Gen Purba CCNB1IP1 Dikaitkan dengan Perluasan dan Pelipatan Otak Primata

Gen purba dengan peran yang berubah dalam perkembangan otak

Satu huruf DNA dalam sekuens pengatur membantu meningkatkan aktivitas gen purba dalam eksperimen yang menyelidiki bagaimana otak primata menjadi lebih besar dan memiliki lebih banyak lipatan. Para peneliti yang dipimpin Shi Lei dari Kunming Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, mengidentifikasi CCNB1IP1 sebagai salah satu faktor yang berkontribusi dalam proses ini, menghubungkan perubahan regulasi gen dengan pertumbuhan lebih cepat sel-sel penghasil neuron.

Tim tersebut, yang bekerja sama dengan kolaborator internasional, menemukan bahwa ekspresi CCNB1IP1 lebih tinggi pada monyet makaka dibandingkan dengan celurut pohon dan monyet marmoset, serta paling tinggi pada manusia. Eksperimen kemudian menelusuri kemungkinan rantai sebab-akibat: aktivitas pengaturan yang lebih kuat meningkatkan ekspresi gen, gen tersebut mempercepat sebagian siklus pembelahan sel, dan sel progenitor saraf berkembang biak lebih cepat. Sebagian tikus hasil modifikasi genetik mengembangkan lipatan pada korteks serebralnya yang biasanya halus.

Temuan yang diterbitkan di Nature Genetics ini memperluas penjelasan tentang evolusi otak yang selama ini kerap berfokus pada gen yang baru muncul dalam garis keturunan manusia. CCNB1IP1 adalah gen yang lebih tua dan lestari pada mamalia. Penelitian ini menunjukkan bahwa perubahan waktu dan tingkat aktivitas gen semacam itu juga dapat berkontribusi terhadap perluasan neokorteks primata secara bertahap.

Perbedaan ini penting. Sebuah gen tidak harus muncul untuk pertama kalinya agar memiliki peran yang lebih besar dalam perkembangan. Perubahan pada DNA di dekatnya yang mengendalikan aktivitas gen dapat mengubah jumlah protein yang dihasilkan sel, dengan dampak terhadap jumlah dan jenis sel yang terbentuk selama perkembangan otak.

Membandingkan otak yang berkembang pada lima spesies

Para peneliti membandingkan data transkriptomik dari berbagai lapisan korteks serebral embrio pada tikus, celurut pohon, monyet marmoset, monyet makaka, dan manusia. Analisis transkriptomik mengukur RNA yang dihasilkan oleh gen aktif, sehingga peneliti dapat membandingkan pola ekspresi gen pada jaringan dan spesies yang berbeda.

Celurut pohon digunakan sebagai kelompok pembanding luar, yaitu kerabat dekat yang berada di luar kelompok primata dan membantu peneliti menyelidiki ciri-ciri yang mungkin sudah ada sebelum evolusi primata. CCNB1IP1 sudah aktif di otak celurut pohon, mendukung kesimpulan bahwa ekspresinya di otak tidak hanya muncul pada manusia atau bahkan pada primata.

Pola tersebut bukan peningkatan merata di antara setiap spesies. Monyet marmoset, yang korteksnya sebagian besar halus, menunjukkan ekspresi yang serupa dengan celurut pohon. Ekspresinya lebih tinggi pada monyet makaka, yang korteksnya memiliki lipatan, dan mencapai tingkat tertinggi pada manusia. Para peneliti juga menemukan hubungan positif antara ekspresi gen, berat otak, dan tingkat pelipatan korteks.

Shi Lei, peneliti yang memimpin tim di Kunming Institute of Zoology, menjelaskan hubungan antara aktivitas gen dan struktur otak:

Tingkat ekspresi gen purba ini berkorelasi erat dengan tingkat pelipatan korteks,

Perbandingan tersebut menunjukkan pola evolusi, tetapi korelasi saja tidak dapat membuktikan bahwa aktivitas gen yang lebih tinggi menyebabkan korteks lebih besar atau lebih berlipat. Karena itu, penelitian beralih dari membandingkan spesies ke mengubah DNA pengatur dan menguji gen tersebut pada sel yang berkembang dan pada tikus.

Mengapa sel penghasil neuron penting

Fokus pada tingkat sel adalah populasi progenitor saraf, yaitu sel imatur yang membelah dan menghasilkan neuron. Di korteks tikus, yang biasanya tetap halus, neuron terutama berasal dari progenitor apikal di zona ventrikel, wilayah perkembangan di dekat rongga berisi cairan pada otak.

Pada primata, wilayah lain yang disebut zona subventrikel jauh lebih besar. Wilayah ini berisi progenitor basal, sel yang mampu memperbesar populasinya sendiri dan menghasilkan neuron tambahan. Peningkatan populasi ini merupakan salah satu cara korteks yang sedang berkembang dapat tumbuh.

Penelitian tersebut mengaitkan peningkatan ekspresi CCNB1IP1 dengan meningkatnya proliferasi progenitor basal dan produksi neuron yang lebih besar. Hal ini memberikan penjelasan pada tingkat sel untuk hubungan yang terlihat di antara spesies: perubahan aktivitas gen dapat mengubah pasokan sel yang tersedia untuk membangun korteks.

Perluasan dan pelipatan saling berkaitan, tetapi keduanya bukan ukuran yang sama. Lipatan memungkinkan permukaan korteks yang lebih luas tertampung di dalam tengkorak. Penelitian ini mengkaji bagaimana perubahan molekuler dapat berkontribusi pada pertumbuhan dan pelipatan jaringan, tanpa membuktikan bahwa gen ini sendirian menentukan salah satu ciri tersebut.

CRE1 berperan sebagai sakelar pengatur

Para peneliti mengidentifikasi sekuens pengatur yang disebut CRE1, yang membantu mendorong peningkatan ekspresi CCNB1IP1. Sekuens ini merupakan elemen pengatur cis, yaitu bentangan DNA yang memengaruhi aktivitas gen pada molekul DNA yang sama, bukan menyandi protein itu sendiri.

Perbandingan bagian inti dalam sekuens tersebut menunjukkan aktivitas pengaturan yang meningkat secara bertahap, dari celurut pohon, monyet, dan kera hingga manusia. Pola ini sejalan dengan peningkatan umum ekspresi CCNB1IP1, sehingga perhatian tertuju pada mekanisme pengaturan gen tersebut, bukan sekadar keberadaan gennya.

Satu posisi dalam sekuens inti itu terbukti sangat informatif. Sekuens manusia memiliki basa DNA G, sedangkan simpanse dan primata lain memiliki A. Penggantian G dengan A pada sekuens manusia mengurangi aktivitas pengaturannya. Substitusi sebaliknya pada sekuens simpanse meningkatkan aktivitas.

Eksperimen substitusi timbal balik ini memberikan bukti bahwa perbedaan satu basa memengaruhi fungsi sekuens tersebut. Prediksi dan eksperimen validasi menunjukkan bahwa perubahan itu mengubah pengikatan dua faktor transkripsi, yaitu protein yang menempel pada DNA dan membantu mengendalikan aktivitas gen.

Penghapusan seluruh sekuens pengatur melalui penyuntingan gen juga mengurangi ekspresi CCNB1IP1. Secara keseluruhan, eksperimen substitusi dan penghapusan mendukung peran CRE1 dalam mengendalikan tingkat ekspresi gen. Namun, hasil ini tidak membuktikan bahwa satu perubahan DNA pada manusia menjelaskan semua perbedaan pengaturan yang terakumulasi sepanjang evolusi primata.

Bagaimana CCNB1IP1 mempercepat siklus sel

CCNB1IP1 menyandi ligase ubiquitin, yaitu enzim yang menempelkan penanda ubiquitin pada protein target. Penanda tersebut dapat mengarahkan protein untuk dihancurkan oleh sistem pembuangan sel. Dalam penelitian ini, para peneliti menemukan bahwa CCNB1IP1 mendorong degradasi faktor transkripsi yang terlibat dalam pengaturan siklus sel.

Dampaknya adalah fase G1 yang lebih singkat pada progenitor saraf. G1 adalah periode ketika sel tumbuh dan bersiap sebelum menggandakan DNA-nya. Memperpendek periode ini dapat membuat sel progenitor melewati siklus pembelahan lebih cepat.

Pracetak penelitian CCNB1IP1 para penulis, yang diunggah pada 9 Desember 2024, secara khusus menjelaskan peningkatan jumlah progenitor saraf melalui pemendekan fase G1. Abstraknya mengaitkan mekanisme ini dengan peningkatan ekspresi gen dalam evolusi serta ciri-ciri belajar dan memori pada model tikus.

Dengan demikian, rangkaian yang diajukan lebih spesifik daripada sekadar hubungan antara gen dan ukuran otak. Peningkatan aktivitas CCNB1IP1 mendorong degradasi pengatur siklus sel, memperpendek tahap persiapan pembelahan, dan meningkatkan proliferasi progenitor. Progenitor yang lebih banyak kemudian dapat menghasilkan lebih banyak neuron, sehingga berpotensi menjadi mekanisme perluasan korteks.

Sejumlah tikus hasil modifikasi mengembangkan lipatan korteks

Untuk menguji apakah gen tersebut dapat mengubah perkembangan otak pada hewan, tim membuat tikus yang mengekspresikan CCNB1IP1 versi manusia pada sel progenitor saraf dengan pendekatan knock-in bersyarat. Pendekatan ini memasukkan gen ke dalam genom sekaligus mengendalikan sel tempat gen itu menjadi aktif.

Sejumlah tikus tersebut mengembangkan struktur lipatan korteks, meskipun korteks tikus biasanya tampak halus. Para peneliti juga mengamati peningkatan indeks girifikasi lokal, yaitu ukuran pelipatan, serta lebih banyak neuron di lapisan atas korteks.

Perbedaan antara sejumlah hewan dan semua hewan penting untuk diperhatikan. Temuan ini menunjukkan bahwa intervensi tersebut dapat menghasilkan lipatan dalam kondisi eksperimen, bukan bahwa setiap tikus hasil modifikasi mengembangkan anatomi yang sama atau bahwa otaknya menjadi setara dengan otak primata.

Peningkatan jumlah neuron di lapisan atas juga memberikan informasi lebih dari sekadar lipatan yang terlihat. Temuan ini menghubungkan hasil anatomi dengan perubahan produksi neuron, sejalan dengan eksperimen sebelumnya tentang proliferasi progenitor. Secara keseluruhan, hasil tersebut memperkuat bukti bahwa CCNB1IP1 dapat memengaruhi perkembangan korteks, bukan hanya menandai perbedaan antarspesies.

Hasil terkait belajar dan memori perlu ditafsirkan dengan cermat

Tikus hasil modifikasi dilaporkan menunjukkan performa lebih baik dalam tes belajar dan memori. Pracetak tersebut menggunakan deskripsi yang lebih berhati-hati, yakni bahwa model itu menunjukkan ciri-ciri yang berkaitan dengan peningkatan kemampuan belajar dan memori. Uraian eksperimen yang lebih luas menyebutkan adanya perbedaan dalam tugas kognitif tertentu dan perlunya penelitian lebih lanjut.

Uraian tersebut mendukung adanya dampak perilaku, tetapi berbeda dalam tingkat penegasannya. Tanpa skor numerik, jumlah sampel, atau uraian terperinci tentang tiap tes di sini, besaran dan cakupan peningkatan yang dilaporkan tidak dapat dinilai. Performa lebih baik dalam tes tertentu pada tikus bukan bukti bahwa hewan tersebut memperoleh kemampuan kognitif manusia.

Pelipatan korteks saja tidak menentukan kecerdasan. Penelitian ini menghubungkan regulasi gen, proliferasi sel, anatomi, dan perilaku, tetapi tidak mengisolasi perubahan perkembangan mana yang menyebabkan perbedaan perilaku. Untuk membuktikannya, diperlukan penelitian lebih lanjut mengenai koneksi saraf dan fungsi sirkuit yang berubah.

Penjelasan yang terus berkembang, dengan linimasa publikasi

Penelitian ini menambahkan gen purba ke dalam kumpulan mekanisme yang dipertimbangkan dalam evolusi korteks primata. Temuan ini tidak menggantikan penelitian tentang gen yang spesifik pada manusia. Sebaliknya, temuan ini mendukung penjelasan bahwa gen yang baru berevolusi dan perubahan regulasi gen yang lebih tua sama-sama dapat berkontribusi.

Perbedaan ini sejalan dengan hasil perbandingan. Perluasan korteks terjadi di berbagai garis keturunan primata, bukan hanya setelah garis keturunan manusia muncul. Sistem pengaturan yang aktivitasnya berbeda pada celurut pohon, monyet, kera, dan manusia dapat membantu meneliti pola yang lebih luas tersebut.

Catatan publikasi juga membedakan naskah awal dari publikasi jurnal yang terbit kemudian:

• 9 Desember 2024: Pracetak diunggah dengan DOI 10.1101/2024.12.08.627376. Saat itu, naskah tersebut belum menjalani telaah sejawat.
• Publikasi berikutnya: Halaman pracetak mencatat bahwa versi yang telah ditelaah sejawat kemudian diterbitkan di Nature Genetics.

Status pracetak saat diunggah tidak boleh disamakan dengan status artikel jurnal yang terbit kemudian. Klaim utamanya adalah bahwa perubahan ekspresi CCNB1IP1 mungkin berkontribusi pada evolusi otak primata secara bertahap, sebuah kesimpulan yang lebih terbatas daripada mengidentifikasi satu penyebab kecerdasan manusia.

Hal-hal yang masih perlu dibuktikan

Sejumlah pertanyaan masih belum terjawab. Peran sebab-akibat faktor transkripsi yang terkait dengan CRE1 perlu diuji lebih lanjut selama perkembangan korteks primata. Dampak CCNB1IP1 terhadap konektivitas saraf dan fungsi kognitif tertentu juga memerlukan penyelidikan lebih mendalam.

Temuan ini mungkin memberikan petunjuk bagi penelitian tentang gangguan perkembangan saraf karena mengidentifikasi mekanisme yang memengaruhi pembelahan progenitor dan produksi neuron. Ini merupakan arah penelitian, bukan bukti adanya pengobatan, tes diagnostik, atau peran yang telah terbukti pada gangguan tertentu.

Dalam berbagai laporan ini, belum ada tanggal eksperimen berikutnya atau jadwal klinis yang diumumkan. Kontribusi langsung penelitian ini adalah rangkaian bukti yang menghubungkan DNA pengatur, ekspresi gen, pembelahan sel, dan anatomi korteks. Sejauh mana mekanisme ini berkontribusi pada perbedaan antarspesies primata tertentu masih perlu dibuktikan.

Poin-Poin Utama

• Peneliti yang dipimpin Shi Lei mengaitkan gen purba CCNB1IP1 dengan perluasan dan pelipatan korteks primata.
• Ekspresinya serupa pada celurut pohon dan monyet marmoset, lebih tinggi pada monyet makaka, dan paling tinggi pada manusia.
• Sekuens pengatur CRE1 mengendalikan ekspresi, dan perbedaan A menjadi G memengaruhi aktivitasnya dalam eksperimen.
• CCNB1IP1 memperpendek fase G1 progenitor saraf dan meningkatkan proliferasinya.
• Sejumlah tikus hasil modifikasi mengembangkan lipatan korteks dan menghasilkan lebih banyak neuron di lapisan atas.
• Dampak terhadap belajar dan memori dilaporkan, tetapi pelipatan saja tidak menentukan kecerdasan.
• Pracetak yang diunggah pada Desember 2024 terbit lebih dahulu sebelum publikasi di Nature Genetics.