Ilmuwan Mengidentifikasi Pangu sebagai Gen Penentu Perkembangan Jantan pada Ikan Mas

Gen mungil mengendalikan pilihan besar dalam perkembangan

Gen yang mengode peptida sepanjang hanya 76 asam amino dapat menentukan apakah ikan mas biasa berkembang menjadi jantan atau betina, menurut penelitian yang diterbitkan di Science Advances. Dinamai pangu, gen ini berada dalam bentangan DNA sepanjang 1.487 pasangan basa pada kromosom Y. Menonaktifkannya menyebabkan ikan mas jantan secara genetik berkembang menjadi betina; memasukkannya ke ikan mas betina secara genetik menyebabkan mereka berkembang menjadi jantan.

Penemuan ini menetapkan gen penentu jenis kelamin utama pertama pada Cyprinidae yang telah divalidasi secara eksperimental, yakni famili besar ikan air tawar yang tersebar luas. Bukti terkuat berasal dari eksperimen pada ikan mas Sungai Kuning, dengan pengujian fungsi tambahan pada ikan mas merah dan koi. Temuan ini tidak membuktikan bahwa setiap spesies dalam famili tersebut menggunakan gen yang sama.

Profesor Hu Wei dari Shanghai Ocean University memimpin kolaborasi bersama Institute of Hydrobiology di Chinese Academy of Sciences dan lembaga lainnya. Penelitian ini merupakan hasil penyelidikan selama lebih dari satu dekade. Para peneliti menamai gen tersebut menurut Pangu, sosok pencipta purba dalam mitologi China yang memisahkan langit dan bumi, sebagai cerminan perannya dalam memulai perkembangan jantan.

Studi Science Advances berjudul A helix-loop-helix gene orchestrates male fate in common carp terbit dalam volume 12, edisi 41. Metadata jurnal mencantumkan 9 Oktober 2026 sebagai tanggal publikasi, sementara pengumuman menyebut publikasi pada 10 Oktober waktu Beijing. Kedua tanggal itu selaras karena perbedaan zona waktu.

Mengapa menemukan sakelar ini sulit

Ikan mas biasa memiliki sistem penentuan jenis kelamin genetik XX/XY: betina biasanya membawa dua kromosom X, sedangkan jantan membawa satu kromosom X dan satu Y. Namun, mengetahui susunan tersebut tidak mengungkap gen yang mengarahkan organ reproduksi yang berkembang untuk menjadi testis, bukan ovarium.

Sebelum penelitian ini, genom ikan mas biasa yang telah dipublikasikan dan disebutkan dalam makalah tersebut berasal dari betina XX. Akibatnya, peneliti tidak memiliki genom acuan jantan yang memuat sekuens kromosom Y yang perlu mereka teliti. Sekuens DNA berulang dan genom spesies yang telah mengalami duplikasi membuat pencarian semakin sulit.

Ikan mas biasa bersifat alotetraploid: genomnya menggabungkan dua set kromosom leluhur, yang ditetapkan sebagai A dan B, melalui hibridisasi. Makalah tersebut memperkirakan kedua garis keturunan leluhur itu mulai berpisah sekitar 23 juta tahun lalu dan bergabung sekitar 12,4 juta tahun lalu. Salinan gen dan wilayah DNA yang serupa dapat mempersulit upaya mengidentifikasi sekuens yang secara khusus terkait dengan ikan jantan.

Kesenjangan ini mencolok karena gen penentu jenis kelamin telah diketahui pada ikan lain. Bagian pendahuluan studi tersebut mencatat sedikitnya 28 gen berbeda pada sekitar 140 spesies ikan bertulang sejati dari sekitar 20 famili. Pangu melengkapi bagian yang hilang dalam gambaran tersebut pada ikan cyprinid, bukan menetapkan aturan universal bagi ikan.

Dari 101 ikan hingga sisipan kecil pada kromosom Y

Tim peneliti pertama-tama menyusun genom ikan mas Sungai Kuning jantan yang mencakup 1,67 miliar basa DNA dalam 50 sekuens kromosom. Mereka kemudian mengurutkan ulang genom 50 saudara jantan dan 50 saudara betina, bersama induk betina mereka, sehingga kelompok pembanding berjumlah 101 ikan.

Dengan membandingkan keberadaan fragmen DNA pada ikan jantan dan betina, peneliti awalnya mengidentifikasi 428 fragmen kandidat yang spesifik pada ikan jantan. Mereka memilih dua kandidat kuat untuk divalidasi lebih lanjut. Salah satu fragmen yang terkonfirmasi, sepanjang 847 pasangan basa, ternyata berada di dalam sisipan yang lebih besar dekat ujung kromosom B25.

Kloning dan pengurutan memastikan bahwa wilayah yang lebih besar ini mengandung 1.487 pasangan basa yang spesifik pada ikan jantan. Analisis independen atas cakupan DNA juga mengarah ke interval kromosom yang sama. Pengujian terhadap populasi ikan mas biasa dari berbagai wilayah geografis mendukung keterkaitan sekuens itu dengan ikan jantan.

Pencitraan kromosom memberikan pemeriksaan tambahan. Probe yang menargetkan sekuens tersebut menghasilkan sinyal pada ikan jantan XY dan YY, tetapi tidak pada ikan betina XX. Ikan YY menunjukkan sinyal dua kali lebih banyak daripada ikan XY, konsisten dengan keberadaan sekuens tersebut pada kromosom Y. Pengujian ini memastikan lokasi kandidat, tetapi eksperimen fungsional masih diperlukan untuk mengetahui perannya.

Pangu aktif sebelum testis terbentuk

Di dalam sisipan kromosom Y, tim mengidentifikasi gen yang menghasilkan transkrip sepanjang 447 basa, dengan sekuens pengode sepanjang 231 basa. Sekuens itu mengode peptida Pangu yang terdiri atas 76 asam amino. Pencarian pada basis data protein utama tidak menemukan kemiripan signifikan dengan gen yang telah dianotasi sebelumnya.

Pangu memiliki domain heliks-lengkung-heliks, yakni fitur struktural yang dapat membantu protein berinteraksi dengan protein lain yang terlibat dalam pengaturan aktivitas gen. Analisis tidak menemukan bukti kuat adanya wilayah basa yang berdekatan, yang biasanya terkait dengan pengikatan langsung ke DNA pada beberapa protein golongan ini. Perbedaan tersebut penting untuk memahami cara Pangu mungkin mengendalikan target hilirnya.

Waktu aktivitas gen ini juga sesuai dengan perannya dalam mengarahkan perkembangan jenis kelamin. Transkripnya terdeteksi sejak 19 hari setelah pembuahan, sebelum awal diferensiasi jenis kelamin yang tampak pada hari ke-35 menurut laporan. Ekspresinya mencapai puncak pada hari ke-64 dan menurun setelah hari ke-92.

Analisis sel tunggal menunjukkan ekspresi terkuat pada sebagian sel yang diidentifikasi sebagai sel Sertoli yang diduga. Sel-sel ini merupakan sel pendukung yang terkait dengan perkembangan testis, bukan sel germinal yang akhirnya menghasilkan sperma. Pencitraan jaringan juga mendukung adanya ekspresi yang berkaitan dengan sel Sertoli. Regulator lain yang telah diketahui mencapai puncak ekspresi lebih lambat, sesuai dengan kemungkinan bahwa Pangu berperan di awal rangkaian perkembangan.

Menghilangkan dan menambahkan gen membalikkan perkembangan

Eksperimen penentu menguji kedua arah sakelar yang diajukan. Dengan penyuntingan CRISPR, peneliti mengganggu pangu pada ikan mas XY. Sejak 35 hari setelah pembuahan, gonad yang berkembang membentuk rongga ovarium dan mengikuti pola perkembangan ovarium, hingga akhirnya menghasilkan ovarium dengan bukti perkembangan sel telur.

Perubahan tersebut tidak terbatas pada tampilan jaringan. Gen diferensiasi betina foxl2 menjadi lebih aktif, sedangkan gen diferensiasi jantan amh dan dmrt1 menjadi kurang aktif. Pengukuran protein menunjukkan pola yang sama. Kadar testosteron dan 11-ketotestosteron turun, sementara estradiol meningkat, menyerupai profil hormon betina.

Eksperimen terpisah pada ikan mas YY menyisakan satu salinan pangu yang berfungsi. Ikan tersebut tetap mengalami perkembangan gonad jantan yang normal, mendukung temuan bahwa satu salinan yang masih berfungsi dapat mempertahankan jalur jantan dalam kondisi yang diuji.

Untuk eksperimen sebaliknya, tim memasukkan konstruksi DNA yang mengandung pangu beserta sekuens di sekitarnya ke ikan XX. Ikan mas yang secara genetik betina ini berkembang menjadi jantan, dengan bukti pembentukan sperma serta pola ekspresi gen, protein, dan hormon jantan. Penambahan pangu juga memulihkan perkembangan testis pada ikan mutan XY yang tidak memiliki salinan gen yang berfungsi.

Secara keseluruhan, eksperimen menunjukkan bahwa pangu diperlukan dan cukup untuk menentukan jenis kelamin jantan pada ikan mas biasa yang diuji: menghilangkan fungsinya mengarahkan perkembangan ke ovarium, sedangkan menambahkannya dapat mengarahkan perkembangan ke testis. Kromosomnya sendiri tidak berubah dari XX menjadi XY atau sebaliknya; yang berubah adalah hasil perkembangannya.

Menghambat jalur ovarium membantu menjelaskan efeknya

Studi ini mengidentifikasi cyp19a1a sebagai target hilir awal Pangu. Gen ini mengode aromatase ovarium, enzim yang terlibat dalam produksi estrogen. Aktivitasnya membantu mendukung diferensiasi ovarium, sehingga mungkin menjadi jalur yang digunakan sinyal penentu jantan dini untuk mengarahkan perkembangan.

Perbedaan aktivitas cyp19a1a sudah terlihat pada hari ke-19 setelah pembuahan. Ekspresinya meningkat pada ikan XY dengan pangu yang terganggu dan menurun pada ikan XX yang membawa gen hasil penyisipan. Beberapa gen lain yang terkait dengan diferensiasi jenis kelamin tidak menunjukkan perubahan awal yang sebanding.

Dalam eksperimen menggunakan sel laboratorium manusia dan lini sel yang berasal dari sirip koi, Pangu menurunkan aktivitas wilayah pengatur pada kedua salinan cyp19a1a. Pangu mutan yang tidak memiliki domain heliks-lengkung-heliks utuh kehilangan kemampuan tersebut, mengaitkan struktur peptida dengan efek pengaturannya.

Pengujian terkuat dilakukan langsung pada ikan. Mengganggu cyp19a1a pada mutan pangu XY memulihkan perkembangan testis, meskipun sakelar jantan yang diajukan telah hilang. Pemulihan genetik ini menempatkan cyp19a1a di hilir pangu: menghambat jalur ovarium dapat melewati ketiadaan sinyal hulu. Bukti tersebut mendukung mekanisme ketika Pangu mendorong perkembangan jantan, setidaknya sebagian, dengan menekan cyp19a1a, meski belum menjelaskan seluruh tahapan molekuler yang terlibat.

Seberapa jauh temuan ini berlaku di luar ikan mas Sungai Kuning?

Peneliti mendeteksi pangu pada ikan jantan yang mewakili kedua subspesies utama ikan mas biasa. Sampelnya mencakup ikan mas Sungai Kuning, ikan mas merah, dan koi dari kelompok Asia Timur, serta ikan mas cermin Jerman dari kelompok Eropa. Mereka juga mengidentifikasi sekuens spesifik jantan pada spesies lain dalam genus yang sama, Cyprinus acutidorsalis.

Ikan mas merah dan koi menjalani pengujian fungsi lebih lanjut. Menghilangkan dan menambahkan pangu menghasilkan pembalikan jenis kelamin ke arah yang berlawanan, sesuai dengan hasil pada ikan mas Sungai Kuning. Eksperimen ini memberikan bukti fungsi bersama yang lebih kuat daripada sekadar mendeteksi sekuens DNA.

Perbedaan ini membatasi cakupan penafsiran hasil. Makalah tersebut menjelaskan adanya sakelar jantan yang lestari di seluruh genus Cyprinus, sedangkan eksperimen pembalikan jenis kelamin dua arah yang terperinci dilakukan pada ikan mas Sungai Kuning, ikan mas merah, dan koi. Deteksi pada ikan mas cermin Jerman dan Cyprinus acutidorsalis memperluas bukti genetik, tetapi tidak setara dengan rangkaian pengujian fungsional yang sama.

Demikian pula, statusnya sebagai gen penentu jenis kelamin utama pertama yang tervalidasi dalam famili Cyprinidae tidak berarti Pangu menentukan jenis kelamin di seluruh famili tersebut. Penemuan ini menjadi titik awal untuk menguji ikan-ikan berkerabat mana yang memiliki sakelar yang sama dan mana yang menggunakan mekanisme berbeda.

Penanda tahun 2009 merupakan petunjuk awal, bukan bukti gen utama

Sebuah studi penanda tahun 2009 yang diterbitkan di Molecular and Cellular Probes sebelumnya telah mengidentifikasi fragmen DNA spesifik pada ikan mas biasa jantan. Para peneliti menguji 220 primer acak dan menemukan bahwa primer S2107 menghasilkan fragmen sepanjang 909 pasangan basa pada ikan jantan.

Pola tersebut ditemukan pada 30 ikan dari tiga stok ikan mas biasa. Uji amplifikasi dan hibridisasi lebih lanjut mendukung keterkaitannya dengan ikan jantan. Fragmen itu menunjukkan kemiripan rendah dengan sekuens berulang pada ikan zebra, dan tidak ada sinyal hibridisasi yang terdeteksi pada ikan mas rumput.

Penelitian tersebut mengusulkan sekuens itu sebagai alat untuk mengidentifikasi jenis kelamin genetik ikan mas Sungai Kuning. Namun, sebuah penanda dapat diwariskan bersama kromosom seks tanpa menyebabkan perkembangan jantan. Studi baru ini melangkah lebih jauh dengan mengidentifikasi gen yang diekspresikan dan menunjukkan bahwa menghilangkan atau menambahkan fungsinya mengubah perkembangan gonad. Bukti yang diuraikan di sini tidak memastikan bahwa penanda 909 pasangan basa dan wilayah 1.487 pasangan basa yang baru ditetapkan merupakan sekuens yang sama.

Tahapan penelitian terpisah beberapa tahun, sementara tanggal publikasi merujuk pada rilis yang sama dalam zona waktu berbeda:

• Oktober 2009: Studi terdahulu melaporkan penanda DNA sepanjang 909 pasangan basa yang terkait dengan ikan mas biasa jantan.
• 9 Oktober 2026: Science Advances mencantumkan publikasi studi pangu dalam volume 12, edisi 41.
• 10 Oktober 2026, waktu Beijing: Pengumuman menyebut temuan baru tersebut dipublikasikan pada tanggal ini.
• 11 Oktober 2026: Sebuah akun publik mengulas penemuan itu dan penyelidikan selama lebih dari satu dekade.

Hal yang belum terjawab

Bukti mengenai peran Pangu dalam perkembangan lebih kuat daripada penjelasan saat ini tentang mekanisme molekulernya secara persis. Studi ini menunjukkan penekanan aktivitas cyp19a1a dan pemulihan genetik yang menghubungkan kedua gen tersebut. Namun, studi ini belum memastikan apakah Pangu berikatan langsung dengan DNA pengatur yang relevan atau bekerja melalui protein lain.

Para penulis juga mengajukan pertanyaan tentang sel yang mengekspresikan pangu. Ekspresinya yang rendah dan terbatas mungkin mencerminkan aktivitas pada populasi langka atau sementara dari sel garis keturunan Sertoli yang sedang berkembang. Menentukan apakah sel-sel tersebut merupakan keadaan progenitor awal dapat membantu menjelaskan bagaimana sinyal pemicu yang kecil mengarah pada pembentukan testis.

Chen Kuangxin, peneliti pascadoktoral di Shanghai Ocean University, dan Chen Ji, peneliti madya di Institute of Hydrobiology, merupakan penulis pertama bersama. Penulis korespondensi adalah Hu Wei, Zhu Zuoyan, Ge Chutian dari Zhejiang Wanli University, dan Vance L. Trudeau dari University of Ottawa. He Shunping, anggota akademi Chinese Academy of Sciences, serta sejumlah pakar lainnya memberikan bimbingan dan bantuan.

Tidak ada jadwal yang disebutkan untuk eksperimen berikutnya. Hasil utama sudah didukung oleh lokalisasi kromosom, ekspresi dini, dan pengujian fungsi dua arah. Pekerjaan yang belum tuntas mencakup bagaimana Pangu menjalankan perannya dan seberapa luas mekanisme tersebut dimiliki kelompok ikan mas di luar yang telah diuji.

Poin Utama

• Pangu adalah gen penentu jenis kelamin utama pertama dalam Cyprinidae yang telah divalidasi secara eksperimental.
• Gen ini mengode peptida sepanjang 76 asam amino dalam wilayah 1.487 pasangan basa pada kromosom Y ikan mas biasa.
• Gangguan pada pangu menyebabkan ikan mas XY berkembang menjadi betina; penyisipannya ke ikan mas XX menyebabkan testis berkembang.
• Gangguan pada gen jalur ovarium cyp19a1a memulihkan perkembangan testis pada mutan pangu.
• Pengujian fungsi pada ikan mas merah dan koi mendukung adanya peran bersama, tetapi temuan ini tidak menetapkan mekanisme universal pada seluruh famili.
• Mekanisme molekuler persis yang digunakan Pangu untuk menekan cyp19a1a masih belum diketahui.