Saintis Mengenal Pasti Pangu sebagai Gen yang Menentukan Perkembangan Jantan dalam Ikan Kap Rumput

Gen kecil mengawal pilihan utama dalam perkembangan

Gen yang mengekod peptida sepanjang hanya 76 asid amino boleh menentukan sama ada ikan kap biasa mengembangkan testis atau ovari, menurut penyelidikan yang diterbitkan dalam Science Advances. Dinamakan pangu, gen ini terletak dalam segmen DNA sepanjang 1,487 pasangan bes pada kromosom Y. Menyahaktifkannya menyebabkan ikan kap yang secara genetik jantan mengembangkan ovari; memasukkannya ke dalam ikan kap yang secara genetik betina menyebabkan ikan itu mengembangkan testis.

Penemuan ini mengesahkan gen penentu jantina utama pertama dalam Cyprinidae melalui eksperimen, iaitu keluarga besar ikan air tawar yang tersebar luas. Bukti paling kukuh datang daripada eksperimen terhadap ikan kap biasa Sungai Kuning, dengan ujian fungsi tambahan pada ikan kap merah dan koi. Penemuan ini tidak membuktikan bahawa semua spesies dalam keluarga itu menggunakan gen yang sama.

Profesor Hu Wei dari Universiti Lautan Shanghai mengetuai kerjasama dengan Institut Hidrobiologi Akademi Sains China dan institusi lain. Penyelidikan ini menyusuli lebih sedekad kajian. Para penyelidik menamakan gen itu sempena Pangu, pencipta purba dalam mitologi China yang memisahkan langit dan bumi, mencerminkan peranannya dalam memulakan perkembangan jantan.

Kajian Science Advances itu, bertajuk A helix-loop-helix gene orchestrates male fate in common carp, diterbitkan dalam jilid 12, keluaran 41. Metadata jurnal menyatakan tarikh penerbitannya ialah 9 Oktober 2026, manakala pengumuman menyebut penerbitan pada 10 Oktober waktu Beijing. Tarikh-tarikh itu selaras dengan perbezaan zon waktu.

Mengapa suis ini sukar ditemukan

Ikan kap biasa mempunyai sistem penentuan jantina genetik XX/XY, dengan ikan betina biasanya membawa dua kromosom X dan ikan jantan membawa satu kromosom X dan satu Y. Namun, mengetahui susunan itu tidak mengenal pasti gen yang mengarahkan organ pembiakan yang sedang berkembang supaya menjadi testis dan bukannya ovari.

Sebelum kajian ini, genom ikan kap biasa yang diterbitkan dan dihuraikan dalam makalah itu berasal daripada ikan betina XX. Oleh itu, penyelidik tidak mempunyai genom rujukan jantan yang mengandungi jujukan kromosom Y untuk diperiksa. Jujukan DNA berulang dan genom spesies yang telah mengalami penduaan menjadikan pencarian itu lebih sukar.

Ikan kap biasa ialah allotetraploid: genomnya menggabungkan dua set kromosom leluhur, yang ditetapkan sebagai A dan B, hasil proses hibridisasi. Makalah itu menganggarkan garis keturunan leluhur tersebut berpisah kira-kira 23 juta tahun lalu dan bergabung kira-kira 12.4 juta tahun lalu. Salinan gen dan rantau DNA yang serupa boleh menyukarkan usaha mengenal pasti jujukan yang khusus dikaitkan dengan ikan jantan.

Kekurangan itu ketara kerana gen penentuan jantina sudah diketahui pada spesies ikan lain. Pengenalan kajian itu menyenaraikan sekurang-kurangnya 28 gen berbeza merentas kira-kira 140 spesies teleost dalam sekitar 20 keluarga. Pangu melengkapkan satu bahagian yang hilang dalam gambaran itu bagi ikan kap, bukannya menetapkan peraturan sejagat untuk ikan.

Daripada 101 ekor ikan kepada sisipan kecil pada kromosom Y

Pasukan itu mula-mula membina genom ikan kap jantan Sungai Kuning yang merangkumi 1.67 bilion bes DNA merentas 50 jujukan kromosom. Mereka kemudian menjujuk semula 50 adik-beradik jantan dan 50 betina, bersama induk betinanya, menjadikan kumpulan perbandingan sebanyak 101 ekor ikan.

Dengan membandingkan keterwakilan fragmen DNA dalam ikan jantan dan betina, para penyelidik pada awalnya mengenal pasti 428 fragmen calon yang khusus kepada ikan jantan. Mereka memilih dua calon yang kukuh untuk pengesahan lanjut. Satu fragmen yang disahkan, sepanjang 847 pasangan bes, didapati berada di dalam sisipan lebih besar berhampiran hujung kromosom B25.

Pengklonan dan penjujukan mengesahkan bahawa rantau lebih besar ini mengandungi 1,487 pasangan bes yang khusus kepada ikan jantan. Analisis bebas terhadap liputan DNA turut menunjukkan selang kromosom yang sama. Ujian merentas populasi ikan kap biasa dari kawasan geografi yang pelbagai menyokong kaitan jujukan itu dengan ikan jantan.

Pengimejan kromosom memberikan satu lagi pengesahan. Prob yang menyasarkan jujukan itu menghasilkan isyarat pada ikan jantan XY dan YY, tetapi tidak pada ikan betina XX. Ikan YY menunjukkan isyarat dua kali ganda berbanding ikan XY, selaras dengan jujukan itu dibawa pada kromosom Y. Ujian ini menentukan lokasi calon tersebut, namun eksperimen fungsi masih diperlukan untuk menunjukkan peranannya.

Pangu menjadi aktif sebelum testis terbentuk

Dalam sisipan kromosom Y itu, pasukan mengenal pasti gen yang menghasilkan transkrip sepanjang 447 bes, dengan jujukan pengekodan sepanjang 231 bes. Jujukan itu mengekod peptida Pangu yang terdiri daripada 76 asid amino. Carian terhadap pangkalan data protein utama tidak menemukan persamaan ketara dengan gen yang telah dianotasi sebelum ini.

Pangu mengandungi domain heliks-gelung-heliks, ciri struktur yang boleh membantu protein berinteraksi dengan protein lain yang terlibat dalam pengawalan aktiviti gen. Analisis itu tidak menemukan bukti kukuh bagi rantau asas bersebelahan yang lazim dikaitkan dengan pengikatan DNA secara langsung dalam sesetengah protein daripada kelas ini. Perbezaan itu penting dalam menilai cara Pangu mungkin mengawal sasaran hilirannya.

Masa aktiviti gen itu turut sepadan dengan peranan dalam mengarahkan perkembangan jantina. Transkripnya dikesan mulai 19 hari selepas persenyawaan, sebelum permulaan pembezaan jantina yang kelihatan pada hari ke-35 seperti yang dilaporkan. Ekspresinya memuncak pada hari ke-64 dan menurun selepas hari ke-92.

Analisis sel individu menunjukkan ekspresi paling kuat dalam subset sel yang dikenal pasti sebagai sel Sertoli putatif. Sel ini menyokong perkembangan testis, berbeza daripada sel germa yang akhirnya menghasilkan sperma. Pengimejan tisu turut menyokong ekspresi yang dikaitkan dengan sel Sertoli. Pengawal selia lain yang telah diketahui mencapai kemuncak ekspresi kemudian, selaras dengan Pangu bertindak hampir pada permulaan urutan perkembangan.

Menyingkirkan dan memasukkan gen itu membalikkan perkembangan

Eksperimen penentu menguji kedua-dua arah suis yang dicadangkan. Dengan menggunakan penyuntingan CRISPR, para penyelidik mengganggu pangu pada ikan kap XY. Mulai 35 hari selepas persenyawaan, gonad yang sedang berkembang membentuk rongga ovari dan mengikuti corak perkembangan ovari, lalu menghasilkan ovari yang menunjukkan bukti perkembangan telur.

Perubahan itu bukan sekadar pada rupa tisu. Gen pembezaan betina foxl2 menjadi lebih aktif, manakala gen pembezaan jantan amh dan dmrt1 menjadi kurang aktif. Pengukuran protein menunjukkan corak yang sama. Paras testosteron dan 11-ketotestosteron menurun, manakala estradiol meningkat, menyerupai profil hormon ikan betina.

Dalam eksperimen berasingan pada ikan kap YY, satu salinan pangu yang berfungsi dibiarkan utuh. Ikan itu mengekalkan perkembangan gonad jantan yang normal, menyokong dapatan bahawa satu salinan yang masih berfungsi boleh mengekalkan laluan jantan dalam keadaan yang diuji.

Untuk eksperimen arah sebaliknya, pasukan memasukkan konstruk DNA yang mengandungi pangu dan jujukan sekelilingnya ke dalam ikan XX. Ikan kap yang secara genetik betina ini mengembangkan testis, dengan bukti pembentukan sperma serta corak ekspresi gen, protein dan hormon jantan. Penambahan pangu turut memulihkan perkembangan testis pada ikan mutan XY yang tidak mempunyai salinan berfungsi.

Secara keseluruhan, eksperimen menunjukkan bahawa pangu diperlukan dan mencukupi untuk penentuan jantina jantan dalam ikan kap biasa yang diuji: menyingkirkan fungsinya mengalihkan perkembangan ke arah ovari, manakala menambahkannya boleh mengalihkan perkembangan ke arah testis. Kromosom itu sendiri tidak bertukar daripada XX kepada XY atau sebaliknya; hasil perkembangannya yang berubah.

Menyekat laluan ovari membantu menjelaskan kesannya

Kajian itu mengenal pasti cyp19a1a sebagai sasaran hiliran awal Pangu. Gen ini mengekod aromatase ovari, enzim yang terlibat dalam penghasilan estrogen. Aktiviti gen ini membantu menyokong pembezaan ovari, menjadikannya laluan yang munasabah bagi isyarat awal penentu jantan untuk mengalihkan perkembangan.

Perbezaan aktiviti cyp19a1a sudah kelihatan pada 19 hari selepas persenyawaan. Ekspresinya meningkat pada ikan XY dengan pangu yang diganggu dan menurun pada ikan XX yang membawa gen yang dimasukkan. Beberapa gen lain yang dikaitkan dengan pembezaan jantina tidak menunjukkan perubahan awal yang setara.

Dalam eksperimen menggunakan sel makmal manusia dan garis sel yang berasal daripada sirip koi, Pangu mengurangkan aktiviti pada rantau pengawalseliaan kedua-dua salinan cyp19a1a. Pangu mutan tanpa domain heliks-gelung-heliks yang utuh kehilangan keupayaan itu, mengaitkan struktur peptida dengan kesan pengawal selianya.

Ujian paling kukuh dijalankan pada ikan itu sendiri. Gangguan terhadap cyp19a1a pada mutan pangu XY memulihkan perkembangan testis, meskipun suis jantan yang dicadangkan itu telah tiada. Pemulihan genetik ini meletakkan cyp19a1a di hiliran pangu: menyekat laluan ovari boleh mengatasi ketiadaan isyarat huluan. Bukti ini menyokong mekanisme yang Pangu menggalakkan perkembangan jantan sekurang-kurangnya sebahagiannya dengan menekan cyp19a1a, namun belum menetapkan setiap langkah molekul yang terlibat.

Sejauh mana penemuan ini terpakai di luar ikan kap Sungai Kuning?

Para penyelidik mengesan pangu pada ikan jantan daripada wakil kedua-dua subspesies utama ikan kap biasa. Ini termasuk ikan kap Sungai Kuning, ikan kap merah dan koi daripada kumpulan Asia Timur, serta ikan kap cermin Jerman daripada kumpulan Eropah. Mereka turut mengenal pasti jujukan khusus jantan pada satu lagi spesies dalam genus itu, Cyprinus acutidorsalis.

Ikan kap merah dan koi menjalani ujian fungsi lanjut. Penyingkiran dan penambahan pangu menghasilkan pembalikan jantina dalam arah bertentangan, selaras dengan hasil pada ikan kap Sungai Kuning. Eksperimen ini memberikan bukti yang lebih kukuh tentang fungsi bersama berbanding pengesanan jujukan DNA semata-mata.

Perbezaan ini mengehadkan sejauh mana hasil kajian patut ditafsirkan. Makalah itu menghuraikan suis jantan yang terpelihara merentas genus Cyprinus, manakala eksperimen pembalikan jantina dua hala yang terperinci melibatkan ikan kap Sungai Kuning, ikan kap merah dan koi. Pengesanan pada ikan kap cermin Jerman dan Cyprinus acutidorsalis memperluas bukti genetik, tetapi tidak setara dengan rangkaian ujian fungsi yang sama.

Begitu juga, penemuan ini sebagai gen penentuan jantina utama pertama yang disahkan dalam keluarga Cyprinidae tidak bermakna Pangu menentukan jantina seluruh keluarga itu. Penemuan ini menyediakan titik permulaan untuk menguji ikan berkaitan yang berkongsi suis tersebut dan ikan yang menggunakan mekanisme berbeza.

Penanda 2009 ialah petunjuk awal, bukan bukti gen utama

Satu kajian penanda 2009 yang diterbitkan dalam Molecular and Cellular Probes sudah mengenal pasti fragmen DNA khusus bagi ikan kap biasa jantan. Para penyelidik menguji 220 primer rawak dan mendapati primer S2107 menghasilkan fragmen sepanjang 909 pasangan bes pada ikan jantan.

Corak itu diperhatikan pada 30 ekor ikan daripada tiga stok ikan kap biasa. Ujian amplifikasi dan penghibridan lanjut menyokong kaitannya dengan ikan jantan. Fragmen itu menunjukkan persamaan rendah dengan jujukan berulang pada ikan zebra, dan tiada isyarat penghibridan dikesan pada ikan kap rumput.

Kajian itu mencadangkan jujukan tersebut sebagai alat untuk mengenal pasti jantina genetik ikan kap Sungai Kuning. Namun, penanda boleh diwarisi bersama kromosom seks tanpa menyebabkan perkembangan jantan. Kajian baharu ini melangkah lebih jauh dengan mengenal pasti gen yang diekspresikan dan menunjukkan bahawa menyingkirkan atau menambah fungsinya mengubah perkembangan gonad. Bukti yang dihuraikan di sini tidak membuktikan bahawa penanda 909 pasangan bes dan rantau 1,487 pasangan bes yang baru ditakrifkan itu ialah jujukan yang sama.

Pencapaian penyelidikan ini dipisahkan oleh beberapa tahun, manakala tarikh penerbitan merujuk kepada keluaran yang sama dalam zon waktu berbeza:

• Oktober 2009: Kajian terdahulu melaporkan penanda DNA sepanjang 909 pasangan bes yang dikaitkan dengan ikan kap biasa jantan.
• 9 Oktober 2026: Science Advances menyenaraikan kajian pangu sebagai diterbitkan dalam jilid 12, keluaran 41.
• 10 Oktober 2026, waktu Beijing: Pengumuman menyatakan tarikh penerbitan penemuan baharu itu.
• 11 Oktober 2026: Satu akaun awam menghuraikan penemuan itu dan lebih sedekad penyelidikan.

Persoalan yang masih belum terjawab

Bukti tentang peranan Pangu dalam perkembangan lebih kukuh berbanding penjelasan semasa tentang tindakan molekulnya yang tepat. Kajian ini menunjukkan penekanan aktiviti cyp19a1a dan pemulihan genetik yang menghubungkan kedua-dua gen itu. Namun, kajian ini belum menentukan sama ada Pangu mengikat DNA pengawalseliaan yang berkaitan secara langsung atau bertindak melalui protein lain.

Penulis turut mengemukakan persoalan tentang sel yang mengekspresikan pangu. Ekspresinya yang rendah dan terhad mungkin mencerminkan aktiviti dalam populasi sel garis keturunan Sertoli yang sedang berkembang, yang jarang ditemui atau bersifat sementara. Menentukan sama ada sel tersebut mewakili keadaan progenitor awal dapat membantu menjelaskan bagaimana isyarat permulaan yang kecil membawa kepada pembentukan testis.

Chen Kuangxin, penyelidik pascadoktoral di Universiti Lautan Shanghai, dan Chen Ji, penyelidik bersekutu di Institut Hidrobiologi, ialah penulis bersama yang berkongsi kedudukan penulis pertama. Penulis yang bertanggungjawab ialah Hu Wei, Zhu Zuoyan, Ge Chutian dari Universiti Wanli Zhejiang, dan Vance L. Trudeau dari Universiti Ottawa. Ahli akademik Akademi Sains China, He Shunping, serta pakar lain memberikan bimbingan dan bantuan.

Tiada jadual masa diberikan untuk eksperimen seterusnya. Hasil utama sudah disokong oleh penentuan lokasi pada kromosom, ekspresi awal dan ujian fungsi dua hala. Penyelidikan yang belum selesai melibatkan cara Pangu melaksanakan peranannya dan sejauh mana mekanisme itu dikongsi di luar kumpulan ikan kap yang diuji.

Perkara Utama

• Pangu ialah gen penentuan jantina utama pertama yang dikenal pasti dalam Cyprinidae dan disahkan melalui eksperimen.
• Gen ini mengekod peptida sepanjang 76 asid amino dalam rantau 1,487 pasangan bes pada kromosom Y ikan kap biasa.
• Gangguan terhadap pangu menyebabkan ikan kap XY mengembangkan ovari; memasukkannya ke dalam ikan kap XX menyebabkan testis berkembang.
• Gangguan terhadap gen laluan ovari cyp19a1a memulihkan perkembangan testis pada mutan pangu.
• Ujian fungsi pada ikan kap merah dan koi menyokong peranan bersama, tetapi penemuan ini tidak membuktikan mekanisme sejagat merentas seluruh keluarga.
• Laluan molekul tepat yang digunakan Pangu untuk menekan cyp19a1a masih belum diketahui.