Proyek Genom Manusia hanya menyatukan 92% DNA – sekarang para ilmuwan akhirnya mengisi 8% sisanya

Ketika Proyek Genom Manusia mengumumkan bahwa mereka telah menyelesaikan genom manusia pertama pada tahun 2003, itu adalah pencapaian penting – untuk pertama kalinya cetak biru DNA kehidupan manusia dibuka. Tapi itu menarik – mereka tidak dapat mengumpulkan semua informasi genetik dalam genom. Ada celah: wilayah tidak terisi, sering berulang, terlalu membingungkan untuk disatukan.

Berkat kemajuan teknologi yang mampu menangani urutan berulang ini, para ilmuwan akhirnya mengisi celah ini pada Mei 2021dan genom manusia ujung ke ujung pertama adalah resmi dirilis pada 31 Maret 2022.

saya adalah seorang ahli biologi genom yang mempelajari urutan DNA berulang dan bagaimana mereka membentuk genom sepanjang sejarah evolusi. Saya adalah bagian dari tim yang membantu cirikan urutan yang berulang hilang dari genom. Dan sekarang, dengan genom manusia yang benar-benar lengkap, daerah berulang yang ditemukan ini akhirnya dieksplorasi secara keseluruhan untuk pertama kalinya.

Potongan puzzle yang hilang

Ahli botani Jerman Hans Winkler menciptakan kata “genompada tahun 1920, menggabungkan kata “gen” dengan akhiran “-ome”, yang berarti “set lengkap”, untuk menggambarkan urutan DNA lengkap yang terkandung dalam setiap sel. Para peneliti masih menggunakan kata ini seabad kemudian untuk menunjuk materi genetik yang membentuk suatu organisme.

Salah satu cara untuk menggambarkan seperti apa genom adalah dengan membandingkannya dengan buku referensi. Dalam analogi ini, genom adalah antologi yang berisi instruksi DNA untuk kehidupan. Ini terdiri dari array yang luas dari nukleotida (huruf) yang dikemas ke dalam kromosom (bab). Setiap kromosom mengandung gen (paragraf) yang merupakan daerah DNA yang mengkode protein spesifik yang memungkinkan suatu organisme berfungsi.

Meskipun setiap organisme hidup memiliki genom, ukuran genom ini bervariasi dari spesies ke spesies. Seekor gajah menggunakan bentuk informasi genetik yang sama seperti rumput yang dimakannya dan bakteri di ususnya. Tetapi tidak ada dua genom yang identik. Beberapa pendek, seperti genom bakteri yang hidup pada serangga Nasuia deltocephalinicola dengan hanya 137 gen dari 112.000 nukleotida. Beberapa, seperti 149 miliar nukleotida tanaman berbunga paris japonicabegitu panjang sehingga sulit untuk mendapatkan gambaran tentang berapa banyak gen yang dikandungnya.

Tetapi gen seperti yang dipahami secara tradisional – sebagai segmen DNA yang mengkode protein – hanyalah sebagian kecil dari genom suatu organisme. Faktanya, mereka membentuk kurang dari 2% DNA manusia.

itu gen manusia mengandung sekitar 3 miliar nukleotida dan hanya di bawah 20.000 gen penyandi protein, atau sekitar 1% dari total panjang genom. 99% sisanya adalah urutan DNA non-coding yang tidak menghasilkan protein. Beberapa adalah komponen pengatur yang berfungsi sebagai standar untuk mengontrol fungsi gen lain. Lainnya adalah pseudogenatau peninggalan genomik yang telah kehilangan kemampuannya untuk berfungsi.

Dan lebih dari setengah genom manusia berulang, dengan banyak salinan dari urutan yang hampir identik.

Apa itu DNA berulang?

Bentuk paling sederhana dari DNA berulang adalah blok DNA yang diulang berulang-ulang secara bersamaan yang disebut satelit. Ketika berapa banyak DNA satelit genom tertentu bervariasi dari orang ke orang, mereka sering mengelompok ke arah ujung kromosom di daerah yang disebut telomer. Daerah ini melindungi kromosom dari degradasi selama replikasi DNA. Mereka juga ditemukan di sentromer kromosom, wilayah yang membantu menjaga informasi genetik tetap utuh saat sel membelah.

Para peneliti masih kekurangan pemahaman yang jelas tentang semua fungsi DNA satelit. Tetapi karena DNA satelit membentuk pola unik pada setiap orang, ahli biologi forensik dan silsilah menggunakannya. “sidik jari” genomik untuk mencocokkan sampel TKP dan melacak leluhur. Lebih dari 50 penyakit genetik terkait dengan variasi DNA satelit, termasuk: penyakit Huntington.

Jenis lain dari DNA berulang yang melimpah adalah elemen yang dapat dipindahkanatau urutan yang dapat bergerak melalui genom.

Beberapa ilmuwan telah menggambarkan mereka sebagai DNA egois karena mereka dapat memasukkan diri mereka sendiri di mana saja dalam genom, terlepas dari konsekuensinya. Ketika genom manusia berevolusi, banyak sekuens transposabel mengumpulkan mutasi menindas kemampuan mereka untuk bergerak untuk menghindari gangguan yang merusak. Tapi beberapa mungkin masih bisa bergerak. Misalnya, penyisipan elemen transposable terkait dengan sejumlah kasus hemofilia Akelainan perdarahan genetik.

Tapi elemen transposable tidak hanya mengganggu. Mereka dapat memiliki fungsi kontrol yang membantu untuk mengontrol ekspresi urutan DNA lainnya. Ketika mereka terkonsentrasi di sentromermereka juga dapat membantu menjaga integritas gen yang mendasar bagi kelangsungan hidup sel.

Mereka juga dapat berkontribusi pada evolusi. Para peneliti baru-baru ini menemukan bahwa penyisipan elemen transposabel ke dalam gen yang penting secara perkembangan dapat menjelaskan mengapa beberapa primata, termasuk manusia, tidak memiliki ekor lagi. Penataan ulang kromosom karena elemen transposabel bahkan terkait dengan genesis spesies baru seperti Owa Asia Tenggara dan walabi Australia.

Selesaikan teka-teki genomik

Sampai saat ini, banyak dari wilayah kompleks ini dapat dibandingkan dengan sisi jauh bulan: diketahui ada, tetapi tidak terlihat.

Ketika Proyek Genom Manusia pertama kali diluncurkan pada tahun 1990, keterbatasan teknologi telah membuat mustahil untuk sepenuhnya menemukan daerah berulang dalam genom. Teknologi pengurutan tersedia hanya bisa membaca sekitar 500 nukleotida pada satu waktu, dan fragmen pendek ini harus tumpang tindih untuk membuat ulang urutan penuh. Para peneliti menggunakan segmen yang tumpang tindih ini untuk mengidentifikasi nukleotida berikutnya dalam urutan, secara bertahap memperluas perakitan genom satu fragmen pada satu waktu.

Daerah-daerah kosong yang berulang-ulang ini seperti menyusun 1.000 bagian teka-teki gambar langit mendung: ketika setiap bagian tampak sama, bagaimana Anda tahu di mana satu awan dimulai dan yang lain berakhir? Dengan luasan tumpang tindih yang hampir identik di banyak tempat, sekuensing genom penuh sedikit demi sedikit menjadi tidak mungkin. Jutaan nukleotida tetap tersembunyi dalam iterasi pertama genom manusia.

Sejak itu, tambalan urutan secara bertahap mengisi celah dalam genom manusia. Dan pada tahun 2021, Konsorsium Telomer ke Telomer (T2T)sebuah konsorsium ilmuwan internasional yang bekerja untuk menyelesaikan perakitan genom manusia ujung ke ujung, mengumumkan bahwa semua celah yang tersisa telah akhirnya terisi.

Ini dimungkinkan oleh peningkatan teknologi pengurutan yang mampu mainkan urutan yang lebih panjang ribuan nukleotida panjangnya. Dengan lebih banyak informasi untuk menemukan urutan berulang dalam gambar yang lebih besar, menjadi lebih mudah untuk mengidentifikasi tempat mereka dalam genom. Seperti menyederhanakan 1.000 potong jigsaw menjadi 100 potong jigsaw, urutan baca yang panjang berhasil mungkin untuk mendaki daerah berulang yang besar untuk pertama kalinya.

Dengan kekuatan yang berkembang dari teknologi pengurutan DNA yang telah lama dibaca, ahli genetika berada pada posisi yang baik untuk menjelajahi era baru genomik, mengungkap urutan berulang yang kompleks di seluruh populasi dan spesies untuk pertama kalinya. Dan genom manusia yang lengkap dan bebas celah menyediakan sumber daya yang tak ternilai bagi para peneliti untuk mempelajari wilayah berulang yang membentuk struktur dan variasi genetik, evolusi spesies, dan kesehatan manusia.

Tetapi genom yang lengkap tidak merangkum semuanya. Upaya terus menciptakan berbagai referensi genom yang sepenuhnya mewakili populasi manusia dan hidup di bumi. Dengan referensi genomik telomer ke telomer yang lebih komprehensif, pemahaman para ilmuwan tentang materi gelap berulang DNA akan menjadi lebih jelas.

[Get fascinating science, health and technology news. Sign up for The Conversation’s weekly science newsletter.]