Gen Penentu Pertumbuhan Otak

Sebuah studi baru berhasil mempelajari bagaimana otak manusia tumbuh jauh lebih besar—dengan jumlah neuron tiga kali lebih banyak—dibanding otak milik simpanse atau gorila.

Penelitian oleh para peneliti di Medical Research Council (MRC) Laboratory of Molecular Biology di Cambridge, Inggris, ini mengidentifikasi tombol molekuler utama yang dapat membuat organoid otak kera tumbuh seperti pada manusia.

Studi yang terbit dalam jurnal Cell pada pekan lalu ini membandingkan organoid otak—jaringan tiga dimensi (3D) yang tumbuh dari sel induk yang menjadi model perkembangan otak awal—yang tumbuh dari sel induk manusia, gorila, dan simpanse. Mirip dengan otak sebenarnya, organoid otak manusia tumbuh jauh lebih besar dari organoid spesies kera lain.

"Hal ini memberikan wawasan tentang apa yang membedakan kita dengan kerabat terdekat kita, yakni kera besar. Perbedaan paling mencolok adalah betapa besarnya otak kita,” kata Madeline Lancaster dari MRC Laboratory, yang memimpin penelitian ini.

Selama tahap awal perkembangan otak, neuron dibuat oleh sel induk yang disebut “nenek moyang saraf”. Sel-sel awal memiliki bentuk silinder yang memudahkannya membelah menjadi sel anak yang identik dengan bentuk serupa.

Semakin banyak sel saraf progenitor berkembang biak pada tahap ini, semakin banyak neuron. Saat sel-sel matang akan memperlambat perkaliannya, mereka memanjang, berbentuk seperti kerucut es krim.

Sebelumnya, penelitian pada tikus menunjukkan bahwa sel saraf progenitor matang menjadi berbentuk kerucut dan memperlambat penggandaannya dalam beberapa jam.

Besarnya suatu area pada otak manusia, dibandingkan dengan area yang sama pada simpanse, sangat berpengaruh jauh pada fungsi kognitif. Area itu antara lain prefrontal, asosiasi temporal, dan korteks asosiasi parietal.

Kini, organoid otak memungkinkan para peneliti untuk mengungkap bagaimana perkembangan ini terjadi pada manusia, gorila, dan simpanse. Mereka menemukan bahwa transisi ini pada gorila dan simpanse memakan waktu lama, terjadi selama kurang-lebih lima hari.

Nenek moyang manusia bahkan lebih terlambat dalam transisi ini, yang memakan waktu sekitar tujuh hari. Sel nenek moyang manusia mempertahankan bentuk seperti silinder lebih lama dari kera, dan selama waktu ini mereka lebih sering membelah, menghasilkan lebih banyak sel.

Perbedaan kecepatan transisi dari nenek moyang saraf ke neuron memiliki arti bahwa sel manusia mempunyai lebih banyak waktu untuk berkembang biak. Hal ini mungkin menjadi penyebab jumlah neuron di otak manusia tiga kali lipat lebih banyak dibanding otak gorila atau simpanse.

“Kami telah menemukan bahwa perubahan bentuk sel yang tertunda di otak awal sudah cukup untuk mengubah jalannya perkembangan, membantu menentukan jumlah neuron yang dibuat,” ucap Lancaster.

Ia menambahkan, perubahan evolusioner yang relatif sederhana pada bentuk sel dapat memiliki konsekuensi besar dalam evolusi otak. “Saya merasa kita benar-benar telah mempelajari sesuatu yang mendasar tentang pertanyaan apa yang membuat kita menjadi manusia,” ujarnya.

Untuk mengungkap mekanisme genetik yang mendorong perbedaan ini, para peneliti membandingkan ekspresi gen—gen yang dinyalakan dan dimatikan—di organoid otak manusia versus kera. Mereka mengidentifikasi perbedaan dalam gen yang disebut ZEB2, yang diaktifkan lebih cepat pada organoid otak gorila daripada di organoid manusia.

Untuk menguji efek gen pada sel progenitor gorila, mereka menunda efek ZEB2. Hal ini memperlambat pematangan sel-sel nenek moyang, membuat organoid otak gorila berkembang lebih mirip dengan manusia—lebih lambat dan lebih besar.

Sebaliknya, mengaktifkan gen ZEB2 lebih cepat dalam sel nenek moyang manusia mendorong transisi dini dalam organoid manusia, sehingga mereka berkembang lebih seperti organoid kera.

Para peneliti mencatat bahwa organoid adalah model dan, seperti semua model, tidak sepenuhnya mereplikasi otak yang sebenarnya, terutama fungsi otak yang matang.

Namun, untuk pertanyaan mendasar tentang evolusi kita, jaringan otak di dalam ini memberi pandangan yang belum pernah terjadi sebelumnya ke dalam tahapan kunci perkembangan otak yang tidak mungkin dipelajari sebaliknya.

SCIENCE DAILY | FIRMAN ATMAKUSUMA