Tantangan Analisis Genomik Manusia


Sebaran manusia dari Nielsen et al. 2017

Sebaran manusia modern dari Nielsen et al. (2017)

Secara umum, data arkeologi dan palaeontologi tidak bisa digunakan untuk menentukan relasi genetik antar berbagai populasi atau kelompok etnis, namun bisa membantu memahami peristiwa-peristiwa yang mendahului kemunculan dan sebaran manusia modern. Meskipun penelitian arkeologi berhasil mengungkap sebaran budaya, kemampuan untuk menentukan apakah sebaran budaya tersebut merupakan hasil migrasi dari tempat lain atau ciptaan populasi lokal, masih sedikit memberikan kontribusi dalam pemahaman sejarah populasi. Penggunaan analisis data genomik dari populasi modern maupun manusia arkaik (purba) memfasilitasi penentuan relasi susur-galur secara langsung antar populasi sekaligus mengungkap jalur migrasi, diversifikasi dan admixture (kawin campur) genetik di antara berbagai kelompok populasi yang berbeda.

Apa yang bisa diungkap dari data genomik selama beberapa tahun ke belakang?

Konsensus manusia modern berasal dari Afrika

Bukti tertua keberadaan manusia modern berasal dari fosil Herto dan Omo di Ethiopia berumur 150-190 kya (namun perlu digarisbawahi bahwa fosil tersebut masih memiliki fitur arkaik, jadi tidak ada satupun yang berani memastikan bahwa keduanya merupakan anatomically modern human atau Homo sapiens; karenanya nama yang disepakati adalah Homo sapiens idaltu untuk menegaskan bahwa spesimen tersebut merupakan spesimen transisi dari archaic Homo sapiens ke Homo sapiens. Sama seperti archaic Homo sapiens di tempat lain seperti di Maroko, Levant dan China. Sementara itu, di luar Afrika, bukti fosil manusia modern di Timur Tengah berumur 100-115 kya (Qafzeh dan Skhul), dan China Selatan 80-120 kya (Daoxian). Dan tentu saja manusia modern yang kawin dengan Neandertal Altai berumur 100 kya (manusia modern tersebut memiliki kemiripan sekuens dengan deep lineage populasi Papua Nugini; mungkin keduanya berasal dari stock yang sama: proto-Eurasia). Sementara Neandertal, yang mulai menghilang sejak 40 kya, banyak ditemukan di Eurasia setidaknya sejak 400 kya.

Konsensus akademik berpandangan bahwa root dari garis maternal (mtDNA) manusia berada di Afrika, penelitian keragaman genomik mengindikasikan bahwa populasi Afrika memiliki keragaman tertinggi dibandingkan populasi lain di dunia, sebagaimana substruktur populasinya; sebuah penelitian genome variasi DNA microsatellite lebih dari 3000 populasi Afrika mengidentifikasi 14 kluster populasi memiliki korelasi secara geografi, budaya dan bahasa. Penelitian genome SNP mendukung observasi yang ada, dan hasil temuan mengindikasikan bahwa populasi Afrika mampu menjaga struktur populasi yang besar beserta substrukturnya selama sejarah evolusi mereka dan diferensiasi terjadi di wilayah pinggiran selatan gurun Sahara. Ada juga bukti migrasi manusia purba dan manusia modern di bagian selatan gurun Sahara, termasuk admixture secara extensif di wilayah tersebut (Tishkoff et al. 2007). Migrasi yang dianggap mampu membentuk peta genomik Afrika adalah migrasi populasi penutur Bantu dari tanah asal di pegunungan Nigeria dan Kamerun menuju bagian selatan Sahara 4 ribu tahun terakhir, dan disusul admixture dengan populasi pemburu-peramu di wilayah yang menjadi rute migrasi. Migrasi lainnya termasuk migrasi populasi pastoralis yang terdiri para petani ternak, dari tanah asal di Sudan menuju bagian timur dan tengah Afrika sekitar 7 ribu tahun yang lalu, dan migrasi agropastoralis (petani ternak dan bercocok tanam) dari Ethiopia menuju Kenya dan Tanzania sekitar 5 ribu tahun yang lalu.

Analisis sekuens genome dan data SNP menunjukkan bahwa garis keturunan genetik dari populasi penutur bahasa klik di Afrika Selatan mewarisi garis keturunan tertua populasi manusia, dengan estimasi divergensi sekitar 160-110 kya. Namun demikian, penanda genetik dengan garis keturunan paternal dan maternal serta penelitian linguistik menunjukkan pemburu-peramu penutur bahasa klik tersebar luas dan yang berada di luar Afrika selatan tergantikan oleh populasi pendatang, atau alternatifnya, mereka berasal dari Afrika Timur yang migrasi ke Afrika selatan 50 ribu tahun terakhir. Pemburu-peramu lain seperti Hadza dan Sandawe yang juga berbahasa klik, saat ini menetap di Tanzania, meskipun mereka tidak begitu/minim memperlihatkan afinitas genomik dengan populasi San di Afrika Selatan.

Lokasi geografi asal manusia modern di Afrika masih belum jelas, utamanya karena sebaran fosil yang jarang dan data arkeologi berada di wilayah tropis. Namun demikian, asal usul manusia di Afrika menurut teori multiregional, dimana fitur modern berevolusi dalam bentuk terfragmentasi di beberapa wilayah terkait aliran gen, masih mungkin terjadi, khususnya karena terbuka kesempatan adanya migrasi dan admixture di seluruh wilayah Afrika. Bukti adanya admixture dengan manusia purba di Afrika sudah terbukti (Hammer et al. 2011; Hsieh et al. 2016; Lachance 2012). Karakterisasi genome manusia modern yang hidup di Afrika lebih dari 10 kya sangat menantang untuk diungkap karena kondisi lingkungan yang tidak memungkinkan material genetik untuk diekstrak. Namun, analisis statistik sekuensing genome populasi pemburu-peramu menunjukkan keberadaan garis keturunan arkaik yang mengalami introgresi (pertukaran material genetik melalui kawin campur) dan mengalami divergensi dari garis keturunan manusia modern sejak 1.2-1.3 juta tahun yang lalu, atau introgresi terjadi setidaknya sampai 35 kya. Derajat admixture dengan manusia purba tersebut masih kontroversial, para peneliti sedang berusaha mengungkap mekanismenya dan menjawab pertanyaan-pertanyaan yang ada.

Teori Out of Africa dan pertemuan dengan Neanderthals

model-sejarah-evolusi-manusia-2017

Sebaran manusia modern menurut teori out of Africa, konsensus migrasi manusia modern saat ini, menyimpulkan tinggalan jejak variasi genetik dari populasi non-Afrika dengan keragaman lebih rendah dari populasi Afrika, dan dengan linkage disequilibrium (LD) yang lebih tinggi. Namun konsensus tersebut masih tidak bisa menjelaskan berapa kali terjadi migrasi, di mana geografi asal, jalur migrasi yang ditempuh, serta kapan waktu sebaran terjadi. Sebagai contoh, ada tiga bukti saling mengklaim bahwa manusia berasal dari Afrika timur, Afrika tengah dan Afrika selatan. Kemudian bukti sebaran satu gelombang dari Afrika, dan sebaran melalui jalur utara dan selatan, serta estimasi waktu sebaran terjadi dalam rentang waktu 50-100 kya. Analisis genome populasi saat ini (Pagani et al. 2016; Malaspinas et al. 2016; Mallick et al. 2016) mungkin membantu memberikan kejelasan terhadap konsensus tersebut, bahwa populasi Oceania merupakan keturunan populasi yang sudah berada di luar Afrika, dengan beberapa keturunan populasi sebaran awal masih terdeteksi pada populasi Oceania. Ketika di Eurasia, manusia modern terpecah menjadi dua kelompok, satu kelompok merupakan leluhur populasi Australasia dan Papua Nugini, dan kelompok kedua merupakan leluhur populasi daratan Eurasia. Mengenai jalur migrasi dari diversifikasi awal populasi Eurasia di luar Afrika masih menjadi perdebatan.

Saat ini jelas bahwa leluhur populasi Eurasia kawin dengan Neandertal dengan mewarisi setidaknya 2% materi genetik Neandertal, hal ini menunjukkan bahwa admixture terjadi ketika mereka berada di Eurasia (Levant-Timur Tengah-Siberia). Namun yang harus diperhatikan adalah, admixture terjadi setelah populasi dengan basal Eurasia memisahkan diri dari leluhur populasi Australasia, karena populasi dengan basal Eurasia yang tinggi (seperti Bedouins, Palestina, Levant, Saudi Arabia) berbanding terbalik dengan materi DNA Neandertal yang diwarisi. Berdasarkan LD, waktu hibridisasi terjadi dalam rentang waktu 50-65 kya. Dari waktu ini, para peneliti bisa mengestimasi konsensus migrasi out of Africa.

Namun estimasi proporsi materi DNA Neandertal pada manusia modern ternyata tidak sesederhana yang dipikirkan. Interaksi keduanya lebih rumit, khususnya populasi Asia Timur yang memiliki lebih dari 20% sekuens Neandertal dibandingkan populasi Eurasia barat, yang bisa jadi merefleksikan efek dari seleksi alam, atau kemungkinan admixture tambahan yang dialami leluhur populasi Asia Timur setelah memisahkan diri dari leluhur populasi Eropa, atau terjadi dilution (level admixture berkurang) materi Neandertal pada populasi Eropa karena admixture dengan Neandertal tidak disertai materi genetik yang cukup tinggi (padahal Oase 1 mewarisi setidaknya 6-11%, Fu et al. 2015). Pemahaman kita tentang admixture dengan Neandertal sangat dinamis, tidak ada kepastian sampai saat ini, karena minimnya data populasi awal Eurasia (Vernot & Akey 2015).

Manusia di Asia dan Oceania

Sebagian besar bukti menunjukkan bahwa Asia mulai dihuni setidaknya melalui dua gelombang migrasi manusia. Gelombang pertama termasuk leluhur populasi Australia dan Papua, dan gelombang kedua meliputi leluhur populasi Asia Timur, dengan campuran antara populasi kedua gelombang tersebut (Rasmussen 2011), meskipun bukti lain hanya mendeteksi gelombang tunggal (Mallick et al. 2016). Namun demikian, kita masih tidak tahu seperti apa detail dari migrasi awal di Asia. Setidaknya dua genome manusia purba telah dilakukan analisis. Pertama, genome manusia Mal’ta-Buret di Siberia selatan yang hidup sekitar 24 kya, menunjukkan afiliasi genetik yang tinggi dengan populasi Eurasia barat dan Amerika utara, dengan afiliasi genetik yang rendah dengan populasi Asia Timur dan Siberia, hal ini menunjukkan bahwa terdapat sebaran geografis yang berbeda dari penanda genetik periode Upper Paleolithic dibandingkan sebaran penanda genetik populasi saat ini. Kedua, genome individu Ust’-Ishim di Siberia barat sekitar 45 kya, menunjukkan afiliasi yang sama dengan populasi Eurasia barat, Asia Timur dan aborigin Australia dengan perbedaan materi genetik Denisovan pada masing-masing populasi. Kemudian ditambah dengan genome Kostenki-14 dari Rusia berumur 38 kya, menunjukkan afiliasi yang dekat dengan populasi Eurasia barat namun tidak dengan populasi Asia Timur, yang menunjukkan terjadinya divergensi antara populasi Asia Timur dan Eurasia barat terjadi sekitar 36-45 kya (waktu divergensi antara aborigin Australia dan Papua terjadi dalam rentang tersebut ~37 kya).

Bukti arkeologi menunjukkan manusia sampai di Australia sekitar 47.5-55 kya (Clarkson et al. 2015; O’Connell & Allen 2015). Variasi morfologi dari rangka manusia purba di Australia digunakan sebagai bukti bahwa setidaknya ada dua migrasi berbeda menuju Sahul (Thorne & Wolpoff, 1981). Klaim yang sama berdasarkan data linguistik dan teknologi litik atau domestikasi dingo. Namun demikian, penelitian genome yang ekstensif pada populasi aborigin Australia dan Papua hanya menghasilkan bukti adanya migrasi tunggal menuju Sahul, yang diikuti divergensi populasi aborigin Australia dan Papua dan kemudian diversifikasi genetik pada populasi aborigin Australia terjadi bersamaan dengan perubahan habitat hidup seperti desertifikasi. Dari data tersebut, menunjukkan bahwa populasi aborigin Australia sepertinya telah mengalami isolasi yang sangat lama.

Penelitian SNP genome populasi Oceania mendukung prediksi disiplin arkeologi bahwa populasi Polynesia merepresentasikan ekspansi ke Oceania oleh populasi dengan campuran keturunan Melanesia dan Asia Timur (namun tidak menutup kemungkinan dari Asia Tenggara). Keturunan Melanesia muncul setelah sebaran awal Polynesian keturunan Asia Timur (Asia Tenggara) (Skoglund et al 2016). Dengan kata lain, populasi keturunan Melanesia baru menyebar ke Polynesia setelah populasi Polynesia menetap di Oceania.

Pertemuan dengan Denisovans

Sebagaimana Neandertals, di Eurasia (setidaknya bagian timur dan tenggara) hidup manusia purba lainnya, Denisovan, yang bertemu dengan manusia modern awal ketika migrasi ke Asia Timur/Tenggara. Morfologi dan sebaran Denisovan memang masih misteri, karena sampai saat ini masih diketahui hanya dari genome jari dan tiga gigi yang ditemukan di gua Denisova di Siberia. Denisovan merupakan kerabat dekat Neandertal, dengan diferensiasi genetik mirip dengan divergensi antara populasi manusia modern namun waktu divergensi setidaknya 200-400 kya (Prüfer 2014). Kejanggalan-kejanggalan Denisovan antara lain masih mewarisi materi genetik dari manusia purba (sangat mungkin Homo erectus), serta bisa dianggap sebagai sebaran paling timur atau selatan dari manusia purba Eurasia, ketika Neandertal hanya menguasai Eurasia barat.

Seperti Neandertal, Denisovan juga kawin dengan manusia modern. Sekitar 3-6% genome populasi Melanesia di Oceania bisa ditelusuri merupakan keturunan populasi yang mirip Denisovan. Populasi daratan Asia Tenggara hanya mewarisi materi genetik Denisovan 0.1-0.3% (Prüfer 2014; Skoglund & Jacobsson 2011). Genome Neandertal dan Denisovan telah mengalami seleksi genetik pada introgresi. Sebagian besar mekanisme seleksi pada manusia adalah mencegah introgresi DNA dari selain manusia, karena DNA introgresi absen di sekitar daerah fungsional pada genome manusia. Lebih jauh lagi, terdapat wilayah genomik yang besar terbebas dari sekuens Neandertal dan Denisovan, yang konsisten dengan ada penghapusan sekuens dengan cepat.

Saat ini, masih belum jelas tentang introgresi Denisovan atau yang mirip Denisovan ke manusia modern Melanesia dan aborigin Australia terjadi di Australasia atau Asia, ketika leluhur populasi aborigin Australia migrasi menuju Sahul. Jika introgresi terjadi di Asia, maka populasi Asia saat ini bukan merupakan keturunan gelombang pertama. Hal yang sama, masih belum jelas apakah admixture dengan Denisovan terjadi di Asia Timur adalah hasil dari admixture yang sama dengan admixture dengan populasi Australasia. Jika populasi awal seperti Negrito Semang dan Andaman tidak mewarisi materi genetik Denisovan, maka dipastikan admixture terjadi setelah Negrito Semang dan Andaman terpisah dari leluhur populasi Australasia.

Tantangan evolusi genomik manusia

Kesimpulan demografik dan evolusi manusia berdasarkan data genomik masih menjadi subyek perdebatan karena sejarah evolusi manusia merupakan eksperimen alami yang berulang hanya sekali, dan dugaan demografi masa lalu merupakan sejarah keilmuan dengan segala keterbatasan. Karenanya, lokasi geografi asal-usul manusia tidak bisa diungkap secara langsung dari genome manusia modern, namun lebih memungkinkan dengan cara tidak langsung dari lokasi-lokasi di mana sample ditemukan. Analisis genetik bisa memberikan gambaran relasi kekerabatan leluhur antar individu, namun DNA leluhur tidak menunjukkan secara spesifik lokasi asal geografi. Ditambah, waktu divergensi atau admixture hanya mengikuti hanya estimasi waktu di mana pengukuran dilakukan. Laju mutasi seluruh genome manusia dan antara individu sangat bervariasi, dan masih terdapat banyak kontroversi atas laju mutasi yang mana yang harus digunakan dalam penelitian demografi. Estimasi dari laju mutasi tersebut sangat bergantung pada metodologi yang digunakan, meskipun menggunakan konsensus 0.5×10-9 bp/tahun (termasuk dalam laju mutasi lambat, hanya cocok untuk pengukuran laju mutasi di luar Afrika, sedangkan di Afrika sendiri lebih cocok memakai laju mutasi cepat 1×10-9 bp/tahun; itu sebabnya populasi Afrika memiliki keragaman yang tinggi, karena deleterious mutasi menambah keragaman genetik. Pertanyaannya, kenapa demikian?) Jika dalam waktu mendatang laju mutasi mengalami perbaikan, maka penelitian terdahulu yang memakai laju mutasi saat ini juga akan mengalami dampaknya, seperti estimasi umur manusia modern pertama, waktu divergensi populasi, bahkan sampai umur leluhur manusia modern, Neandertal dan Denisovan. Di samping keterbatasan tersebut, analisis mutakhir genome manusia modern dan manusia purba lainnya telah mengubah banyak aspek dalam memahami sejarah evolusi manusia.

Kumpulan bukti-bukti adanya kawin campur antara Neandertal, Denisovan dan manusia modern terfokus pada peran introgresi dalam evolusi manusia. Dalam penelitian-penelitian tentang hal tersebut menemukan bahwa manusia modern tidak mengalami evolusi yang terbebas dari hominins lain di luar Afrika, seperti yang diusulkan model out-of-Africa berdasarkan bukti penelitian mtDNA tiga dekade yang lalu. Tingkat kawin campur memperlihatkan model yang paling mendekati proses evolusi manusia – model yang berada di antara multiregional dan out-of-Africa. Faktanya, tingkat admixture Neandertal pada manusia modern awalnya bisa jadi sangat tinggi, pada saat terjadi introgresi (buktinya pada material Neandertal pada Oase 1). Bandingkan dengan model dari Lipson et al. (2017) yang telah dimodifikasi

newrelationships2017Terdapat cukup bukti yang substansial jumlah material DNA Neandertal yang tergerus oleh mekanisme seleksi, melalui ketidak-kompatibel-an genetik atau karena tingginya kawin sedarah antar Neandertal yang menyebabkan DNA Neandertal menjadi tinggi seiring mutasi penghapusan. Proporsi admixture Neandertal pada awalnya, ketika introgresi terjadi, bisa jadi sekitar 5% (Fu et al. 2016). Namun demikian, mekanisme seleksi tidak mengurangi proporsi tersebut secara berkala, melainkan pada awalnya bisa jadi sekitar 10% (Harris & Nielsen, 2016). Sebagaimana populasi Neandertal boleh jadi sekitar 10% dari jumlah manusia modern saat itu, proporsi introgresi (ketika mekanisme seleksi terjadi) menunjukkan bahwa manusia dan Neandertal telah hidup berdampingan dengan jumlah populasi mengikuti proporsi tersebut di atas. Dengan kata lain, Neandertal mungkin tidak punah karena tidak beradaptasi dengan lingkungan hidupnya atau tidak sanggup berkompetisi dengan manusia. Yang mungkin terjadi adalah, Neandertal terserap menjadi manusia. Untuk menguji model serapan tersebut, dengan cara melakukan sekuensing manusia modern tertua di Eurasia, mungkin bisa mengungkap misteri punahnya Neandertal. Kondisi yang sama bisa diaplikasikan juga pada Denisovan. Seperti, apa kontribusi mekanisme seleksi pemurnian (mekanisme seleksi negatif untuk mencegah mutasi penghapusan) pada level keturunan manusia sejenis Denisovan dan mekanismenya pada populasi Australasia? Seperti apa sebaran geografis dari Denisovan? Di mana introgresi antara manusia modern dan Denisovan terjadi? Analisis dan identifikasi genome dari Denisovan bisa menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut.

Penelitian lebih lanjut terhadap admixture dengan manusia purba bisa mengungkap skenario lain dalam sejarah evolusi manusia. Yang paling menarik adalah penelitian pada wilayah-wilayah yang selama ini jarang dilakukan penelitian, yang sangat mungkin bisa menyempurnakan teori-teori yang ada, termasuk ada tidaknya garis keturunan lain, yang masih misteri, dari manusia purba yang lain. Seperti, manusia purba Afrika, yang saat ini terdeteksi kawin dengan populasi Afrika saat ini setidaknya sampai 35 kya.

Selama lebih dari seabad, para peneliti telah mendiskusikan apakah variasi biologis dan budaya di antara spesies manusia mengalami evolusi sebagai hasil dari proses terisolasi jangka panjang, dengan inovasi terjadi melalui sebaran ide-ide, atau apakah perubahan variasi genetik dan budaya disebabkan oleh migrasi manusia dan percampuran populasi. Dari analisis genomik, jelas bahwa migrasi dan admixture berperan lebih dominan dalam menghasilkan keragaman genetik dan budaya, meskipun beberapa kelompok manusia tetap terisolasi dalam waktu yang sangat lama. Penelitian genomik juga menunjukkan bahwa sebaran geografis dari penanda genetik pada banyak populasi modern muncul belakangan dalam sejarah evolusi manusia. Meskipun banyak wilayah di dunia ini, khususnya Asia dan Afrika, pemahaman kita akan peristiwa sejarah yang menunjukkan sebaran variasi genetik dan budaya tersebut masih belum terlalu jelas.

rentang-waktu-penelitian-genomik-2017

Progres penelitian genome manusia purba sangat cepat, dan dalam beberapa tahun ke belakang kita sudah beranjak dari penelitian genome individu ke penelitian genome populasi termasuk ratusan individu masa lalu. Meskipun hal tersebut memberikan hasil yang cukup signifikan tentang sejarah genomik manusia, disiplin ini masih dalam tahap awal. Usaha yang terus dilakukan untuk menganalisis dan sekuensing genome manusia modern dan manusia purba, dengan fokus pada wilayah-wilayah yang jarang dilakukan penelitian, akan sangat membantu kita dalam menelusuri dan membuat model yang lebih menggambarkan peristiwa-peristiwa sejarah evolusi manusia berdasarkan variasi budaya dan genetik.

PS: perhatikan gambar teratas dari tulisan ini, Anda akan melihat populasi Australasia tidak langsung terkait dengan populasi Afrika. Sejak 2016, para peneliti tidak pernah menunjukkan peta yang mengkaitkan populasi Australasia secara langsung dengan populasi Afrika, namun dari Timur Tengah (Levant), menunjukkan mereka mulai tidak yakin sebaran manusia modern awal bukan dari Afrika, melainkan proto Eurasia.

Iklan

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s