Genetik Perkembangan

Bagaimana sel mengetahui di mana kedudukannya?

Semua sel dalam embrio memiliki DNA yang sama. Namun begitu, struktur yang berbeza-beza mesti terbentuk daripadanya — kepala di hadapan, ekor di belakang, sisi kiri di kiri. Sel-sel memerlukan satu sistem koordinat. Dan sistem ini bersifat kimia: Morfogen ialah molekul isyarat yang meresap daripada satu sumber ke dalam tisu sekeliling sambil membentuk kecerunan kepekatan. Setiap sel mengukur kepekatan tempatannya dan mengaktifkan gen yang berbeza bergantung pada nilai ambangnya.

Satu contoh klasik ialah protein Bicoid pada lalat buah. Ia dihasilkan pada kutub anterior telur dan meresap ke arah belakang. Kepekatan tinggi di hadapan — struktur kepala. Kepekatan sederhana — segmen toraks. Tiada kepekatan Bicoid di belakang — abdomen. Satu paksi molekul tunggal sudah memadai untuk menentukan keseluruhan paksi badan anterior-posterior. Dalam embrio manusia, berpuluh-puluh morfogen sedemikian — Sonic Hedgehog (SHH), Wnt, BMP, FGF — berinteraksi pada pelbagai peringkat dan menentukan nasib setiap sel.

Gen Hox — 600 juta tahun tanpa perubahan

Gen Hox ialah pengawal induk pelan badan. Ia mengkod faktor transkripsi — iaitu protein yang mengikat DNA dan menghidupkan atau mematikan gen lain — dengan domain pengikat DNA yang sangat terpelihara, iaitu homeobox. Dalam embrio, gen Hox diekspresikan sepanjang paksi badan mengikut susunan ruang yang sepadan tepat dengan susunannya pada kromosom: gen pada permulaan kluster mengawal bahagian badan hadapan, gen pada penghujung mengawal bahagian belakang. Kolineariti ini — kedudukan kromosom sepadan dengan kedudukan badan — berlaku secara hampir universal dalam dunia haiwan.

Yang menakjubkan: gen Hox telah wujud dalam bentuk yang hampir tidak berubah selama lebih 600 juta tahun pada semua haiwan yang mempunyai simetri badan bilateral. Gen Hox lalat buah dan manusia adalah homolog — ia mempunyai asal usul evolusi yang sama. Jika gen tikus Pax6 (juga dikenali sebagai Small eye) diekspresikan secara buatan dalam lalat buah — misalnya pada kaki atau bakal sayap — satu mata tambahan terbentuk di situ. Tetapi bukan mata tikus: ia adalah mata majmuk tulen lalat, kerana gen-gen hiliran yang menjalankan program pembinaan mata adalah versi lalat. Isyarat permulaan datang daripada gen tikus, tetapi pembinaannya mengikut pelan badan lalat. Program yang sama, pelaksanaan yang berbeza: bukti molekul paling mendalam bagi keturunan bersama.

Titik tanpa jalan pulang — atau bolehkah?

Apabila sel stem menjadi khusus, ia mengambil satu identiti: sel saraf, sel otot, sel hati. Proses pembezaan ini lama dianggap tidak boleh diterbalikkan. Sekali menjadi sel saraf, sentiasa menjadi sel saraf — satu rangkaian faktor transkripsi yang mengukuhkan diri sendiri mematikan program perkembangan jenis sel lain secara kekal dan mengekalkan program sendiri. Sel itu "mengingati" identitinya. Malah selepas beribu-ribu kali pembahagian, identiti tersebut kekal stabil.

Namun pada tahun 2006, Shinya Yamanaka menunjukkan bahawa kestabilan ini bukanlah nasib yang tidak dapat diatasi. Dengan hanya empat faktor transkripsi — Oct4, Sox2, Klf4 dan c-Myc — satu sel kulit tikus yang telah dibezakan berjaya ditukar semula menjadi sel stem pluripoten teraruh (sel iPS): satu sel yang berpotensi membentuk semula sebarang jenis sel. Tiada pengklonan, tiada sel telur, tiada tisu embrio — hanya empat suis yang mengemas kromatin dan mengaktifkan semula program asal. Atas penemuan ini, Yamanaka menerima Hadiah Nobel Perubatan pada tahun 2012.

Apa maknanya: identiti sel bukanlah keadaan yang tidak berubah, tetapi satu program yang dikawal secara epigenetik. Ia boleh — dalam keadaan yang betul — ditulis semula. Ini membuka peluang untuk terapi sel bagi penyakit Parkinson, kegagalan jantung dan diabetes, di mana jenis sel yang telah hilang boleh digantikan dengan sel iPS milik pesakit sendiri, tanpa risiko tindak balas penolakan.

Apa yang didedahkan oleh perkembangan yang tersasar tentang sistem ini

Pada lalat buah, terdapat satu mutan bernama Antennapedia: satu gen Hox yang diekspresikan secara silap menyebabkan kaki yang lengkap tumbuh di kepala, menggantikan antena. Kaki itu dibina dengan betul — tetapi di tempat yang salah. Mutasi ini tidak mengubah pelan pembinaan kaki, sebaliknya mengubah "alamat"nya: program yang salah dimulakan di tempat yang salah. Mutasi homeotik sedemikian menunjukkan bahawa identiti segmen badan bukanlah proses berterusan, sebaliknya ditentukan oleh suis diskret.

Pada manusia, gangguan dalam program perkembangan membawa kepada kecacatan seperti polidaktili (jari lebih daripada biasa akibat isyarat Sonic Hedgehog yang tersasar), sumbing bibir-lelangit, atau kecacatan tiub neural. Gangguan-gangguan ini menunjukkan betapa tepatnya masa dan ruang ekspresi gen dalam embrio mesti berlaku — dan betapa banyaknya maklumat yang sudah menentukan bentuk dan fungsi pada hari-hari pertama perkembangan.

Kini, organoid — organ mini yang ditumbuhkan daripada sel stem di makmal — membolehkan pemerhatian langsung terhadap logik perkembangan ini. Daripada beberapa sel stem sahaja, terbentuk dalam piring kultur struktur yang meniru vilus usus, lipatan otak, atau lapisan retina. Struktur-struktur ini mengikut program genetik yang sama seperti dalam badan — dan menunjukkan bahawa pelan itu terkandung sepenuhnya dalam DNA.

Menulis semula pelan badan — dan membawa pulang yang lama

Jika identiti sel merupakan satu program yang dikawal secara epigenetik, dan gen Hox berfungsi hampir tanpa perubahan selama 600 juta tahun — apa yang berlaku apabila program-program ini digangu secara sengaja? Alat untuk itu telah wujud sejak 2012: CRISPR-Cas9, satu gunting molekul yang memotong dan mengubah DNA pada kedudukan yang dipilih dengan tepat. Apa yang dahulu mengambil masa bertahun-tahun kini boleh dicapai dalam beberapa minggu — dan menjadikan kemungkinan campur tangan yang sebelum ini hanya spekulasi semata-mata.

Projek yang paling terkenal ialah kepulangan mamot berbulu (woolly mammoth). Syarikat Colossal Biosciences sedang berusaha untuk memasukkan gen utama (pada asalnya kira-kira 60, kini lebih menghampiri 150) ke dalam genom Gajah Asia — gen untuk bulu tebal, lapisan lemak yang lebih tebal, hemoglobin yang tahan sejuk. Gajah itu bukan bertujuan menjadi klon, sebaliknya haiwan terubah suai secara genetik dengan ciri-ciri mamot: cukup tegap untuk tundra Siberia, tempat kepupusan bermula kira-kira 4,000 tahun dahulu. Matlamatnya bukan nostalgia, tetapi ekologi — megafauna yang boleh memampatkan semula tanah beku dan dengan itu mungkin melambatkan pencairan lapisan permafrost.

Penyelidikan Chickenosaurus pula campur tangan secara lebih langsung dalam genetik perkembangan. Burung bukanlah keturunan dinosaur — ia adalah dinosaur, garis keturunan terakhir Theropoda yang masih hidup. Gen untuk gigi, ekor, dan cakar tiga jari masih wujud dalam embrio ayam; ia hanya ditekan pada peringkat awal perkembangan. Dua pasukan penyelidik yang bekerja secara berasingan telah menunjukkan hal ini: Bhart-Anjan Bhullar dan rakan-rakannya, melalui perencatan sasaran terhadap laluan isyarat FGF dan Wnt, menghasilkan embrio ayam dengan muncung seakan dinosaur buat sementara waktu, menggantikan paruh; manakala satu pasukan yang diketuai oleh João Botelho dan Alexander Vargas mencapai struktur tulang kaki seakan dinosaur — menggantikan kaki burung yang tipikal — melalui laluan isyarat Indian Hedgehog, saudara kepada Sonic Hedgehog. Tiada haiwan yang dilahirkan hidup dalam proses ini — tetapi buktinya telah diperoleh: pelan bagi satu ciri dinosaur masih "tidur" dalam genom burung, menunggu untuk dibaca semula.

Apa yang menghubungkan projek-projek ini ialah prinsip teras genetik perkembangan: fenotip — bentuk yang dapat dilihat — bukanlah gambaran langsung DNA, sebaliknya hasil daripada satu program pelaksanaan yang dikawal oleh suis. Sesiapa yang mengetahui suis-suis ini boleh mengubah hasilnya. Persoalannya bukan lagi sama ada ini mungkin, tetapi setepat mana, sebertanggungjawab mana, dan — pada masa depan — sejauh mana.