, 13 Oktober 2011.

Embrio membangun satu lapisan pada suatu waktu

Selama pengembangan embrio, semuanya terjadi pada waktu tertentu. Pada sekitar 48 jam, ia akan bertumbuh dari atas ke bawah, satu irisan pada suatu waktu – para ilmuwan menyebutnya sebagai segmentasi embrio. “Kita terdiri dari tiga puluh irisan horisontal,” jelas Denis Duboule, seorang profesor di EPFL dan Unige. “Irisan-irisan ini lebih atau kurang sesuai dengan jumlah tulang yang kita miliki.”

Setiap setengah jam, segmen baru dibangun. Gen-gen yang sesuai dengan vertebra servikal, vertebra torakalis, tulang belakang lumbal dan tulang selangka menjadi aktif pada saat yang tepat satu demi satu. “Jika waktunya tidak mengikuti suratan tersebut, Anda akan berakhir dengan rusuk yang keluar dari vertebra lumbal Anda,” lelucon Duboule. Bagaimana gen tahu untuk memulai sendiri ke dalam tindakan yang sinkron dengan sedemikian rupa sempurna? “Kami berasumsi bahwa DNA memainkan peran seperti jam. Tapi kami tidak paham bagaimana.”

Ini adalah diagram dari mekanisme untuk pembentukan. Paus biru dan cacing tanah memiliki mekanisme pembentukan biologis yang sama. Para peneliti EPFL telah menemukan rahasianya. (Kredit: Pascal Coderay, EPFL)

Ketika DNA bertindak seperti jam mekanik

Gen yang sangat spesifik, yang dikenal sebagai “Hox”, terlibat dalam proses ini. Bertanggung jawab dalam pembentukan anggota badan dan kolom tulang belakang, mereka memiliki karakteristik yang luar biasa. “Gen-gen Hox terletak persis setelah satu sama yang lainnya pada strain DNA, dalam empat kelompok. Pertama leher, kemudian dada, lalu lumbalis, dan sebagainya,” jelas Duboule. “Pengaturan yang unik ini pasti memainkan peran.”

Prosesnya sungguh sederhana. Pada momen pertama embrio, gen-gen Hox yang tidak aktif, dikemas seperti benang spul pada DNA. Ketika waktunya tepat, strain mulai bersantai. Ketika embrio mulai membentuk tingkat atas, gen menyandikan pembentukan vertebra serviks keluar dari spul dan menjadi aktif. Kemudian giliran vertebra torakalis, dan begitu seterusnya sampai ke tulang selangka. Strain DNA bertindak sedikit seperti punchcard komputer kuno, memberi instruksi khusus seolah secara progresif berjalan melalui mesin.

“Sebuah gen baru keluar dari spul setiap sembilan puluh menit, sesuai dengan waktu yang diperlukan untuk lapisan baru embrio dibangun,” jelas Duboule. “Butuh dua hari bagi strain untuk benar-benar bersantai, ini adalah waktu yang sama dengan yang dibutuhkan semua lapisan embrio selesai terbentuk.”

Sistem ini adalah jam “mekanik” pertama yang pernah ditemukan dalam genetika. Dan ini menjelaskan mengapa sistem begitu sangat tepat.

Penemuan ini merupakan hasil dari kerja selama bertahun-tahun. Di bawah arahan Duboule dan Daniel Noordermeer, tim riset menganalisis ribuan gulungan gen Hox. Dengan bantuan dari Institut Swiss untuk Bioinformatika, para ilmuwan mampu menyusun sejumlah besar data dan model struktur spul.

Ular: garis perakitan vertebral

Proses yang ditemukan di EPFL dibagi berdasarkan pada berbagai makhluk hidup, dari manusia hingga beberapa jenis cacing, dari paus biru hingga serangga. Struktur semua hewan-hewan ini – distribusi vertebra, tungkai dan lampiran lainnya di sepanjang tubuh mereka – diprogram seperti lembaran musik piano oleh urutan gen Hox di sepanjang untai DNA.

Tubuh ular yang berliku-liku adalah ilustrasi yang sempurna. Beberapa tahun yang lalu, Duboule menemukan adanya kecacatan gen Hox pada hewan ini, yang biasanya menghentikan proses pembuatan vertebra.

“Sekarang kami tahu apa yang terjadi. Proses ini tidak berhenti, dan embrio ular hanya terus membuat tulang belakang, semuanya identik, sampai akhirnya proses kehabisan uapnya.”

Jam Hox mendemonstrasi kompleksitas evolusi yang luar biasa. Salah satu properti penting dari mekanisme stabilitas yang ekstrim, jelas Duboule. “Jam sirkadian atau menstruasi melibatkan kimiawi yang kompleks. Mereka dapat beradaptasi dengan konteks perubahan, tapi dalam pengertian umum yang cukup tepat. Mekanisme yang telah kami temukan ini jauh lebih stabil dan tepat. Bahkan perubahan terkecil akan berakhir menuju munculnya spesies baru.”

Kredit: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Jurnal: D. Noordermeer, M. Leleu, E. Splinter, J. Rougemont, W. De Laat, D. Duboule. The Dynamic Architecture of Hox Gene Clusters. Science, 2011; 334 (6053): 222 DOI: 10.1126/science.1207194

faktailmiah.com