Ketika otak berkembang, neuron-neuron yang baru terbentuk harus melakukan perjalanan melalui jaringan yang padat untuk mencapai tujuan akhir mereka di korteks serebral, di mana mereka menjadi bagian dari jaringan komunikasi otak. Perjalanan ini memaksa sel melewati ruang sempit antara serat dan sel tetangga.
Sebuah studi baru yang diterbitkan di Alam mengungkapkan konsekuensi tak terduga dari proses ini. Para peneliti dari Institute for Integrated Cellular Materials Sciences (WPI-iCeMS) Universitas Kyoto dan lembaga-lembaga yang berkolaborasi telah menemukan bahwa migrasi neuron secara teratur mengalami kerusakan DNA yang signifikan. Secara khusus, sel mengalami putusnya untai ganda, suatu bentuk kerusakan DNA yang parah di mana kedua untai heliks ganda DNA terpotong.
Meskipun putusnya rantai ganda biasanya dikaitkan dengan mutasi, disfungsi seluler, dan bahkan kematian sel, para peneliti telah menemukan bahwa putusnya rantai ganda merupakan bagian integral dari perkembangan korteks serebral. Dalam otak yang sehat, kerusakan akan segera diperbaiki sebelum menyebabkan masalah yang berkepanjangan.
“Otak yang sedang berkembang tampaknya telah berevolusi untuk secara efisien menoleransi dan memperbaiki kerusakan saraf,” jelas Profesor Mineko Kengaku, dari WPI-iCeMS, yang memimpin penelitian tersebut. “Tetapi memahami batas toleransi ini – dan apa yang terjadi ketika perbaikan tidak selesai – membawa kita lebih dekat untuk memahami berbagai kondisi neurologis.”
Kerusakan DNA selama migrasi neuron
Untuk mempelajari bagaimana kerusakan ini terjadi, para peneliti menciptakan kembali tantangan fisik yang dihadapi dalam pengembangan neuron. Mereka memandu neuron melalui saluran mikro kecil yang dirancang untuk meniru ruang terbatas yang ditemukan di jaringan otak yang sedang tumbuh.
Dengan menggunakan penanda fluoresen, tim mengamati kerusakan DNA beruntai ganda yang muncul ketika neuron bergerak melalui saluran tersebut. Begitu sel muncul di sisi lain, kerusakannya berangsur-angsur hilang. Sebagian besar kerusakan diperbaiki dalam waktu 24 jam dan neuron terus berfungsi normal.
Para peneliti mengidentifikasi sumber kerusakan adalah topoisomerase IIβ, enzim yang biasanya membantu sel mengatasi stres di dalam DNA. Dalam kondisi normal, enzim memotong untaian DNA untuk sementara waktu untuk mengurangi lilitan dan ketegangan yang ditimbulkan oleh aktivitas seluler rutin sebelum menyambungkannya kembali.
Prosesnya dapat dibandingkan dengan memotong kabel yang kusut untuk menghilangkan kekusutan dan kemudian menyambungkannya kembali. Namun, ketika neuron terkena tekanan mekanis saat mereka masuk melalui ruang sempit, enzim dapat terperangkap di tengah proses, meninggalkan bagian DNA yang rusak. Sel kemudian bergantung pada mekanisme perbaikan yang disebut penggabungan ujung non-homolog untuk menyambung kembali ujung DNA yang rusak.
Mengapa neuron pulih sementara sel lain tidak?
Tim menemukan bahwa kerusakan DNA saraf berbeda dari kerusakan yang terlihat pada beberapa sel kanker yang bersirkulasi di saluran mikro yang sama. Pada sel kanker, kerusakan DNA cenderung terjadi lebih acak dan dapat mengganggu aktivitas normal sel atau memicu kematian sel.
Sebaliknya, kerusakan DNA pada neuron terutama terkonsentrasi di wilayah genom yang tidak terlibat aktif dalam fungsi gen penting. Karena gen-gen esensial sebagian besar tidak ada, sel-sel mampu mempertahankan fungsi normal meskipun terjadi kerusakan sementara.
Ketika perbaikan DNA gagal
Untuk mengeksplorasi konsekuensi dari kegagalan perbaikan, para peneliti merekayasa tikus yang neuron otak kecilnya yang baru terbentuk kekurangan Ligase 4, suatu enzim yang diperlukan untuk memperbaiki kerusakan DNA.
Tikus berkembang secara normal dan tidak menunjukkan kelainan awal yang jelas. Namun, ketika mereka mencapai usia dewasa, mereka mulai mengalami masalah keseimbangan yang ringan namun lambat laun memburuk. Gejala-gejala ini mirip dengan yang diamati pada kelainan tertentu pada manusia yang terkait dengan ketidakstabilan genom yang mempengaruhi otak kecil.
Petunjuk tentang keragaman otak dan penyakit
Temuan ini menunjukkan bahwa kerusakan dan perbaikan DNA mungkin memainkan peran yang lebih penting dalam biologi otak daripada yang diperkirakan sebelumnya. Para peneliti sekarang ingin memahami apakah perubahan DNA awal ini berkontribusi terhadap perbedaan antara neuron individu dan apakah perubahan tersebut mempengaruhi perkembangan saraf atau penyakit neurodegeneratif di kemudian hari.
“Ini mengubah persepsi kita terhadap genom saraf,” jelas Profesor Kengaku. “Semua neuron berasal dari DNA yang sama, namun kerusakan dan perbaikan DNA dapat menimbulkan perbedaan genetik kecil antara neuron individu selama perjalanan mekanis kecil. Sebagian dari cerita ini mungkin tertulis dalam genom itu sendiri.”
Penelitian ini dilakukan sebagai bagian dari kolaborasi yang melibatkan Universitas Kyoto, Universitas Tokyo, Universitas Osaka, Universitas Nasional Singapura, dan Institut Ilmu Kedokteran Metropolitan Tokyo.
