Ketika Proyek Genom Manusia mengumumkan bahwa mereka telah menyelesaikan genom manusia pertama pada tahun 2003, itu adalah pencapaian penting — untuk pertama kalinya, cetak biru DNA kehidupan manusia dibuka. Tapi itu datang dengan tangkapan - mereka tidak benar-benar mampu mengumpulkan semua informasi genetik dalam genom. Ada celah: wilayah yang tidak terisi, seringkali berulang yang terlalu membingungkan untuk disatukan.
Dengan kemajuan teknologi yang dapat menangani urutan berulang ini, para ilmuwan akhirnya mengisi celah tersebut pada Mei 2021 , dan genom manusia ujung-ke-ujung pertama secara resmi diterbitkan pada 31 Maret 2022 .
Saya seorang ahli biologi genom yang mempelajari urutan DNA berulang dan bagaimana mereka membentuk genom sepanjang sejarah evolusi. Saya adalah bagian dari tim yang membantu mengkarakterisasi urutan berulang yang hilang dari genom. Dan sekarang, dengan genom manusia yang benar-benar lengkap, wilayah berulang yang tidak terungkap ini akhirnya dieksplorasi secara penuh untuk pertama kalinya.
Potongan Puzzle yang Hilang
Ahli botani Jerman Hans Winkler menciptakan kata " genom " pada tahun 1920, menggabungkan kata "gen" dengan akhiran "-ome," yang berarti "set lengkap," untuk menggambarkan urutan DNA lengkap yang terkandung dalam setiap sel. Para peneliti masih menggunakan kata ini seabad kemudian untuk merujuk pada materi genetik yang membentuk suatu organisme.
Salah satu cara untuk menggambarkan seperti apa genom adalah dengan membandingkannya dengan buku referensi. Dalam analogi ini, genom adalah antologi yang berisi instruksi DNA untuk kehidupan. Ini terdiri dari array yang luas dari nukleotida (huruf) yang dikemas ke dalam kromosom (bab). Setiap kromosom mengandung gen (paragraf) yang merupakan daerah DNA yang mengkode protein spesifik yang memungkinkan suatu organisme berfungsi.
Sementara setiap organisme hidup memiliki genom, ukuran genom itu bervariasi dari spesies ke spesies. Seekor gajah menggunakan bentuk informasi genetik yang sama seperti rumput yang dimakannya dan bakteri di ususnya. Tetapi tidak ada dua genom yang benar-benar mirip. Beberapa pendek, seperti genom bakteri penghuni serangga Nasuia deltocephalinicola dengan hanya 137 gen di 112.000 nukleotida. Beberapa, seperti 149 miliar nukleotida tanaman berbunga Paris japonica , sangat panjang sehingga sulit untuk mengetahui berapa banyak gen yang terkandung di dalamnya.
Tetapi gen seperti yang selama ini dipahami secara tradisional – sebagai rangkaian DNA yang mengkode protein – hanyalah sebagian kecil dari genom suatu organisme. Faktanya, mereka membentuk kurang dari 2 persen DNA manusia .
Genom manusia mengandung kira-kira 3 miliar nukleotida dan hanya di bawah 20.000 gen penyandi protein — diperkirakan 1 persen dari total panjang genom. Sisanya 99 persen adalah urutan DNA non-coding yang tidak menghasilkan protein. Beberapa adalah komponen pengatur yang berfungsi sebagai papan tombol untuk mengontrol cara kerja gen lain. Lainnya adalah pseudogen , atau peninggalan genom yang telah kehilangan kemampuannya untuk berfungsi.
Dan lebih dari setengah genom manusia berulang, dengan banyak salinan dari urutan yang hampir identik.
Apa itu DNA Repetitif?
Bentuk paling sederhana dari DNA berulang adalah blok DNA yang berulang-ulang secara bersamaan yang disebut satelit . Sementara berapa banyak DNA satelit yang dimiliki genom tertentu bervariasi dari orang ke orang, mereka sering mengelompok ke ujung kromosom di daerah yang disebut telomer . Daerah ini melindungi kromosom dari degradasi selama replikasi DNA. Mereka juga ditemukan di sentromer kromosom, wilayah yang membantu menjaga informasi genetik tetap utuh saat sel membelah.
Para peneliti masih kekurangan pemahaman yang jelas tentang semua fungsi DNA satelit. Tetapi karena DNA satelit membentuk pola unik pada setiap orang, ahli biologi forensik dan silsilah menggunakan "sidik jari" genomik ini untuk mencocokkan sampel TKP dan melacak leluhur. Lebih dari 50 kelainan genetik terkait dengan variasi DNA satelit, termasuk penyakit Huntington .
Jenis lain dari DNA berulang yang melimpah adalah elemen transposabel , atau urutan yang dapat bergerak di sekitar genom.
Beberapa ilmuwan telah menggambarkan mereka sebagai DNA egois karena mereka dapat memasukkan diri mereka sendiri di mana saja dalam genom, terlepas dari konsekuensinya. Ketika genom manusia berevolusi, banyak sekuens transposabel mengumpulkan mutasi yang menekan kemampuan mereka untuk bergerak untuk menghindari interupsi berbahaya. Tetapi beberapa kemungkinan masih bisa bergerak. Misalnya, penyisipan elemen transposabel terkait dengan sejumlah kasus hemofilia A , kelainan perdarahan genetik.
Tapi elemen transposable tidak hanya mengganggu. Mereka dapat memiliki fungsi pengaturan yang membantu mengontrol ekspresi urutan DNA lainnya. Ketika mereka terkonsentrasi di sentromer , mereka juga dapat membantu menjaga integritas gen yang mendasar bagi kelangsungan hidup sel.
Mereka juga dapat berkontribusi pada evolusi. Para peneliti baru-baru ini menemukan bahwa penyisipan elemen transposabel ke dalam gen yang penting untuk perkembangan mungkin menjadi alasan mengapa beberapa primata, termasuk manusia, tidak lagi memiliki ekor . Penataan ulang kromosom karena elemen transposabel bahkan terkait dengan asal usul spesies baru seperti siamang di Asia Tenggara dan walabi Australia .
Menyelesaikan Puzzle Genomic
Sampai saat ini, banyak dari wilayah kompleks ini dapat dibandingkan dengan sisi jauh bulan: diketahui ada, tetapi tidak terlihat.
Ketika Proyek Genom Manusia pertama kali diluncurkan pada tahun 1990, keterbatasan teknologi membuat mustahil untuk sepenuhnya mengungkap daerah berulang dalam genom. Teknologi sekuensing yang tersedia hanya dapat membaca sekitar 500 nukleotida pada satu waktu, dan fragmen-fragmen pendek ini harus tumpang tindih satu sama lain untuk membuat ulang sekuens penuh. Para peneliti menggunakan segmen yang tumpang tindih ini untuk mengidentifikasi nukleotida berikutnya dalam urutan, secara bertahap memperluas perakitan genom satu fragmen pada satu waktu.
Daerah celah yang berulang ini seperti menyusun 1.000 bagian teka-teki dari langit yang mendung: Ketika setiap bagian terlihat sama, bagaimana Anda tahu di mana satu awan mulai dan yang lain berakhir? Dengan bentangan tumpang tindih yang hampir identik di banyak tempat, pengurutan genom sepenuhnya demi sedikit menjadi tidak mungkin dilakukan. Jutaan nukleotida tetap tersembunyi dalam iterasi pertama genom manusia.
Sejak itu, tambalan urutan secara bertahap mengisi celah genom manusia sedikit demi sedikit. Dan pada tahun 2021, Konsorsium Telomere-to-Telomere (T2T) , sebuah konsorsium ilmuwan internasional yang bekerja untuk menyelesaikan perakitan genom manusia dari ujung ke ujung, mengumumkan bahwa semua celah yang tersisa akhirnya terisi .
Ini dimungkinkan oleh peningkatan teknologi sekuensing yang mampu membaca sekuens yang lebih panjang dengan panjang ribuan nukleotida. Dengan lebih banyak informasi untuk menempatkan urutan berulang dalam gambar yang lebih besar, menjadi lebih mudah untuk mengidentifikasi tempat yang tepat dalam genom. Seperti menyederhanakan teka-teki 1.000 keping menjadi teka-teki 100 keping, urutan yang dibaca panjang memungkinkan untuk merakit wilayah berulang yang besar untuk pertama kalinya.
Dengan meningkatnya kekuatan teknologi pengurutan DNA yang telah lama dibaca, ahli genetika diposisikan untuk menjelajahi era baru genomik, menguraikan urutan berulang yang kompleks di seluruh populasi dan spesies untuk pertama kalinya. Dan genom manusia yang lengkap dan bebas celah menyediakan sumber daya yang tak ternilai bagi para peneliti untuk menyelidiki daerah berulang yang membentuk struktur dan variasi genetik, evolusi spesies, dan kesehatan manusia.
Tapi satu genom lengkap tidak menangkap semuanya. Upaya terus dilakukan untuk menciptakan referensi genomik beragam yang sepenuhnya mewakili populasi manusia dan kehidupan di Bumi . Dengan referensi genom "telomer-ke-telomer" yang lebih lengkap, pemahaman para ilmuwan tentang materi gelap DNA yang berulang akan menjadi lebih jelas.
Gabrielle Hartley adalah seorang Ph.D. kandidat dalam biologi molekuler dan sel di University of Connecticut. Dia menerima dana dari National Science Foundation.
Artikel ini diterbitkan ulang dari The Conversation di bawah lisensi Creative Commons. Anda dapat menemukan artikel aslinya di sini.
