Molecular Clocks and the Three Domains of Life

Back to IF3211 Komputasi Domain Spesifik

Molecular Clocks and the Three Domains of Life

Questions/Cues

• Apa itu molecular clock, dan asumsi apa yang mendasarinya?
• Bagaimana molecular clock dikalibrasi dengan catatan fosil?
• Mengapa kecepatan jam berbeda antar gen, dan apa masalah molecular clock?
• Bagaimana molecular clock menanggalkan asal-usul HIV?
• Bagaimana sistem klasifikasi berpindah dari dua kingdom → lima kingdom → tiga domain, dan apa peran horizontal gene transfer?

Reference Points

• IF3211 — Phylogeny (PPT 10, bagian Molecular Clocks)
• IF3211 — Phylogeny (PPT 10, bagian From Two Kingdoms to Three Domains & Horizontal Gene Transfer)

Molecular Clock dan Kalibrasi

Molecular clock memanfaatkan laju evolusi yang relatif konstan pada sebagian gen untuk memperkirakan waktu absolut suatu peristiwa evolusi. Asumsi intinya: jumlah substitusi nukleotida pada gen yang berkerabat sebanding dengan waktu sejak keduanya terakhir berbagi nenek moyang. Jika kita tahu laju “tik” jam itu, jumlah perbedaan sekuens dapat diterjemahkan menjadi durasi waktu.

Kalibrasi dilakukan dengan memplot jumlah perubahan genetik terhadap tanggal branch point yang diketahui dari catatan fosil. Garis yang terbentuk memberi laju (perubahan per satuan waktu); titik divergensi yang tidak punya fosil lalu diperkirakan dari garis kalibrasi itu.

Perbedaan Kecepatan Jam dan Masalahnya

Mengapa jam ini bisa bekerja? Sebagian mutasi bersifat selectively neutral — tidak berdampak pada fitness — sehingga terakumulasi teratur seperti jam. Laju “tik” berbeda antar gen tergantung seberapa kritis gen itu bagi kelangsungan hidup: gen vital lebih lambat berubah (perubahan cenderung merugikan dan tersaring).

Namun molecular clock tidak berjalan semulus yang diharapkan jika semua mutasi netral:

• Natural selection membuat sebagian perubahan DNA lebih disukai daripada yang lain, menimbulkan iregularitas.
• Estimasi divergensi yang lebih tua dari catatan fosil punya ketidakpastian tinggi (ekstrapolasi jauh di luar rentang kalibrasi).
• Solusi: gunakan banyak gen atau gen dari banyak taxa untuk memperbaiki estimasi (merata-ratakan derau).

Studi Kasus: Menanggalkan Asal-Usul HIV

Analisis filogenetik menunjukkan HIV turun dari virus yang menginfeksi simpanse dan primata lain, dan menyebar ke manusia lebih dari sekali. Perbandingan sampel HIV memperlihatkan virus ini berevolusi sangat clocklike. Penerapan molecular clock memperkirakan strain manusia paling umum, HIV-1 M, berasal sekitar 1930; pendekatan jam yang lebih kompleks menanggalkannya ke sekitar 1910 — jauh sebelum HIV dikenali secara klinis.

Dari Dua Kingdom ke Tiga Domain

Klasifikasi tingkat tinggi pun berevolusi:

• Dua kingdom: dulu semua spesies = tumbuhan atau hewan.
• Lima kingdom: Monera (prokariot), Protista, Plantae, Fungi, Animalia.
• Tiga domain (kini): Bacteria, Archaea, Eukarya — didukung data banyak genom tersekuens.

Pohon kehidupan ini dibangun dari gen rRNA yang berevolusi lambat (mengode komponen RNA ribosom). Dalam pohon rRNA, eukariot dan archaea lebih dekat satu sama lain daripada ke bacteria.

graph LR
    LUCA(("LUCA"))
    LUCA --> BAC["Domain Bacteria"]
    LUCA --> N(("Ancestor<br/>Archaea + Eukarya"))
    N --> ARC["Domain Archaea"]
    N --> EUK["Domain Eukarya"]

Computational Framing: Clock sebagai Regresi dan HGT sebagai Graph

Bagi mahasiswa informatika, molecular clock adalah linear regression / estimasi: variabel bebas = waktu (dari fosil), variabel terikat = jumlah substitusi; kalibrasi = fit garis, lalu memprediksi waktu divergensi tak-diketahui dengan invers garis itu. “Iregularitas jam” = residual dan heteroskedastisitas akibat seleksi; “pakai banyak gen” = memperbanyak sampel untuk mengecilkan variance estimasi. Pendekatan modern (relaxed clock, BEAST) memodelkan laju sebagai variabel acak per cabang, bukan konstanta tunggal.

Sementara itu, horizontal gene transfer (HGT) — transfer gen antar spesies via plasmid, transposon, infeksi virus, atau fusi organisme — adalah alasan pohon kadang bukan pohon. Karena gen berbeda memberi pohon berbeda (rRNA mendekatkan eukariot–archaea; gen lain mendekatkan eukariot–bacteria), sejarah kehidupan lebih tepat sebagai directed acyclic graph / jaringan filogenetik dengan edge “lateral”, bukan tree murni. Inilah “tangled web of life”.

Summary

Molecular clock memperkirakan waktu absolut evolusi dari asumsi bahwa substitusi nukleotida sebanding dengan waktu, dikalibrasi dengan memplot perubahan genetik terhadap tanggal fosil. Jam bekerja karena banyak mutasi bersifat netral, tetapi natural selection dan ekstrapolasi di luar rentang fosil menimbulkan ketidakpastian — diperbaiki dengan banyak gen/taxa. Penerapan terkenal: menanggalkan asal HIV-1 M ke ~1910–1930. Klasifikasi tingkat tinggi berpindah dua → lima kingdom → tiga domain (Bacteria, Archaea, Eukarya) berdasarkan pohon rRNA, tetapi horizontal gene transfer membuat pohon kehidupan sebenarnya menyerupai jaringan/graph. Secara komputasi, clock adalah regresi/estimasi dan HGT adalah alasan tree menjadi network — melengkapi metode di Maximum Parsimony and Tree Reconstruction.

Additional Information

Deeper Dive: Carl Woese dan Revolusi rRNA

Sistem tiga domain lahir dari kerja Carl Woese (1977) yang membandingkan 16S/18S rRNA — molekul yang ada di semua sel hidup dan berevolusi sangat lambat, sehingga jadi “penanda universal” ideal untuk kekerabatan paling dalam. Penemuan bahwa Archaea berbeda fundamental dari Bacteria meruntuhkan dikotomi prokariot–eukariot lama dan menempatkan Archaea sebagai kerabat terdekat kita (Eukarya). Pendekatan ini juga melahirkan metagenomics: mensurvei mikroba lingkungan langsung dari sekuens rRNA tanpa mengkulturnya.

CS Angle: Phylogenetic Networks dan Konflik Sinyal

Ketika gen berbeda menghasilkan pohon berbeda (gene tree vs species tree discordance), kita beralih dari tree ke phylogenetic network — DAG yang mengizinkan reticulation node (HGT, hibridisasi, rekombinasi). Tool seperti SplitsTree menampilkan konflik sinyal sebagai split network, dan rekonsiliasi gene-tree/species-tree adalah persoalan optimisasi pada graf. Ini contoh konkret bagaimana asumsi “data berstruktur pohon” gagal dan kita butuh model graph yang lebih kaya.

Proyek Eksplorasi Mandiri

1. Buat dataset sintetik (jumlah substitusi vs waktu fosil), lakukan regresi linier, dan gunakan garisnya untuk memperkirakan satu titik divergensi tak-diketahui — lalu diskusikan ketidakpastian ekstrapolasi.
2. Bandingkan pohon dari dua gen berbeda pada beberapa spesies bakteri; cari ketidaksesuaian yang bisa dijelaskan HGT.
3. Pelajari pohon tiga domain dari database SILVA/Greengenes (rRNA) dan gambar ulang sebagai mermaid dengan posisi Archaea–Eukarya sebagai sister.

Bacaan Lanjutan

• Campbell Biology in Focus, 3rd ed., Chapter 20 — Molecular Clocks; The Three Domains of Life.
• Woese, Kandler, Wheelis (1990) — Towards a Natural System of Organisms: Bacteria, Archaea, Eucarya.
• Worobey et al. (2008) — penanggalan molecular clock asal-usul HIV-1 M.