Protein Kejutan Panas Mendorong Evolusi Ragi
Suka dengan artikel ini?
Jelajahi artikel-artikel FaktaIlmiah yang berdasarkan apa yang dibaca dan ditonton teman-teman.Terbitkan aktivitas Anda sendiri dan dapatkan kendali penuh. Login
Jumat, 24 Desember 2010 - "Kami bisa menunjukkan bahwa tekanan perubahan lingkungan dan tekanan selektif benar-benar dapat mempengaruhi bagaimana proses evolusi terjadi."
Para peneliti Whitehead Institute telah menentukan bahwa protein kejutan panas 90 (Hsp90) dapat membuat sifat diwariskan di dalam ragi bir (Saccharomyces cerevisiae) dengan mempengaruhi sebagian besar genom ragi. Penemuan ini telah menghasilkan kesimpulan bahwa Hsp90 telah memainkan peran kunci dalam evolusi genom.
“Ini telah dilihat sebagai cara yang sangat menarik, bahkan cara revolusionernya dilihat dengan bagaimana organisme secara cepat bisa mengembangkan sifat baru,” kata Anggota Whitehead, Susan Lindquist. “Kami menjadi lebih dekat dengan pembuktian proses evolusi secara luas sebagaimana yang bisa kami lakukan pada saat ini.”
Hasilnya dilaporkan dalam edisi 2010 tanggal 24 Desember, jurnal Science.
Protein menjalankan berbagai fungsi dalam sel, termasuk mempromosikan reaksi kimia, menerjemahkan DNA, dan mempertahankan struktur sel. Untuk melakukan tugasnya, protein harus melipat dari rantai panjang asam amino ke dalam bentuk yang tepat. Selain itu, protein penting banyak mengadopsi konformasi yang tidak stabil. Jika protein kehilangan bentuk normalnya, misalnya karena panas berlebihan, racun atau tekanan lainnya, maka ia tidak bisa lagi melakukan pekerjaan dan bahkan dapat menjadi racun bagi sel. Untuk memberi toleransi terhadap tekanan tersebut, sel-sel menggunakan repertoar protein kejutan-panas (Hsps) yang memandu protein lain ke dalam bentuk mereka yang tepat. Kelas protein purba ini terdapat pada hampir semua organisme, mulai dari bakteri hingga manusia.
Salah satu proteinnya adalah Hsp90, sangat berlimpah, terdiri dari 1-2% dari semua protein dalam sel. Namun, dalam kondisi normal, sel hanya menggunakan sekitar 10% Hsp90-nya, meninggalkan waduk besar fungsinya yang tersedia dalam kondisi yang pada gilirannya tiba-tiba menjadi lebih tertekan.
Selama beberapa tahun terakhir, Lindquist telah membangun kasus di mana waduk HSP ini bertanggung jawab pada perubahan evolusi substansial dalam jangka waktu yang relatif singkat. Laboratoriumnya menunjukkan bahwa patogenik Candida albicans dan jamur Aspergillus mengandalkan Hsp90 untuk mengembangkan resistensi-obat. Sel-sel kanker sering mengeksploitasi fungsi Hsps untuk mendukung protein karsinogenik. Penelitian sebelumnya juga telah menunjukkan bahwa pembiakan selektif dapat memperkaya variasi yang bertanggung jawab atas fenotipe, memungkinkan suatu sifat yang bergantung pada Hsp90 diwariskan sekalipun tanpa adanya tekanan.
Penahan Hsp90 berfungsi dalam dua cara terhadap protein mutan: baik untuk menutupi ataupun mengungkapkan konsekuensi fenotipik mutasi. Dalam kasus pertama, Hsp90 menahan protein mutan ke dalam bentuk yang “normal”, sehingga menyembunyikan sifat protein mutan. Sebagaimana kondisi menjadi semakin stres, penahan Hsp90 lebih dan lebih banyak lagi bertindak pada protein. Pada titik tertentu, penahan Hsp90 menjadi kewalahan, dan sifat-sifat protein mutanlah yang kemudian muncul.
Dalam skenario kedua, protein yang tidak fungsional pada diri mereka sendiri membentuk menjadi bentuk kerja. Protein mutan ini tidak bisa melakukan pekerjaan mereka tanpa bantuan Hsp90, jadi ketika penahan Hsp90 kewalahan, sel-sel kehilangan sifat-sifat protein mutan.
Dalam kedua skenario ini, konsumsi waduk Hsp90 akibat tekanan lingkungan memungkinkan sejumlah banyak sifat yang muncul atau menghilang dengan segera dan secara bersamaan. Jika fenotipe baru ini bermanfaat bagi lingkungan yang stres, organisme akan bertahan. Karena fenotip baru didasarkan pada variasi genetik, mereka bisa diteruskan ke generasi berikutnya dan dengan demikian evolusi terus berlangsung. Jika sifat-sifatnya buruk dan merusak, organisme tidak akan bertahan dan sifat-sifat akan mati bersamanya.
Metode yang tiba-tiba meluncurkan sebuah fenotipe baru, yang terdiri dari beberapa sifat ini, juga bisa menjelaskan evolusi sifat saling bergantung yang merugikan mereka sendiri. Seperti yang tampak pada lompatan dalam evolusi, yang telah membingungkan ahli biologi semenjak Darwin.
Meskipun bukti-bukti awal menunjukkan bahwa aktivitas Hsp90 dapat mempengaruhi evolusi, seorang peneliti pasca-doktor, Daniel Jarosz, ingin memahami secara mekanis efek Hsp90 dalam satu spesies dan memberikan bukti kuat untuk dampak Hsp90 dalam evolusi.
Dalam makalah Science, penulis pertama Jarosz menganalisis dampak Hsp90 pada 102 strain genetik beragam ragi dengan menempatkan mereka di bawah berbagai kondisi stres dan hambatan dari Hsp90. Semua strain mengalami perubahan pertumbuhan yang substansial dalam kondisi tertentu.
Jarosz kemudian mempelajari lebih banyak lagi tentang sifat-sifat yang dipengaruhi Hsp90 akibat persimpangan dua strain, dan melihat pada progeninya. Dia bersikukuh bahwa sekitar setengah dari sifat yang dipengaruhi oleh Hsp90 adalah positif dan setengahnya lagi adalah negatif. Dan juga, dengan mengurangi Hsp90 pada beberapa progeni strain yang bersilangan mengungkapkan beberapa sifat yang saling bergantung.
Untuk melihat seberapa banyak Hsp90 mempengaruhi fenotip strain ragi, Jarosz mengamati urutan genetik dari 48 strain, dan membandingkan genotip dengan fenotip. Ketika Hsp90 berfungsi normal, genotip dan fenotipe secara lemah mirip satu sama lain. Tetapi ketika waduk Hsp90 sudah habis, korelasi antara genotipe dan fenotipe menjadi lebih kuat.
“Kami hanya melihat beberapa kasus, tetapi dalam semua dari mereka, ada hubungan yang jelas antara aktivitas Hsp90 dan fenotipe,” kata Jarosz. “Apa yang kami tunjukkan di sini adalah efek Hsp90 sangatlah luas, dan beroperasi di sekitar 20% dari semua variasi genetik pada organisme ini.”
Bagi Lindquist, dengan cara Hsp90 yang mampu mempengaruhi fenotip mungkin menjelaskan misteri lama tentang evolusi: bagaimana organisme dapat mengubah beberapa sifat yang saling bergantung sebagai respons terhadap perubahan lingkungan.
“Dengan mengambil teori dan insiden yang sangat terisolasi, yang memiliki potensi sangat besar, kami bisa membantu menjelaskan bagaimana organisme bisa dengan cepat memperoleh sifat baru,” kata Lindquist, yang juga seorang peneliti di Howard Hughes Medical Institute dan profesor biologi di MIT. “Kami bisa menunjukkan bahwa tekanan perubahan lingkungan dan tekanan selektif benar-benar dapat mempengaruhi bagaimana proses evolusi terjadi. Dan kini kami memiliki kerangka yang jauh lebih solid untuk bergantung pada hal tersebut.”
Lindquist mengatakan bahwa dia ingin mempelajari lebih lanjut tentang proses fiksasi, yang membuat sifat yang bergantung pada Hsp90 diwariskan, bahkan tanpa adanya tekanan. Dengan melihat urutan genom, laboraturiumnya akan mencoba menentukan apakah Hsp90 mempengaruhi mekanisme kestabilan genom atau jika mungkin mempengaruhi cara bahwa organisme mengakumulasi variasi genetik baru.
Penelitian ini didukung oleh pendanaan SPARC dari Broad Institute serta G. Harold and Leila Y. Mathers Foundation. Daniel Jarosz merupakan kolega HHMI dari Damon Runyon Cancer Research Foundation.
- Sumber artikel: Heat shock protein drives yeast evolution (Nicole Giese – wi.mit.edu)
- Kredit: Whitehead Institute for Biomedical Research
- Informasi lebih lanjut: Daniel F. Jarosz, Susan Lindquist. Hsp90 and environmental stress transform the adaptive value of natural genetic variation. Science, 2010; 330 (6012): 1820-1824 DOI: 10.1126/science.1195487
- Urutan Genom Coelacanth Menginformasikan Evolusi Vertebrata Darat
- Misi Kepler NASA: Tiga Planet Berukuran Super-Bumi Ditemukan Dalam Zona Layak Huni
- Teknik Ultra-cepat Menyingkap Prinsip-prinsip Perancangan dalam Biologi Kuantum
- Studi Telur Mengungkap Eratnya Hubungan Evolusi Antara Burung dan Dinosaurus
- Ilmuwan Membentuk Sel-sel Saraf Baru – Langsung di Dalam Otak
- Ilmuwan Temukan Kemungkinan untuk Menciptakan Bahan Bakar dari Karbon Dioksida di Atmosfer
- Metascreen Ultra-tipis: Setahap Mewujudkan Mantel Tembus Pandang ala Harry Potter
- Kehadiran Manusia di Kepulauan Pasifik Sebabkan Kepunahan Massal Burung
- Kehidupan Ditemukan Dalam Ekosistem Terluas di Bumi, Jauh di Kedalaman Kerak Samudera
- Ilmuwan Menghidupkan Kembali Embrio Katak yang Telah Punah