Selama lebih dari satu abad, biologi dipandu oleh prinsip pewarisan sifat yang pertama kali dijelaskan oleh Gregor Mendel melalui eksperimen kacang polongnya yang terkenal. Meskipun aturan-aturan ini menjelaskan berapa banyak sifat genetik yang diturunkan dari orang tua ke keturunannya, para ilmuwan juga mengetahui bahwa urutan DNA bukanlah segalanya.
Selain gen itu sendiri, orang tua juga dapat mewariskan perubahan epigenetik. Ini adalah modifikasi kimia yang mempengaruhi fungsi gen tanpa mengubah kode DNA yang mendasarinya.
Sekarang, sebuah penelitian baru yang didanai pemerintah federal pada tikus menunjukkan bahwa beberapa tanda epigenetik yang diwariskan ini tidak mengikuti hukum klasik Mendel. Para peneliti menemukan bahwa sekitar 7% model pewarisan epigenetik yang diperiksa berperilaku tidak terduga. Studi ini juga mengungkapkan bentuk pewarisan langka yang sebelumnya diamati pada tumbuhan dan lalat, namun tidak pada mamalia.
“Model pewarisan epigenetik non-Mendel dapat memberikan cara yang lebih cepat untuk memperoleh sifat-sifat yang beragam atau baru dibandingkan perubahan dalam rangkaian genom itu sendiri, terutama sebagai respons terhadap tekanan lingkungan,” kata Andrew Feinberg, MD, Profesor Terhormat Bloomberg di Fakultas Kedokteran Universitas Johns Hopkins, Fakultas Teknik Whiting, dan Fakultas Kesehatan Masyarakat Bloomberg, dan salah satu pemimpin penelitian bersama rekan-rekannya di Texas A&M University.
Hasilnya dipublikasikan pada 20 Mei di Genetika alami dan digarisbawahi dalam iringan Alam Pendek. Pekerjaan ini didukung oleh National Institutes of Health dan National Science Foundation.
Bagaimana Hukum Mendel Menjelaskan Warisan
Hukum Mendel menggambarkan bagaimana berbagai versi gen, yang disebut alel, diturunkan dari satu generasi ke generasi berikutnya. Pada mamalia, keturunannya mewarisi satu alel dari masing-masing orangtua. Beberapa alel bersifat dominan, artinya ciri-cirinya terekspresikan, sementara alel lainnya bersifat resesif dan tetap tersembunyi ketika dikaitkan dengan alel dominan.
Prinsip-prinsip ini membentuk dasar genetika modern. Namun, para ilmuwan telah mengidentifikasi pengecualian yang melibatkan mekanisme epigenetik seperti pencetakan genom. Dalam kasus ini, aktif atau tidaknya suatu alel mungkin bergantung pada apakah alel tersebut diwarisi dari ibu atau ayah, dan bukan pada apakah alel tersebut dominan atau resesif.
Studi baru ini menemukan contoh tambahan pencetakan genom dan beberapa bentuk pewarisan lain yang tidak sesuai dengan kerangka tradisional Mendel.
Bukti baru pewarisan epigenetik non-Mendel
Dalam pencetakan genom, sebuah alel dapat ditandai secara kimia melalui proses yang disebut metilasi dan dimatikan secara efektif. Tanda ini bisa berasal dari sperma atau sel telur dan diturunkan kepada keturunannya.
Para peneliti mengidentifikasi jejak pada lima gen tambahan.
Di luar temuan ini, tim juga menemukan bahwa pewarisan epigenetik non-Mendel mungkin terjadi lebih sering daripada yang diperkirakan sebelumnya. Mereka juga menemukan pola epigenetik bawaan yang tidak dapat dikaitkan dengan salah satu orangtua.
Untuk mempelajari efek ini, para ilmuwan melacak metilasi DNA, suatu modifikasi epigenetik umum di mana kelompok kimia yang mengandung atom karbon dan hidrogen menempel pada daerah promotor yang mengatur aktivasi atau penonaktifan gen.
Penelitian tersebut meneliti sampel jaringan dari tiga generasi tikus berusia 4 hingga 6 bulan. Generasi pertama terdiri dari 26 ekor mencit, disusul 34 keturunan pada generasi kedua dan 19 ekor pada generasi ketiga.
Para peneliti menganalisis sebagian besar genom tikus, memantau urutan genetik dan 12 pola metilasi DNA yang diturunkan sebelumnya.
Proyek ini mempertemukan para peneliti dari Johns Hopkins University dan Texas A&M University. Feinberg bekerja bersama penulis David Threadgill, Ph.D., Regents Professor di Texas A&M, dan Kasper Hansen, Ph.D., profesor biostatistik di Johns Hopkins Bloomberg School of Public Health. Mahasiswa pascasarjana Johns Hopkins, Adam Davidovich, membantu mengembangkan pendekatan laboratorium dan komputasi baru untuk mempelajari data genomik dan metilasi secara bersamaan.
Ciri-ciri yang muncul tanpa tanda orang tua
Dalam kumpulan data tersebut, para peneliti mengidentifikasi 522 kasus, mewakili sekitar 7% dari pola pewarisan epigenetik yang diperiksa pada kromosom non-seks, yang tidak sesuai dengan ekspektasi Mendel.
Diantaranya adalah 54 kejadian langka atau “muncul” yang tidak terjadi pada kedua orang tuanya.
Dalam satu contoh, dua tikus yang kekurangan metilasi pada alel tertentu menghasilkan keturunan yang kedua salinan alel tersebut membawa metilasi.
“Metilasi sepertinya muncul begitu saja,” kata Feinberg.
Hasil ini menunjukkan bahwa ciri-ciri epigenetik tertentu dapat muncul pada keturunannya melalui mekanisme yang masih kurang dipahami.
Bukti pertama parameterisasi pada mamalia
Penelitian tersebut juga mengungkap fenomena keturunan langka yang disebut paramutasi pada gen yang disebut Kapten11yang memainkan peran penting dalam perkembangan normal sperma. Perubahan gen ini pada versi manusia telah dikaitkan dengan infertilitas dan kelainan terkait sperma.
Paramutasi terjadi ketika metilasi yang ada pada satu alel memicu metilasi pada alel lain.
“Ini hampir seperti metilasi ditransfer ke alel lain,” kata Feinberg.
Paramutasi ditemukan di wilayah yang terkait dengan elemen genetik berulang yang diketahui dipengaruhi oleh paparan lingkungan. Para peneliti mencatat bahwa perubahan epigenetik sebelumnya dikaitkan dengan faktor-faktor seperti pola makan, stres dan trauma.
Implikasinya terhadap kesehatan dan penyakit manusia
Menurut Hansen, hasil penelitian ini menyoroti pentingnya mempelajari genetika dan epigenetika secara bersamaan ketika mempelajari sifat-sifat yang diturunkan dan risiko penyakit.
“Pekerjaan ini dapat meyakinkan para ilmuwan untuk lebih sering mengintegrasikan genomik dan epigenomik untuk mendapatkan pemahaman komprehensif tentang bagaimana sifat-sifat yang menghasilkan penyakit dan keadaan sehat diwariskan,” kata Hansen.
Untuk melakukan penelitian, tim mengandalkan teknologi pengurutan DNA yang telah lama dibaca, yang mampu menganalisis segmen DNA mulai dari sekitar 10.000 pasangan basa hingga lebih dari satu juta pasangan basa. Meskipun lebih padat karya dibandingkan pengurutan bacaan singkat, teknik ini memberikan gambaran yang lebih jelas tentang perbedaan alelik dan lokasi metilasi yang jauh.
Ke depannya, para peneliti berencana mempelajari pola penularan serupa pada data genom manusia. Studi semacam ini dapat membantu ahli genetika klinis lebih memahami penyakit bawaan dan mengungkap bagaimana pengaruh lingkungan, termasuk pola makan, dapat memengaruhi penularan epigenetik dari satu generasi ke generasi berikutnya.
Penulis penelitian lainnya termasuk Danila Cuomo dan Alexandra Naron dari Texas A&M University; Hang Su dan Leonard McMillan dari Universitas North Carolina di Chapel Hill; dan Sandeep Kambhampati, Qingqing Gong dan Rakel Tryggvadottir dari Johns Hopkins.
Pendanaan untuk penelitian ini disediakan oleh National Institutes of Health (DP1DK119129, R35GM149323, RM1HG008529, R01DK130333), National Science Foundation, dan hibah awal dari Texas A&M Health Science Center.
