Setiap tahun, jutaan calon orang tua berputus asa dan ketakutan ketika mengetahui anak mereka dilahirkan dengan cacat lahir; peristiwa yang sering menghancurkan dan memengaruhi satu dari 20 anak yang lahir di seluruh dunia. Pembentukan organ, anggota tubuh, dan wajah kita adalah hasil dari gerakan dan perilaku koreografi yang dilakukan dengan hati-hati oleh jutaan sel, seperti halnya penari dalam satu kelompok. Jika beberapa sel tidak sampai ke posisi yang tepat dan melakukan pekerjaan mereka dengan benar, hasil akhirnya adalah cacat lahir. Namun, bagaimana masing-masing sel tahu apa yang harus dilakukan pada waktu dan tempat yang tepat, masih menjadi misteri. Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan dalam jurnal ilmiah Nature, tim peneliti di Gladstone Institutes, bekerja sama dengan Pusat Biomedik Sistem Luksemburg (LCSB) dari University of Luxembourg, mengungkapkan untuk pertama kalinya spektrum penuh sel yang datang bersama-sama untuk menyusun organ jantung pada tahap awal pembentukan embrio. Mereka juga mengungkap bagaimana sel-sel dikendalikan, dan bagaimana mutasi pada satu gen saja dapat memiliki konsekuensi bencana dengan memengaruhi sekelompok kecil sel yang membentuk organ. Cacat jantung bawaan adalah cacat lahir manusia yang paling umum dan paling mematikan. Berkat munculnya teknologi baru yang kuat yang dikenal sebagai sekuensing RNA sel tunggal, para peneliti akhirnya dapat membedakan peran puluhan ribu sel individu selama pembentukan jantung, yang penting untuk menentukan bagaimana mutasi genetik menyebabkan penyakit. . "Dengan pengurutan genom, kita sekarang dapat lebih mudah menemukan varian genetik yang kita anggap berkontribusi pada suatu penyakit," kata Presiden Gladstone dan Investigator Senior Deepak Srivastava, MD, yang memimpin penelitian. "Tantangan besar adalah mencari tahu tipe sel spesifik di mana varian ini berfungsi dan bagaimana sel-sel itu terkena dampaknya. Hal ini khususnya sulit untuk cacat lahir, mengingat bahwa varian genetik hanya memengaruhi sebagian kecil sel dalam organ. Dengan teknologi sel tunggal, kita akhirnya bisa mulai mengungkap mekanisme di balik cacat yang kita tahu penyebab genetiknya. " Katalog yang dikompilasi Srivastava dan timnya berisi semua gen yang aktif selama berbagai tahap perkembangan jantung dan mengidentifikasi sel-sel di mana mereka dapat ditemukan. Ini merupakan langkah pertama dalam membuat hubungan antara varian genetik dan jenis sel tertentu. "Ini dapat memberi tahu kita, di antara banyak hal lain, subset sel mana yang melakukan fungsi kritis di daerah-daerah jantung tertentu dan yang berkontribusi pada penyebab penyakit yang terkait dengan mutasi genetik," jelas Yvanka De Soysa, seorang mahasiswa pascasarjana di laboratorium Srivastava dan penulis pertama studi ini. Sumber Kaya Data tentang Pengembangan Jantung Untuk melengkapi repositori, para peneliti mempelajari hampir 40.000 sel jantung individu dari model tikus pengembangan jantung. Teknologi yang memungkinkan penelitian ini adalah sekuensing RNA sel tunggal. Metode canggih ini, yang tersedia secara komersial selama 3 tahun terakhir, memungkinkan para ilmuwan untuk menangkap data tentang ribuan sel individu sekaligus. "Teknik pengurutan ini memungkinkan kami untuk melihat semua jenis sel yang berbeda hadir pada berbagai tahap perkembangan jantung dan membantu kami mengidentifikasi gen mana yang diaktifkan dan ditekan sepanjang proses," kata Casey A. Gifford, PhD, seorang ilmuwan staf di Gladstone. "Kami tidak hanya mampu mengungkap keberadaan jenis sel yang tidak diketahui, tetapi kami juga mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang fungsi dan perilaku sel-sel individual--informasi yang tidak dapat kami akses sebelumnya." Begitu mereka mengidentifikasi berbagai jenis sel yang terlibat dalam perkembangan jantung, tim peneliti ini akan mempelajari bagaimana berbagai jenis sel ini dihasilkan. Untuk melakukannya, mereka bekerja sama dengan ahli biologi komputasi di LCSB yang berspesialisasi dalam menggunakan data dari sekuensing RNA sel tunggal untuk mengungkap driver molekuler dari berbagai jenis sel. "Kelompok kami memiliki sejarah panjang dalam mengembangkan model komputasi untuk memahami konversi sel," jelas Antonio Del Sol, kepala kelompok Biologi Komputasi di LCSB dan Profesor Penelitian Ikerbasque di Pusat Penelitian CIC bioGUNE di Bilbao, Spanyol. "Kami memiliki keahlian untuk mempelajari seluruh jaringan gen yang mengontrol identitas sel. Ketika kami bergabung dengan proyek ini, kami menerapkan metode kami untuk memprediksi--tanpa pengetahuan sebelumnya--faktor molekuler yang mengatur nasib sel-sel jantung yang berbeda ini." Proses Penelitian selama 20 Tahun Analisis komputasi meramalkan gen yang terlibat dalam menghasilkan jenis sel spesifik di jantung, yang menjelaskan fungsi sel-sel itu. Analisis ini juga menunjuk satu pemain utama, sebuah gen yang disebut Hand2 yang dapat mengendalikan aktivitas ribuan gen lainnya, dan yang ditemukan dan dinamai oleh Srivastava lebih dari dua dekade lalu. Kemudian, sebagai seorang peneliti muda, Srivastava menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk menyelidiki peran gen dan pengatur utama ini. Dia akhirnya menemukan bahwa itu adalah salah satu gen terpenting untuk pembentukan jantung. Tetap, sekitar 10 tahun yang lalu, dalam mencoba menemukan bagaimana gen ini benar-benar memengaruhi sel-sel jantung yang membentuk organ, karyanya mencapai jalan buntu karena alat ilmiah untuk mengejar penelitian itu belum ada. Hari ini, usahanya akhirnya dihidupkan kembali berkat teknologi baru. Dengan menerapkan sekuensing RNA sel tunggal, ia dan kolaboratornya bisa mendapatkan gambaran yang jauh lebih rinci dan lengkap tentang bagaimana hilangnya Hand2 menyebabkan populasi sel yang berbeda menjadi tidak teratur. Tikus yang kekurangan gen Hand2 gagal membentuk ruang ventrikel kanan yang memompa darah ke paru-paru. Secara mengejutkan, prediksi baru yang dibuat oleh para peneliti Luksemburg menunjukkan bahwa Hand2 tidak diperlukan untuk sel-sel yang diinstruksikan untuk menjadi sel-sel ventrikel yang tepat, tetapi sangat penting dalam membentuk sel-sel saluran keluar, struktur di mana pembuluh darah jantung utama timbul keluar. "Ini tidak masuk akal berdasarkan temuan sebelumnya," kata De Soysa. "Namun, kami menemukan bahwa, pada kenyataannya, Hand2 memiliki fungsi yang sangat berbeda untuk tipe sel yang berbeda." Prediksi komputasi ternyata benar. Tim peneliti menemukan bahwa jantung tanpa gen Hand2 tidak pernah membuat sel-sel saluran keluar, tetapi memang membuat sel-sel ventrikel kanan. Dalam koreografi jantung, tidak cukup untuk membuat sel, ia juga harus sampai ke tempat yang tepat. Tanpa Hand2, sel-sel ventrikel kanan dibuat tetapi menempel pada asalnya, gagal untuk pindah ke jantung yang sedang berkembang. "Temuan kolaboratif ini membuat kami mengubah cara berpikir tentang pembentukan jantung, dan menunjukkan bagaimana gangguan sel, migrasi, atau kelangsungan hidup beberapa sel dapat menyebabkan cacat jantung," tambah De Soysa. Masa Depan Penuh Harapan untuk Pengobatan Penyakit Jantung Bawaan Studi ini telah mengungkapkan mekanisme di mana populasi sel yang relatif kecil dipengaruhi selama perkembangan dan menyebabkan kerusakan dalam pembentukan jantung. Ini juga merupakan penemuan yang tidak mungkin terjadi tanpa teknologi sekuensing RNA sel tunggal. "Teknologi sel tunggal dapat memberi tahu kami tentang bagaimana organ terbentuk dengan cara yang tidak dapat kami pahami sebelumnya dan dapat memberikan penyebab penyakit terkait dengan variasi genetik," kata Gifford. "Kami mengungkapkan perbedaan kecil dalam himpunan bagian sel yang sangat kecil yang benar-benar memiliki konsekuensi bencana dan dapat dengan mudah diabaikan di masa lalu. Ini adalah langkah pertama menuju perancangan terapi baru." Secara signifikan, katalog baru sel-sel jantung sekarang dapat melayani para ilmuwan dan dokter yang tertarik pada berbagai aspek perkembangan jantung. Dengan pengetahuan tentang jenis sel yang terlibat dalam pembentukan jantung yang normal dan tidak normal, komunitas ilmiah dapat mulai merancang strategi untuk memperbaiki varian genetik yang menyebabkan penyakit jantung bawaan. Temuan ini juga dapat memandu pendekatan terapeutik untuk membantu bayi baru lahir dan populasi dewasa yang berkembang dengan penyakit jantung bawaan. "Dengan intervensi bedah, kami menjadi sangat baik dalam menjaga sebagian besar anak-anak dengan cacat jantung hidup," kata Srivastava, yang juga seorang ahli jantung pediatrik di Rumah Sakit Anak UCSF Benioff dan profesor pediatri di UC San Francisco. "Hasilnya adalah kita memiliki hampir 2,5 juta orang yang selamat dari penyakit jantung bawaan di Amerika Serikat saat ini." Ketika anak-anak dengan cacat lahir cukup beruntung untuk bertahan hidup, kondisi genetik yang sama yang menyebabkan masalah perkembangan dapat menyebabkan kesulitan berkelanjutan dengan mempertahankan jantung yang sehat seumur hidup. "Harapan saya adalah bahwa jika kita dapat memahami penyebab genetik dan tipe sel yang terpengaruh, kita dapat berpotensi melakukan intervensi segera setelah lahir untuk mencegah memburuknya keadaan mereka dari waktu ke waktu."

Sumber: Single-cell analysis of cardiogenesis reveals basis for organ-level developmental defects. Nature, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1414-x