30 Sep 2019 Genetics Indonesia

Sensus Genetik Mikrobioma Manusia

Dalam sebuah studi yang diterbitkan di Cell Host & Microbe, tim ahli mikrobiologi dan bioinformatika menawarkan sekilas dari serangkaian gen yang membentuk semesta bakteri di dalam dari kita.

Temuan sejauh ini: Mungkin ada lebih banyak gen dalam mikrobioma manusia daripada bintang di alam semesta yang dapat diamati, dan setidaknya setengah dari gen ini tampaknya unik untuk masing-masing individu--keragaman yang jauh melebihi harapan para peneliti.

Penelitian ini diyakini sebagai analisis terbesar sampai saat ini dan yang pertama mencakup sampel DNA dari bakteri yang berada di mulut dan usus. Studi sebelumnya berfokus pada satu atau yang lain.

Meski begitu, karya tersebut hanya menandai awal dari upaya untuk menganalisis seluruh genom mikrobioma manusia.

"Kami adalah studi gateway, langkah pertama pada apa yang kemungkinan akan menjadi perjalanan panjang menuju pemahaman bagaimana perbedaan dalam konten gen mendorong perilaku mikroba dan memodifikasi risiko penyakit," kata penulis pertama studi Braden Tierney, seorang mahasiswa pascasarjana di Harvard Medical School.

Jejak mikroba untuk terapi yang lebih tepat

Para ilmuwan memperkirakan bahwa mikrobioma manusia--tubuh mikroba kolektif yang mengisi usus, mulut, kulit, dan bagian tubuh lainnya--mengandung triliunan bakteri, kebanyakan tidak berbahaya, banyak yang bermanfaat, dan beberapa penyebab penyakit.

Bukti-bukti yang meningkat telah mengungkapkan peran mikroba ini sebagai modulator kuat penyakit dan kesehatan. Perubahan dalam jumlah bakteri dan kandungan bakteri telah dikaitkan dengan perkembangan kondisi mulai dari karies gigi dan infeksi usus sampai yang lebih serius, termasuk penyakit radang usus kronis, diabetes dan multiple sclerosis.

Sebagian besar penelitian hingga saat ini berfokus pada pemetaan jenis bakteri yang menghuni tubuh kita. Terutama untuk menentukan apa dan bagaimana keberadaan spesies bakteri tertentu dapat memengaruhi risiko penyakit. Sebaliknya, penelitian baru menggali jauh lebih dalam, melihat gen yang membentuk berbagai spesies dan strain mikroba.

Mempelajari spesies bakteri saja hanya akan memberikan petunjuk parsial tentang peran mikroorganisme ini dalam penyakit dan kesehatan, kata para peneliti. Mengingat bahwa kandungan genetik sangat bervariasi antara mikroba yang sama, sehingga memahami bagaimana dan apakah gen mikroba individu memengaruhi risiko penyakit adalah sesuatu yang sama pentingnya.

"Sama seperti tidak ada dua saudara kandung yang identik secara genetis, juga tidak ada dua jenis bakteri yang identik secara genetis," kata rekan penulis studi Chirag Patel, asisten profesor informatika biomedis di Blavatnik Institute di Harvard Medical School.

"Dua anggota dari strain bakteri yang sama dapat memiliki perbedaan genetik yang sangat berbeda, sehingga informasi tentang spesies bakteri saja dapat menutupi perbedaan kritis yang muncul dari variasi genetik."

Membuat katalog susunan gen mikroba dapat menginformasikan desain perawatan yang ditargetkan tepat, kata rekan penulis studi senior Alex Kostic, asisten profesor mikrobiologi di Harvard Medical School.

"Terapi yang ditargetkan secara sempit seperti itu akan didasarkan pada susunan genetik mikroba seseorang yang unik dan bukan pada tipe bakteri saja," kata Kostic.

“Selain itu, membuat profil gen unik yang membentuk microbiome seseorang dapat bertindak sebagai bentuk jejak mikroba yang memberikan petunjuk berharga tentang paparan masa lalu terhadap berbagai patogen atau pengaruh lingkungan, serta kecenderungan penyakit,” tambah Kostic.

Organ evolusi mikroba

Dalam studi tersebut, para peneliti menetapkan untuk memperkirakan ukuran semesta gen mikroba dalam tubuh manusia, mengumpulkan semua data pengurutan DNA yang tersedia untuk umum tentang mikrobioma oral dan usus manusia. Secara total, mereka menganalisis DNA sekitar 3.500 sampel mikrobioma manusia, yang lebih dari 1.400 diperoleh dari mulut dan 2.100 dari perut manusia.

Ada hampir 46 juta gen bakteri dalam 3.500 sampel - sekitar 24 juta di microbiome oral dan 22 juta di microbiome usus.

Lebih dari setengah dari semua gen bakteri (23 juta) hanya terjadi satu kali, menjadikannya unik bagi individu. Para peneliti menyebut gen unik ini Single. Dari 23 juta single, 11,8 juta berasal dari sampel oral dan 12,6 juta berasal dari sampel usus.

Memperkuat intrik, gen singleton ini juga tampak berperilaku berbeda dari gen lain, para peneliti mengamati: mereka melakukan fungsi yang berbeda.

Gen yang umum dibagikan, analisis menunjukkan, tampaknya terlibat dalam fungsi dasar yang lebih atau kurang penting untuk kelangsungan hidup sehari-hari mikroba, seperti konsumsi dan pemecahan enzim, konversi energi dan metabolisme. Sebaliknya, gen unik cenderung melakukan fungsi yang lebih khusus, seperti mendapatkan resistensi terhadap antibiotik dan tekanan lain dan membantu membangun dinding sel pelindung mikroba yang melindunginya dari serangan eksternal.

Temuan ini, kata tim itu, menunjukkan bahwa gen tunggal adalah bagian kunci dari alat survival evolusi mikroba.

"Beberapa gen unik ini tampaknya penting dalam menyelesaikan tantangan evolusi," kata Tierney. "Jika mikroba perlu menjadi resisten terhadap antibiotik karena terpapar obat atau tiba-tiba menghadapi tekanan selektif baru, gen tunggal mungkin merupakan sumber mata air keanekaragaman genetik yang dapat ditarik oleh mikroba untuk beradaptasi."

Tapi apa yang mendorong keragaman gen seperti itu?

Jawaban untuk pertanyaan ini tetap menjadi subjek penelitian lebih lanjut, kata para peneliti, tetapi mereka percaya setidaknya ada dua pendorong penting variasi genetik.

Salah satunya adalah kecenderungan mikroba akan pertukaran material DNA secara bebas dengan tetangga mereka--sebuah fenomena yang dikenal sebagai transfer gen horizontal. Untuk menguji hipotesis ini, para peneliti melakukan jenis analisis khusus yang mendeteksi konten molekuler bersama antara dua organisme.

Hal yang mengejutkan, mereka menemukan sedikit bukti bahwa transfer gen horizontal adalah sumber utama keunikan genetik. Memang, kurang dari 1 persen gen unik yang terdeteksi dalam sampel oral dan hanya di bawah 2 persen dari gen yang ditemukan dalam usus tampaknya telah muncul melalui pertukaran gen tetangga ini.

Para peneliti pun berhipotesis, pendorong keragaman genetik yang lain yang lebih kuat, bisa jadi adalah kemampuan bakteri untuk berevolusi DNA mereka dengan cepat sebagai respons terhadap perubahan di lingkungan inang.

Studi saat ini tidak dirancang untuk mendeteksi perubahan lingkungan yang tepat yang mendorong variasi ini, tetapi contoh perubahan tersebut dapat mencakup jenis makanan apa yang dikonsumsi seseorang, obat apa yang mereka gunakan, pilihan gaya hidup yang mereka buat, paparan lingkungan apa yang mereka temui, dan apa saja perubahan fisiologis pada inang. Termasuk regulasi dan downregulasi dalam berbagai gen inang atau apakah seseorang mengembangkan suatu penyakit.

Dengan satu perhitungan, jumlah itu bisa menjadi sekitar 232 juta, studi ini memperkirakan. Perkiraan lain, bagaimanapun, menghasilkan jumlah yang sebanding dengan jumlah atom di alam semesta.

"Meski belum menemukan jumlah pasti, namun apa pun itu, kami berharap bahwa katalog kami, bersama dengan aplikasi web yang dapat ditelusuri, akan memiliki banyak kegunaan praktis dan menebar banyak arah penelitian di bidang hubungan host-mikroba."

Sumber: The Landscape of Genetic Content in the Gut and Oral Human MicrobiomeCell Host & Microbe, 2019; 26 (2): 283 DOI: 10.1016/j.chom.2019.07.008

Genetika


30 Sep 2019 Genetics Indonesia