Bhataramedia.com – Mitokondria tidak hanya sebagai sumber daya dari sel kita, struktur kecil ini juga memainkan peran sentral dalam fisiologi kita. Selanjutnya, dengan memungkinkan respon fisiologis yang fleksibel dengan lingkungan baru, mitokondria telah membantu manusia dan mamalia lain untuk beradaptasi dan berevolusi sepanjang sejarah kehidupan di bumi.
Seorang ilmuwan perintis dalam biologi mitokondrial, Douglas C. Wallace, Ph.D., mensintesis bukti pentingnya mitokondria pada artikel perspektif provokatif di jurnal Cell.
Mitokondira yang ada pada jumlah besar di luar inti dari setiap sel, mengandung DNA mereka sendiri, dengan fitur-fitur unik yang “mungkin memerlukan penilaian ulang dari beberapa asumsi inti kita tentang genetika manusia dan teori evolusi,” jelas Wallace, direktur Center for mitokondria dan Epigenomic Medicine di Rumah Sakit Anak Philadelphia.
Wallace telah menyelidiki mitokondria selama lebih dari 40 tahun. Pada tahun 1988, dia adalah orang pertama yang menunjukkan bahwa mutasi pada DNA mitokondria (mtDNA) dapat menyebabkan pewarisan penyakit manusia. Penelitiannya telah difokuskan pada bagaimana mutasi mtDNA berkontribusi terhadap penyakit langka dan umum dengan mengganggu bioenergetika, reaksi kimia yang menghasilkan energi pada tingkat sel.
Wallace dan rekan-rekannya sebelumnya telah menunjukkan bahwa pada akhir tahun 1970, DNA mitokondria manusia diwariskan secara eksklusif melalui ibu. Mereka kemudian menggunakan pengetahuan ini untuk merekonstruksi migrasi kuno wanita dengan membandingkan variasi mtDNA antara populasi di seluruh dunia. Dari studi tersebut, para ilmuwan telah menyimpulkan bahwa manusia muncul di Afrika sekitar 200.000 tahun yang lalu dan bahwa hanya dua garis keturunan mtDNA berhasil meninggalkan Afrika sekitar 65.000 tahun yang lalu untuk menjajah seluruh dunia.
Berdasarkan wawasan dari studi migrasi manusia tersebut, Wallace mengambil pertanyaan ilmiah lama yang diajukan oleh evolusi Darwin, baik pada manusia dan spesies lainnya. Seiring perpindahan subpopulasi ke daerah terisolasi, bagaimana mereka tetap terisolasi selama waktu yang cukup panjang untuk memunculkan sifat yang menunjukkan suatu spesies dalam gen inti sel dan menjadi diperkaya oleh seleksi alam untuk mengizinkan spesiasi?
Sebagian besar dari 20.000 atau lebih gen kita ada dalam DNA pada inti setiap sel, berbeda dari 13 gen penyandi protein dalam mtDNA. Namun, Wallace berpendapat bahwa mutasi mtDNA menyediakan adaptasi yang lebih cepat dan lebih fleksibel terhadap perubahan lingkungan dibandingkan mutasi DNA inti sel. mtDNA memiliki laju mutasi yang lebih tinggi dari DNA inti sel, yang dengan sendirinya mungkin membahayakan kelangsungan hiduo spesies, karena sebagian besar mutasi DNA merusak. Namun, mutasi mtDNA mengubah fisiologi pada tingkat sel tunggal. Oleh karena itu, sel-sel dalam ovarium ibu yang menampung mutasi mtDNA yang paling merusak dapat dihilangkan oleh seleksi alam sebelum pembuahan. Jadi hanya varian mtDNA ringan, subset dari yang mungkin berpotensi menguntungkan, yang diperkenalkan ke populasi.
Tingkat mutasi yang tinggi di mtDNA ditambah seleksi ovarium, memberikan alat yang ampuh bagi manusia (dan hewan) untuk beradaptasi dengan perubahan lingkungan, tanpa membahayakan kelangsungan hidup populasi secara keseluruhan. DNA mitokondria juga melakukan pertukaran sinyal dengan DNA inti sel, dan interaksi ini membantu mendorong evolusi proses fisiologis dari waktu ke waktu. Wallace berpendapat bahwa populasi yang meluas ke ruang lingkungan marjinal, , mengadaptasi fisiologi mereka melalui mutasi mtDNA untuk lebih mengeksploitasi sumber makanan yang terbatas dan sumber daya lainnya di lingkungan itu. Hal ini memungkinkan pendudukan berkepanjangan lingkungan marjinal, memberikan waktu yang cukup bagi mutasi DNA inti sel untuk menghasilkan struktur anatomi yang tepat untuk mengeksploitasi sumber daya makanan lebih banyak di lingkungan baru.
Untuk mendukung hipotesis tersebut, Wallace mengusulkan bahwa variasi mitokondria dapat mengakibatkan pengorbanan energi penting. Pada tingkat sel, mitokondria mengkonversi oksigen dan senyawa kimia kaya energi (ATP), sementara juga menghasilkan panas. Pada iklim tropis, proses “coupling” ini secara maksimal efektif, memungkinkan produksi yang lebih efisien dari ATP dengan produksi panas minimal. Di Kutub Utara, konversi makanan menjadi ATP kurang efisien, membutuhkan lebih banyak kalori untuk dikonsumsi dengan jumlah yang sama dari ATP, dan ini menghasilkan panas lebih banyak. Pola yang berbeda dari variasi mtDNA ini, bermanfaat pada daerah beriklim hangat dan beriklim dingin. Demikian pula, varian mtDNA tertentu, diperkaya dalam populasi Tibet, menunjukkan bahwa variasi mtDNA dapat mengizinkan adaptasi terhadap tekanan oksigen rendah pada ketinggian tinggi.
Wallace juga mengutip beberapa penelitian yang menunjukkan bahwa variasi mtDNA regional berkorelasi dengan kecenderungan untuk berbagai penyakit metabolik dan degeneratif, termasuk Alzheimer dan penyakit Parkinson, diabetes, obesitas, dan penyakit kardiovaskular.
Ahli biologi telah lama mengetahui bahwa adaptasi yang memberi keuntungan dalam satu lingkungan dapat menjadi kurang menguntungkan dalam lingkungan lain. Wallace menunjukkan kontributor penting untuk fenomena ini dapat menjadi adaptasi fisiologis variasi mtDNA. Dia mendalilkan bahwa seiring migrasi populasi dan pola diet yang menjadi global, orang-orang dengan mtDNA yang dioptimalkan untuk satu lingkungan (misalnya mereka yang makan diet sub-Sahara Afrika), kemungkinan tidak dapat beradaptasi dengan lingkungan lain, di mana mereka dapat mengkonsumsi makanan Eropa Tengah. “Karena mitokondria memiliki peran penting dalam fisiologi kita, perubahan DNA mitokondria dapat memiliki efek mendalam pada biologi manusia,” tambahnya, seperti diansir Children’s Hospital of Philadelphia (24/09/2015).
Penelitian in didukung oleh Simon Foundation dan National Institutes of Health (hibah NS021328 dan CA182384). Selain posisi CHOP nya, Wallace adalah pengajar di Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania.
Referensi Jurnal :
Douglas C. Wallace. Mitochondrial DNA Variation in Human Radiation and Disease. Cell, 2015; 163 (1): 33 DOI: 10.1016/j.cell.2015.08.067.
