Mutasi Non-acak: Tantangan Baru bagi Evolusi

Mutasi adalah perubahan urutan DNA. Mutasi dapat terjadi akibat kesalahan penyalinan DNA yang dilakukan selama pembelahan sel, paparan radiasi pengion, paparan bahan kimia yang disebut mutagen, atau infeksi virus. Mutasi germ line terjadi pada sel telur dan sperma dan dapat diturunkan kepada keturunannya, sedangkan mutasi somatik terjadi pada sel tubuh dan tidak diturunkan.^[1]

Sejak paruh pertama abad kedua puluh, teori evolusi telah didominasi oleh gagasan bahwa mutasi terjadi secara acak sehubungan dengan konsekuensinya.^[2] Terjadinya mutasi secara acak sehubungan dengan konsekuensinya adalah aksioma yang menjadi sandaran banyak teori biologi dan evolusi. Proposisi sederhana ini memiliki efek mendalam pada model evolusi yang dikembangkan sejak Sintesis modern, membentuk cara para ahli biologi memikirkan dan mempelajari keragaman genetik selama abad yang lalu. Dari pandangan ini, misalnya, pengamatan umum bahwa varian genetik lebih jarang ditemukan di wilayah genom yang dibatasi secara fungsional diyakini hanya disebabkan oleh seleksi setelah mutasi acak. Paradigma ini telah dipertahankan dengan argumen teoretis dan praktis: bahwa seleksi pada tingkat mutasi gene-level tidak dapat mengatasi pergeseran genetik; bahwa bukti sebelumnya dari pola mutasi non-acak bergantung pada analisis populasi alam yang dikacaukan oleh efek seleksi alam; dan bahwa proposal bias mutasi adaptif masa lalu belum dibingkai dalam konteks mekanisme potensial yang dapat mendukung mutasi non-acak tersebut.^[3-6]

Pada tanggal 12 Januari 2022 kemarin, sekelompok peneliti menemukan bahwa perubahan genetik yang muncul dalam DNA organisme mungkin tidak sepenuhnya acak. Hal tersebut akan menjungkirbalikkan salah satu asumsi kunci teori evolusi, bahwa mutasi selalu acak. Para peneliti tersebut mempelajari mutasi genetik pada gulma pinggir jalan yang umum, thale cress (Arabidopsis thaliana), mereke menemukan bahwa tanaman tersebut dapat melindungi gen yang paling “penting” dalam DNA-nya dari perubahan, sementara meninggalkan bagian lain dari genomnya untuk membangun lebih banyak perubahan.^[7]

“Saya benar-benar terkejut dengan mutasi non-acak yang kami temukan, sejak SMA biologi, saya diberitahu bahwa mutasi itu acak.” kata peneliti utama Gray Monroe, ahli botani dari University of California, dikutip dari Live Science.^[8]

Kesalahan DNA

Ada banyak kemungkinan mutasi genetik dan bahkan kesalahan terjadi selama kehidupan suatu organisme.

“DNA adalah molekul rapuh; rata-rata, DNA dalam satu sel rusak antara 1.000 dan 1 juta kali setiap hari, DNA juga harus disalin setiap kali sel membelah, yang dapat menyebabkan kesalahan penyalinan.” kata Monroe, dikutip dari Live Science.

Beruntung bagi manusia dan semua organisme lain, sel-sel kita dapat menangkal banyak kerusakan ini. “Sel kami bekerja terus-menerus untuk memperbaiki DNA dan telah mengembangkan mesin molekuler kompleks, protein perbaikan DNA, untuk mencari kesalahan dan melakukan perbaikan,” kata Monroe.

Namun, protein perbaikan DNA bukanlah solusi yang sangat mudah dan tidak dapat memperbaiki semua kesalahan. “Jika kerusakan atau kesalahan penyalinan tidak diperbaiki, mereka menyebabkan mutasi, perubahan urutan DNA,” kata Monroe.

Ada dua jenis utama mutasi: mutasi somatik, yang tidak dapat diturunkan kepada keturunannya, dan mutasi germline, di mana keturunan dapat mewarisi kesalahan DNA dari gen yang bermutasi pada induknya. Mutasi germline adalah apa yang memicu evolusi melalui seleksi alam dan menjadi lebih atau kurang umum dalam suatu populasi berdasarkan bagaimana mereka mempengaruhi kemampuan pembawa untuk bertahan hidup.

Tidak semua mutasi memiliki potensi untuk mengubah peluang organisme untuk bertahan hidup. Mutasi menyebabkan perubahan besar pada suatu organisme hanya ketika terjadi pada gen — bagian DNA yang mengkode protein tertentu. Sebagian besar genom manusia terbuat dari DNA non-gen, kata Monroe.

Pola non-acak

Dalam studi terbaru tersebut, para peneliti memutuskan untuk menguji keacakan mutasi dengan menyelidiki apakah mutasi terjadi secara merata antara daerah gen dan non-gen DNA dalam genom tanaman Thale cress.

Thale cress adalah “organisme model hebat” untuk mempelajari mutasi karena genomnya hanya memiliki sekitar 120 juta pasangan basa (sebagai perbandingan, genom manusia memiliki 3 miliar pasangan basa), yang membuatnya lebih mudah untuk mengurutkan DNA tanaman. Ini juga memiliki rentang hidup yang sangat pendek, yang berarti bahwa mutasi dapat dengan cepat terakumulasi di beberapa generasi, kata Monroe.

Selama tiga tahun, para peneliti menumbuhkan ratusan tanaman dalam kondisi laboratorium selama beberapa generasi. Secara total, para peneliti mengurutkan 1.700 genom dan menemukan lebih dari 1 juta mutasi. Tetapi ketika mereka menganalisis mutasi ini, mereka menemukan bahwa bagian genom yang mengandung gen memiliki tingkat mutasi yang jauh lebih rendah daripada daerah non-gen.

“Kami pikir kemungkinan organisme lain juga memiliki mutasi genetik non-acak,” kata Monroe. “Kami sebenarnya telah menindaklanjuti penelitian kami dengan menyelidiki pertanyaan ini pada spesies lain dan menemukan hasil yang menunjukkan mutasi non-acak tidak unik pada Arabidopsis.”

Namun, para peneliti menduga bahwa tingkat non-keacakan di antara spesies yang berbeda mungkin tidak sama.

Melindungi Gen penting

Pola non-acak dalam mutasi antara daerah gen dan non-gen DNA menunjukkan bahwa ada mekanisme pertahanan untuk mencegah mutasi yang berpotensi membawa bencana.

“Dalam gen yang mengkode protein penting untuk kelangsungan hidup dan reproduksi, mutasi kemungkinan besar memiliki efek berbahaya, berpotensi menyebabkan penyakit dan bahkan kematian,” kata Monroe. “Hasil kami menunjukkan bahwa gen, dan gen esensial khususnya, mengalami tingkat mutasi yang lebih rendah daripada daerah non-gen di Arabidopsis. Hasilnya adalah keturunan memiliki peluang lebih rendah untuk mewarisi mutasi berbahaya.”

Para peneliti menemukan bahwa untuk melindungi diri mereka sendiri, gen esensial mengirimkan sinyal khusus ke protein perbaikan DNA. Sinyal ini tidak dilakukan oleh DNA itu sendiri tetapi oleh histon, protein khusus yang membungkus DNA untuk membentuk kromosom.

“Berdasarkan hasil penelitian kami, kami menemukan bahwa daerah gen, terutama untuk gen yang paling penting secara biologis, melilit histon dengan tanda kimia tertentu,” kata Monroe. “Kami pikir tanda kimia ini bertindak sebagai sinyal molekuler untuk mempromosikan perbaikan DNA di wilayah ini.”

Ide histones memiliki penanda kimia yang unik bukanlah hal baru, kata Monroe. Studi sebelumnya tentang mutasi pada pasien kanker juga menemukan bahwa penanda kimia ini dapat mempengaruhi apakah protein perbaikan DNA memperbaiki mutasi dengan benar, tambahnya.

Namun, ini adalah pertama kalinya penanda kimia ini terbukti memengaruhi pola mutasi di seluruh genom dan, sebagai hasilnya, evolusi melalui seleksi alam.

Implikasi potensial

Para peneliti berharap temuan mereka pada akhirnya dapat digunakan untuk membuat perbaikan dalam pengobatan manusia.

“Mutasi mempengaruhi kesehatan manusia dalam banyak hal, menjadi penyebab kanker, penyakit genetik dan penuaan,” kata Monroe. Mampu melindungi daerah genom tertentu dari mutasi dapat membantu mencegah atau mengobati masalah ini, tambahnya.

Namun, penelitian lebih lanjut tentang genom hewan diperlukan sebelum peneliti dapat mengetahui apakah mutasi non-acak yang sama terjadi pada manusia. “Penemuan kami dibuat pada tanaman dan tidak memunculkan pengobatan baru,” kata Monroe, “tetapi mereka mengubah pemahaman mendasar kita tentang mutasi dan menginspirasi banyak arah penelitian baru.”

Para peneliti juga berpikir bahwa sinyal kimia yang dilepaskan oleh gen esensial dapat digunakan untuk meningkatkan teknologi penyuntingan gen yang dapat membantu kita menciptakan tanaman yang lebih bergizi dan tahan terhadap perubahan iklim, kata Monroe.

Temuan ini memiliki potensi untuk sepenuhnya mengubah cara kita berpikir tentang mutasi dan evolusi.^[9]

Lalu apa?

Apakah karena penelitian terbaru ini, teori evolusi akan salah? Jawabannya tentu saja tidak. Ini merupakan penemuan besar di tahun 2022 ini, dan mungkin akan mengubah isi buku biologi sekolah. Namun tentu saja, klaim besar memerlukan bukti yang besar pula, kita masih akan menunggu hasil penelitian terbaru apakah mutasi non acak hanya terjadi pada spesies tertentu atau tidak, siapkan sabuk pengaman.

DAFTAR PUSTAKA

1. Mutation. National Human Genome Research Institute [https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mutation]
2. Futuyma, D. J. (1986). Evolutionary Biology 2nd. (Massachusetts: Sinauer Association)
3. Lynch, M., Ackerman, M. S., Gout, J. F., Long, H., Sung, W., Thomas, W. K., & Foster, P. L. (2016). Genetic drift, selection and the evolution of the mutation rate. Nature Reviews Genetics, 17(11): 704-714.
4. Stoletzki, N., & Eyre-Walker, A. (2011). The Positive Correlation between d N/d S and d S in Mammals Is Due to Runs of Adjacent Substitutions. Molecular biology and evolution, 28(4): 1371-1380.
5. Hodgkinson, A., & Eyre-Walker, A. (2011). Variation in the mutation rate across mammalian genomes. Nature reviews genetics, 12(11): 756-766.
6. Chen, X., & Zhang, J. (2013). No gene-specific optimization of mutation rate in Escherichia coli. Molecular biology and evolution, 30(7): 1559-1562.
7. Monroe, J.G., Srikant, T., Carbonell-Bejerano, P. et al. (2022). Mutation bias reflects natural selection in Arabidopsis thaliana. Nature [https://www.nature.com/articles/s41586-021-04269-6]
8. Baker, H. (2022). New study provides first evidence of non-random mutations in DNA. Live Science [https://www.livescience.com/non-random-dna-mutations]
9. Ormiston, S. (2022). Genetic mutations may not be random. Front Line Genomics [https://frontlinegenomics.com/genetic-mutations-may-not-be-random/]