Genetika

Genetika adalah kajian tentang gen, variasi genetik, dan pewarisan pada organisme. Bidang ini merupakan cabang penting dalam biologi karena pewarisan berperan mendasar dalam evolusi organisme. Gregor Mendel, seorang biarawan Augustinian dari Moravia yang berkarya pada abad ke-19 di Brno, adalah tokoh pertama yang menelaah genetika secara ilmiah. Mendel meneliti "pewarisan sifat", yakni pola bagaimana sifat-sifat diturunkan dari induk kepada keturunannya dari generasi ke generasi. Ia mengamati bahwa organisme (tanaman kacang ercis) mewarisi sifat melalui "unit-unit pewarisan" yang bersifat diskret. Istilah ini, yang masih digunakan hingga kini, merupakan definisi yang agak samar terhadap apa yang kemudian dikenal sebagai gen.

Pewarisan sifat dan mekanisme pewarisan gen secara molekuler tetap menjadi prinsip utama genetika pada abad ke-21, tetapi genetika modern telah berkembang untuk mengkaji fungsi dan perilaku gen secara lebih mendalam. Struktur dan fungsi gen, variasi, serta distribusinya dipelajari dalam konteks sel, organisme (misalnya dominansi), maupun dalam lingkup populasi. Perkembangan genetika telah melahirkan berbagai subbidang, termasuk genetika molekuler, epigenetika, genetika populasi, dan paleogenetika. Organisme yang ditelaah dalam bidang yang luas ini mencakup seluruh domain kehidupan (arkaea, bakteri, dan eukariota).

Proses-proses genetik bekerja dalam interaksi dengan lingkungan serta pengalaman organisme untuk memengaruhi perkembangan dan perilaku, yang kerap dirujuk sebagai hakikat versus pengasuhan. Lingkungan intraseluler maupun ekstraseluler dari suatu sel hidup atau organisme dapat meningkatkan ataupun menurunkan transkripsi gen. Contoh klasiknya adalah dua benih jagung yang secara genetik identik, yang satu ditanam di iklim sedang dan yang lain di iklim kering (dengan curah hujan yang tidak memadai). Walaupun tinggi rata-rata batang jagung yang dapat dicapai ditentukan secara genetik, tanaman yang tumbuh di iklim kering hanya mencapai setengah tinggi tanaman di iklim sedang akibat kekurangan air dan unsur hara di lingkungannya.

Etimologi

William Bateson mencetuskan istilah genetika dari bahasa Yunani Kuno ' yang bermakna "genitif"/"generatif", yang kemudian diturunkan dari kata ' yang bermakna "asal-usul".

Sejarah

Pengamatan bahwa makhluk hidup mewarisi sifat-sifat dari induknya telah dimanfaatkan sejak masa prasejarah untuk memuliakan tanaman pertanian dan hewan melalui pembiakan selektif. Ilmu genetika modern, yang berusaha memahami proses ini, bermula dari karya seorang biarawan Agustinian, Gregor Mendel, pada pertengahan abad ke-19.

Sebelum Mendel, Imre Festetics, seorang bangsawan Hungaria yang tinggal di Kőszeg sebelum masa Mendel, adalah orang pertama yang menggunakan kata "genetik" dalam konteks pewarisan sifat, dan dianggap sebagai ahli genetika pertama. Ia menjabarkan beberapa kaidah pewarisan biologis dalam karyanya Hukum genetik alam (Die genetischen Gesetze der Natur, 1819). Hukum keduanya sama dengan apa yang dipublikasikan oleh Mendel. Dalam hukum ketiganya, ia mengembangkan prinsip-prinsip dasar mutasi (ia dapat dianggap sebagai pendahulu Hugo de Vries).[ Festetics berargumen bahwa perubahan yang diamati pada generasi hewan ternak, tanaman, dan manusia adalah hasil dari hukum-hukum ilmiah. Festetics menyimpulkan secara empiris bahwa organisme mewarisi karakteristik mereka, bukan mendapatkannya (melalui adaptasi). Ia mengenali sifat resesif dan variasi bawaan dengan mendalilkan bahwa ciri-ciri dari generasi masa lalu dapat muncul kembali di kemudian hari, dan organisme dapat menghasilkan keturunan dengan atribut yang berbeda. Pengamatan ini merupakan pendahuluan penting bagi teori pewarisan partikulat Mendel sejauh hal tersebut menampilkan transisi hereditas dari statusnya sebagai mitos menjadi sebuah disiplin ilmiah, dengan menyediakan dasar teoretis yang fundamental bagi genetika di abad kedua puluh.

Teori-teori pewarisan lain mendahului karya Mendel. Sebuah teori populer selama abad ke-19, dan yang tersirat dalam On the Origin of Species karya Charles Darwin tahun 1859, adalah pewarisan campur: gagasan bahwa individu mewarisi perpaduan halus sifat-sifat dari kedua induknya. Karya Mendel memberikan contoh di mana sifat-sifat tersebut jelas tidak bercampur setelah hibridisasi, yang menunjukkan bahwa sifat-sifat dihasilkan oleh kombinasi gen-gen yang berbeda alih-alih perpaduan yang berkelanjutan. Pencampuran sifat pada keturunan kini dijelaskan melalui aksi gen ganda dengan efek kuantitatif. Teori lain yang mendapat dukungan pada masa itu adalah pewarisan sifat yang didapat: keyakinan bahwa individu mewarisi sifat-sifat yang dikuatkan oleh induknya. Teori ini (yang umumnya dikaitkan dengan Jean-Baptiste Lamarck) kini diketahui salah—pengalaman individu tidak memengaruhi gen yang mereka wariskan kepada anak-anak mereka. Teori-teori lainnya mencakup pangenesis Darwin (yang memiliki aspek perolehan maupun pewarisan) dan perumusan ulang pangenesis oleh Francis Galton sebagai sesuatu yang bersifat partikulat dan diwariskan.

Genetika Mendel

Genetika modern bermula dari studi Mendel mengenai sifat dasar pewarisan pada tanaman. Dalam makalahnya "Versuche über Pflanzenhybriden" ("Percobaan pada Persilangan Tanaman"), yang dipresentasikan pada tahun 1865 kepada Naturforschender Verein (Masyarakat Peneliti Alam) di Brno, Mendel menelusuri pola pewarisan sifat-sifat tertentu pada tanaman kacang polong dan mendeskripsikannya secara matematis. Meskipun pola pewarisan ini hanya dapat diamati pada beberapa sifat, karya Mendel menyiratkan bahwa hereditas bersifat partikulat, bukan didapat, dan bahwa pola pewarisan dari banyak sifat dapat dijelaskan melalui aturan dan rasio yang sederhana.

Pentingnya karya Mendel tidak dipahami secara luas hingga tahun 1900, setelah kematiannya, ketika Hugo de Vries dan ilmuwan lain menemukan kembali penelitiannya. William Bateson, seorang pendukung karya Mendel, mencetuskan kata genetika pada tahun 1905. Kata sifat genetik, yang diturunkan dari kata Yunani genesis—γένεσις, "asal-usul", mendahului kata bendanya dan pertama kali digunakan dalam pengertian biologis pada tahun 1860. Bateson bertindak sebagai mentor sekaligus dibantu secara signifikan oleh karya ilmuwan lain dari Newnham College di Cambridge, khususnya karya Becky Saunders, Nora Darwin Barlow, dan Muriel Wheldale Onslow. Bateson memopulerkan penggunaan kata genetika untuk mendeskripsikan studi pewarisan sifat dalam pidato pembukaannya pada Konferensi Internasional Ketiga tentang Hibridisasi Tanaman di London tahun 1906.

Setelah penemuan kembali karya Mendel, para ilmuwan mencoba menentukan molekul mana di dalam sel yang bertanggung jawab atas pewarisan. Pada tahun 1900, Nettie Stevens mulai mempelajari ulat tepung. Selama 11 tahun berikutnya, ia menemukan bahwa betina hanya memiliki kromosom X dan jantan memiliki kromosom X dan Y. Ia mampu menyimpulkan bahwa jenis kelamin merupakan faktor kromosom dan ditentukan oleh pejantan. Pada tahun 1911, Thomas Hunt Morgan berpendapat bahwa gen berada pada kromosom, berdasarkan pengamatan terhadap mutasi mata putih yang terpaut seks pada lalat buah. Pada tahun 1913, mahasiswanya Alfred Sturtevant menggunakan fenomena pautan genetik untuk menunjukkan bahwa gen tersusun secara linier pada kromosom.

Genetika molekuler

Walaupun keberadaan gen pada kromosom telah diketahui, kromosom tersusun atas protein maupun DNA, dan para ilmuwan belum mengetahui manakah di antara keduanya yang bertanggung jawab atas pewarisan sifat. Pada tahun 1928, Frederick Griffith menemukan fenomena transformasi: bakteri yang telah mati dapat mentransfer materi genetik untuk "mengubah" bakteri lain yang masih hidup. Enam belas tahun kemudian, pada 1944, percobaan Avery–MacLeod–McCarty mengidentifikasi DNA sebagai molekul yang bertanggung jawab atas transformasi tersebut. Peran nukleus sebagai wadah penyimpanan informasi genetik pada eukariota telah ditetapkan oleh Hämmerling pada tahun 1943 dalam karyanya mengenai alga bersel tunggal Acetabularia. Percobaan Hershey–Chase pada tahun 1952 mengonfirmasi bahwa DNA (dan bukan protein) adalah materi genetik dari virus yang menginfeksi bakteri, yang memberikan bukti lebih lanjut bahwa DNA adalah molekul yang bertanggung jawab atas pewarisan sifat.

James Watson dan Francis Crick menentukan struktur DNA pada tahun 1953, dengan menggunakan karya kristalografi sinar-X dari Rosalind Franklin dan Maurice Wilkins yang mengindikasikan bahwa DNA memiliki struktur heliks (yaitu, berbentuk seperti sekrup pembuka sumbat botol). Model heliks ganda mereka memiliki dua untai DNA dengan nukleotida yang mengarah ke dalam, masing-masing berpasangan dengan nukleotida komplementer pada untai lainnya untuk membentuk apa yang tampak seperti anak tangga pada tangga yang berpilin. Struktur ini menunjukkan bahwa informasi genetik terdapat dalam urutan nukleotida pada setiap untai DNA. Struktur tersebut juga menyiratkan metode sederhana untuk replikasi: jika untaian dipisahkan, untaian pasangan baru dapat direkonstruksi untuk masing-masing untai berdasarkan urutan untai lama. Sifat inilah yang memberikan karakteristik semikonservatif pada DNA, di mana satu untai DNA baru berasal dari untai induk yang asli.

Meskipun struktur DNA menunjukkan bagaimana pewarisan sifat bekerja, masih belum diketahui bagaimana DNA memengaruhi perilaku sel. Pada tahun-tahun berikutnya, para ilmuwan mencoba memahami bagaimana DNA mengendalikan proses produksi protein. Ditemukan bahwa sel menggunakan DNA sebagai cetakan untuk membuat RNA kurir yang cocok, yakni molekul dengan nukleotida yang sangat mirip dengan DNA. Urutan nukleotida pada RNA kurir digunakan untuk membuat urutan asam amino dalam protein; penerjemahan antara urutan nukleotida dan urutan asam amino ini dikenal sebagai kode genetik.

Dengan pemahaman molekuler yang baru ditemukan mengenai pewarisan sifat ini, terjadi ledakan dalam penelitian. Sebuah teori terkemuka muncul dari Tomoko Ohta pada tahun 1973 dengan penyempurnaannya terhadap teori netral evolusi molekuler melalui penerbitan teori hampir netral evolusi molekuler. Dalam teori ini, Ohta menekankan pentingnya seleksi alam dan lingkungan terhadap laju terjadinya evolusi genetik. Salah satu perkembangan penting adalah sekuensing DNA terminasi rantai pada tahun 1977 oleh Frederick Sanger. Teknologi ini memungkinkan para ilmuwan untuk membaca urutan nukleotida dari molekul DNA. Pada tahun 1983, Kary Banks Mullis mengembangkan reaksi berantai polimerase, yang menyediakan cara cepat untuk mengisolasi dan memperbanyak bagian spesifik DNA dari sebuah campuran. Upaya dari Proyek Genom Manusia, Departemen Energi, NIH, dan upaya swasta paralel oleh Celera Genomics berujung pada pengurutan genom manusia pada tahun 2003.

Fitur pewarisan sifat

Pewarisan diskrit dan hukum Mendel

Pada tingkat paling mendasar, pewarisan sifat dalam organisme terjadi melalui pemindahan unit-unit terwariskan yang diskrit, yang disebut gen, dari induk kepada keturunannya. Sifat ini pertama kali diamati oleh Gregor Mendel, yang mempelajari segregasi sifat-sifat terwariskan pada tanaman kacang polong, yang menunjukkan misalnya bahwa bunga pada satu tanaman berwarna ungu atau putih—tetapi tidak pernah merupakan perantara di antara kedua warna tersebut. Versi diskrit dari gen yang sama yang mengendalikan penampilan terwariskan (fenotipe) disebut alel.

Dalam kasus kacang polong, yang merupakan spesies diploid, setiap individu tanaman memiliki dua salinan dari setiap gen, satu salinan diwarisi dari masing-masing induk. Banyak spesies, termasuk manusia, memiliki pola pewarisan sifat ini. Organisme diploid dengan dua salinan alel yang sama dari gen tertentu disebut homozigot pada lokus gen tersebut, sedangkan organisme dengan dua alel berbeda dari gen tertentu disebut heterozigot. Kumpulan alel bagi suatu organisme disebut genotipenya, sedangkan sifat-sifat yang dapat diamati dari organisme tersebut disebut fenotipenya. Ketika organisme bersifat heterozigot pada suatu gen, sering kali satu alel disebut dominan karena kualitasnya mendominasi fenotipe organisme tersebut, sedangkan alel lainnya disebut resesif karena kualitasnya tersembunyi dan tidak teramati. Beberapa alel tidak memiliki dominansi penuh dan justru memiliki dominansi tidak lengkap dengan mengekspresikan fenotipe perantara, atau kodominansi dengan mengekspresikan kedua alel sekaligus.

Ketika sepasang organisme berkembang biak secara seksual, keturunannya secara acak mewarisi satu dari dua alel dari masing-masing induk. Pengamatan mengenai pewarisan diskrit dan segregasi alel ini secara kolektif dikenal sebagai hukum pertama Mendel atau Hukum Segregasi. Akan tetapi, probabilitas mendapatkan satu gen dibandingkan gen lainnya dapat berubah karena gen dominan, resesif, homozigot, atau heterozigot. Sebagai contoh, Mendel menemukan bahwa jika Anda menyilangkan organisme heterozigot, peluang Anda mendapatkan sifat dominan adalah 3:1. Ahli genetika sungguhan mempelajari dan menghitung probabilitas dengan menggunakan probabilitas teoretis, probabilitas empiris, aturan perkalian, aturan penjumlahan, dan banyak lagi.

Notasi dan diagram

Para ahli genetika menggunakan diagram dan simbol untuk mendeskripsikan pewarisan sifat. Sebuah gen dilambangkan dengan satu atau beberapa huruf. Sering kali simbol "+" digunakan untuk menandai yang biasa, yakni alel nonmutan bagi suatu gen.

Dalam eksperimen pembuahan dan pemuliaan (dan terutama saat membahas hukum Mendel), induk disebut sebagai generasi "P" dan keturunannya sebagai generasi "F1" (filial pertama). Ketika keturunan F1 kawin satu sama lain, keturunannya disebut generasi "F2" (filial kedua). Salah satu diagram umum yang digunakan untuk memprediksi hasil persilangan adalah persegi Punnett.

Saat mempelajari penyakit genetik manusia, ahli genetika sering menggunakan bagan silsilah untuk merepresentasikan pewarisan sifat. Bagan ini memetakan pewarisan suatu sifat dalam pohon keluarga.

Interaksi gen majemuk

Organisme memiliki ribuan gen, dan pada organisme yang bereproduksi secara seksual, gen-gen ini umumnya memilah secara independen satu sama lain. Ini berarti bahwa pewarisan alel untuk warna kacang polong kuning atau hijau tidak berhubungan dengan pewarisan alel untuk bunga putih atau ungu. Fenomena ini, yang dikenal sebagai "hukum pemilahan bebas Mendel, berarti bahwa alel dari gen yang berbeda dikocok di antara induk untuk membentuk keturunan dengan banyak kombinasi berbeda. Gen yang berbeda sering kali berinteraksi untuk memengaruhi sifat yang sama. Pada Blue-eyed Mary (Omphalodes verna), misalnya, terdapat gen dengan alel yang menentukan warna bunga: biru atau magenta. Namun, gen lain mengontrol apakah bunga memiliki warna sama sekali atau berwarna putih. Ketika tanaman memiliki dua salinan alel putih ini, bunganya berwarna putih—terlepas dari apakah gen pertama memiliki alel biru atau magenta. Interaksi antar gen ini disebut epistasis, dengan gen kedua bersifat epistatik terhadap gen pertama.

Banyak sifat bukanlah fitur diskrit (misalnya bunga ungu atau putih) melainkan fitur kontinu (misalnya tinggi badan manusia dan warna kulit). Sifat kompleks ini adalah produk dari banyak gen. Pengaruh gen-gen ini dimediasi, hingga derajat tertentu, oleh lingkungan yang dialami organisme tersebut. Derajat kontribusi gen organisme terhadap sifat kompleks disebut heritabilitas. Pengukuran heritabilitas suatu sifat bersifat relatif—dalam lingkungan yang lebih bervariasi, lingkungan memiliki pengaruh yang lebih besar terhadap variasi total sifat tersebut. Sebagai contoh, tinggi badan manusia adalah sifat dengan penyebab yang kompleks. Sifat ini memiliki heritabilitas 89% di Amerika Serikat. Namun, di Nigeria, di mana orang mengalami akses yang lebih bervariasi terhadap nutrisi yang baik dan perawatan kesehatan, tinggi badan hanya memiliki heritabilitas sebesar 62%.

Dasar molekuler pewarisan sifat

DNA dan kromosom

Dasar molekuler bagi gen adalah asam deoksiribonukleat (DNA). DNA tersusun atas deoksiribosa (molekul gula), gugus fosfat, dan basa (gugus amina). Terdapat empat jenis basa: adenina (A), sitosina (C), guanina (G), dan timina (T). Fosfat membuat ikatan fosfodiester dengan gula untuk membuat tulang punggung fosfat-gula yang panjang. Basa secara spesifik berpasangan (T&A, C&G) di antara dua tulang punggung dan membentuk seperti anak tangga pada sebuah tangga. Basa, fosfat, dan gula bersama-sama membentuk nukleotida yang terhubung untuk membuat rantai panjang DNA. Informasi genetik terdapat dalam urutan nukleotida ini, dan gen hadir sebagai bentangan urutan di sepanjang rantai DNA. Rantai-rantai ini melilit menjadi struktur heliks ganda dan membungkus protein yang disebut Histon yang memberikan dukungan struktural. DNA yang terbungkus di sekitar histon ini disebut kromosom. Virus terkadang menggunakan molekul serupa yakni RNA alih-alih DNA sebagai materi genetiknya.

DNA biasanya berada sebagai molekul untai ganda, yang melilit membentuk bentuk heliks ganda. Setiap nukleotida dalam DNA secara preferensial berpasangan dengan nukleotida pasangannya pada untai yang berlawanan: A berpasangan dengan T, dan C berpasangan dengan G. Dengan demikian, dalam bentuk dua untainya, setiap untai secara efektif mengandung semua informasi yang diperlukan, yang berlebihan (redundan) dengan untai pasangannya. Struktur DNA ini adalah dasar fisik bagi pewarisan sifat: replikasi DNA menggandakan informasi genetik dengan memisahkan untaian dan menggunakan setiap untai sebagai cetakan untuk sintesis untai pasangan baru.

Gen tersusun secara linier di sepanjang rantai panjang urutan pasangan basa DNA. Pada bakteri, setiap sel biasanya mengandung satu genofor melingkar tunggal, sedangkan organisme eukariotik (seperti tanaman dan hewan) memiliki DNA yang tersusun dalam banyak kromosom linier. Untaian DNA ini sering kali sangat panjang; kromosom manusia terbesar, misalnya, panjangnya sekitar 247 juta pasangan basa. DNA dari sebuah kromosom berasosiasi dengan protein struktural yang mengatur, memadatkan, dan mengontrol akses ke DNA, membentuk material yang disebut kromatin; pada eukariota, kromatin biasanya terdiri dari nukleosom, segmen DNA yang melilit inti protein histon. Set lengkap materi keturunan dalam suatu organisme (biasanya gabungan urutan DNA dari semua kromosom) disebut genom.

DNA paling sering ditemukan di dalam inti sel, tetapi Ruth Sager membantu penemuan gen nonkromosom yang ditemukan di luar inti sel. Pada tumbuhan, ini sering ditemukan di dalam kloroplas dan pada organisme lain, di dalam mitokondria. Gen nonkromosom ini masih dapat diwariskan oleh salah satu pasangan dalam reproduksi seksual dan mereka mengontrol berbagai karakteristik keturunan yang bereplikasi dan tetap aktif sepanjang generasi.

Sementara organisme haploid hanya memiliki satu salinan dari setiap kromosom, sebagian besar hewan dan banyak tanaman bersifat diploid, mengandung dua dari setiap kromosom dan dengan demikian dua salinan dari setiap gen. Dua alel untuk satu gen terletak pada lokus identik dari dua kromosom homolog, masing-masing alel diwarisi dari induk yang berbeda.

Banyak spesies memiliki apa yang disebut kromosom seks yang menentukan jenis kelamin setiap organisme. Pada manusia dan banyak hewan lainnya, kromosom Y mengandung gen yang memicu perkembangan karakteristik khusus jantan. Dalam evolusi, kromosom ini telah kehilangan sebagian besar isinya dan juga sebagian besar gennya, sedangkan kromosom X mirip dengan kromosom lainnya dan mengandung banyak gen. Meskipun demikian, Mary Frances Lyon menemukan bahwa terdapat inaktivasi kromosom X selama reproduksi untuk menghindari pewarisan gen dua kali lebih banyak kepada keturunannya. Penemuan Lyon mengarah pada penemuan penyakit terpaut X.

Reproduksi

Ketika sel membelah, genom lengkapnya disalin dan setiap sel anakan mewarisi satu salinan. Proses ini, yang disebut mitosis, adalah bentuk reproduksi yang paling sederhana dan menjadi dasar bagi reproduksi aseksual. Reproduksi aseksual juga dapat terjadi pada organisme multiseluler, yang menghasilkan keturunan yang mewarisi genom mereka dari satu induk tunggal. Keturunan yang secara genetik identik dengan induknya disebut klona.

Organisme eukariotik sering menggunakan reproduksi seksual untuk menghasilkan keturunan yang mengandung campuran materi genetik yang diwarisi dari dua induk yang berbeda. Proses reproduksi seksual berganti-ganti antara bentuk yang mengandung salinan tunggal genom (haploid) dan salinan ganda (diploid). Sel-sel haploid bergabung dan memadukan materi genetik untuk menciptakan sel diploid dengan kromosom berpasangan. Organisme diploid membentuk sel haploid dengan cara membelah diri, tanpa mereplikasi DNA mereka, untuk menciptakan sel anakan yang secara acak mewarisi satu dari setiap pasangan kromosom. Sebagian besar hewan dan banyak tanaman bersifat diploid selama sebagian besar masa hidup mereka, dengan bentuk haploid yang tereduksi menjadi gamet sel tunggal seperti sperma atau sel telur.

Meskipun tidak menggunakan metode haploid/diploid dalam reproduksi seksual, bakteri memiliki banyak metode untuk memperoleh informasi genetik baru.

Beberapa bakteri dapat mengalami konjugasi, dengan mentransfer potongan kecil DNA sirkuler ke bakteri lain. Bakteri juga dapat mengambil fragmen DNA mentah yang ditemukan di lingkungan dan mengintegrasikannya ke dalam genom mereka, sebuah fenomena yang dikenal sebagai transformasi. Proses-proses ini menghasilkan transfer gen horizontal, yang mentransmisikan fragmen informasi genetik di antara organisme yang seharusnya tidak berkerabat. Transformasi bakteri alami terjadi pada banyak spesies bakteri, dan dapat dianggap sebagai proses seksual untuk mentransfer DNA dari satu sel ke sel lainnya (biasanya dari spesies yang sama). Transformasi memerlukan aksi dari sejumlah besar produk gen bakteri, dan fungsi adaptif utamanya tampaknya adalah perbaikan kerusakan DNA pada sel penerima.

Rekombinasi dan pautan genetik

Sifat diploid kromosom memungkinkan gen-gen pada kromosom yang berbeda untuk memilah secara independen atau terpisah dari pasangan homolognya selama reproduksi seksual di mana gamet haploid terbentuk. Dengan cara ini, kombinasi gen baru dapat terjadi pada keturunan dari pasangan kawin. Secara teoritis, gen-gen pada kromosom yang sama tidak akan pernah berekombinasi. Namun, mereka melakukannya, melalui proses seluler pindah silang kromosom.

Selama pindah silang, kromosom bertukar bentangan DNA, yang secara efektif mengocok alel gen di antara kromosom-kromosom tersebut. Proses pindah silang kromosom ini umumnya terjadi selama meiosis, serangkaian pembelahan sel yang menciptakan sel-sel haploid. Rekombinasi meiotik, khususnya pada mikroba eukariota, tampaknya berfungsi secara adaptif untuk perbaikan kerusakan DNA.

Demonstrasi sitologis pertama dari pindah silang dilakukan oleh Harriet Creighton dan Barbara McClintock pada tahun 1931. Penelitian dan eksperimen mereka pada jagung memberikan bukti sitologis bagi teori genetik bahwa gen-gen yang terpaut pada kromosom berpasangan pada kenyataannya memang bertukar tempat dari satu homolog ke homolog lainnya.

Probabilitas terjadinya pindah silang kromosom antara dua titik tertentu pada kromosom berkaitan dengan jarak antara titik-titik tersebut. Untuk jarak yang cukup jauh, probabilitas pindah silang cukup tinggi sehingga pewarisan gen-gen tersebut secara efektif tidak berkorelasi. Namun, untuk gen-gen yang letaknya lebih berdekatan, probabilitas pindah silang yang lebih rendah berarti bahwa gen-gen tersebut menunjukkan pautan genetik; alel untuk kedua gen tersebut cenderung diwariskan bersama-sama. Jumlah pautan di antara serangkaian gen dapat digabungkan untuk membentuk peta pautan linier yang secara kasar menggambarkan susunan gen di sepanjang kromosom.

Ekspresi gen

Kode genetik

Gen mengekspresikan efek fungsionalnya melalui produksi protein, yang merupakan molekul yang bertanggung jawab atas sebagian besar fungsi di dalam sel. Protein tersusun atas satu atau lebih rantai polipeptida, yang masing-masing terdiri dari urutan asam amino. Urutan DNA suatu gen digunakan untuk menghasilkan urutan asam amino yang spesifik. Proses ini dimulai dengan produksi molekul RNA dengan urutan yang cocok dengan urutan DNA gen tersebut, sebuah proses yang disebut transkripsi.

Molekul RNA kurir ini kemudian berfungsi untuk menghasilkan urutan asam amino yang sesuai melalui proses yang disebut translasi.

Setiap kelompok tiga nukleotida dalam urutan tersebut, yang disebut kodon, bersesuaian dengan salah satu dari dua puluh kemungkinan asam amino dalam protein atau sebuah instruksi untuk mengakhiri urutan asam amino; korespondensi ini disebut kode genetik. Aliran informasi ini bersifat satu arah: informasi ditransfer dari urutan nukleotida ke dalam urutan asam amino protein, tetapi tidak pernah mentransfer balik dari protein ke dalam urutan DNA—sebuah fenomena yang oleh Francis Crick disebut sebagai dogma sentral biologi molekuler.

Urutan asam amino yang spesifik menghasilkan struktur tiga dimensi yang unik bagi protein tersebut, dan struktur tiga dimensi protein berkaitan dengan fungsinya. Beberapa di antaranya adalah molekul struktural sederhana, seperti serat yang dibentuk oleh protein kolagen. Protein dapat berikatan dengan protein lain dan molekul sederhana, terkadang bertindak sebagai enzim dengan memfasilitasi reaksi kimia di dalam molekul yang terikat (tanpa mengubah struktur protein itu sendiri). Struktur protein bersifat dinamis; protein hemoglobin menekuk menjadi bentuk yang sedikit berbeda saat memfasilitasi penangkapan, pengangkutan, dan pelepasan molekul oksigen di dalam darah mamalia.

Sebuah perbedaan satu nukleotida di dalam DNA dapat menyebabkan perubahan dalam urutan asam amino protein. Karena struktur protein adalah hasil dari urutan asam aminonya, beberapa perubahan dapat secara drastis mengubah sifat protein dengan mendestabilisasi struktur atau mengubah permukaan protein dengan cara yang mengubah interaksinya dengan protein dan molekul lain. Sebagai contoh, anemia sel sabit adalah penyakit genetik manusia yang diakibatkan oleh perbedaan satu basa di dalam wilayah pengode untuk bagian β-globin dari hemoglobin, yang menyebabkan perubahan satu asam amino yang mengubah sifat fisik hemoglobin. Versi sel sabit dari hemoglobin menempel pada dirinya sendiri, menumpuk membentuk serat yang mendistorsi bentuk sel darah merah yang membawa protein tersebut. Sel-sel berbentuk sabit ini tidak lagi mengalir lancar melalui pembuluh darah, memiliki kecenderungan untuk menyumbat atau rusak, sehingga menyebabkan masalah medis yang terkait dengan penyakit ini.

Beberapa urutan DNA ditranskripsikan menjadi RNA tetapi tidak ditranslasikan menjadi produk protein—molekul RNA semacam itu disebut RNA nonpengode. Dalam beberapa kasus, produk-produk ini melipat menjadi struktur yang terlibat dalam fungsi sel yang kritis (misalnya RNA ribosom dan RNA transfer). RNA juga dapat memiliki efek pengaturan melalui interaksi hibridisasi dengan molekul RNA lainnya (seperti mikroRNA).

Alam dan asuhan

Meskipun gen memuat segala informasi yang digunakan organisme untuk berfungsi, lingkungan memainkan peran penting dalam menentukan fenotipe akhir yang ditampilkan oleh organisme tersebut. Frasa "alam dan asuhan" merujuk pada hubungan komplementer ini. Fenotipe suatu organisme bergantung pada interaksi antara gen dan lingkungan. Sebuah contoh menarik adalah pewarnaan rambut pada kucing Siam. Dalam kasus ini, suhu tubuh kucing memainkan peran sebagai lingkungan. Gen kucing tersebut menyandi rambut gelap, sehingga sel-sel penghasil rambut pada kucing membuat protein seluler yang menghasilkan rambut gelap. Namun, protein penghasil rambut gelap ini sensitif terhadap suhu (yaitu memiliki mutasi yang menyebabkan sensitivitas suhu) dan terdenaturasi di lingkungan bersuhu lebih tinggi, sehingga gagal memproduksi pigmen rambut gelap di area di mana kucing memiliki suhu tubuh yang lebih tinggi. Akan tetapi, di lingkungan bersuhu rendah, struktur protein tersebut stabil dan memproduksi pigmen rambut gelap secara normal. Protein tetap fungsional di area kulit yang lebih dingin—seperti kaki, telinga, ekor, dan wajah—sehingga kucing memiliki rambut gelap di bagian ekstremitasnya.

Lingkungan memainkan peran utama dalam efek penyakit genetik manusia fenilketonuria. Mutasi yang menyebabkan fenilketonuria mengganggu kemampuan tubuh untuk memecah asam amino fenilalanina, yang menyebabkan penumpukan toksik dari molekul perantara yang, pada gilirannya, menyebabkan gejala parah berupa disabilitas intelektual progresif dan kejang. Namun, jika seseorang dengan mutasi fenilketonuria mengikuti diet ketat yang menghindari asam amino ini, mereka tetap normal dan sehat.

Sebuah metode umum untuk menentukan bagaimana gen dan lingkungan ("alam dan asuhan") berkontribusi terhadap suatu fenotipe melibatkan studi terhadap kembar identik dan fraternal, atau saudara kandung lainnya dari kelahiran kembar. Saudara kembar identik secara genetik sama karena mereka berasal dari zigot yang sama. Sementara itu, kembar fraternal secara genetik berbeda satu sama lain layaknya saudara kandung biasa. Dengan membandingkan seberapa sering gangguan tertentu terjadi pada sepasang kembar identik dibandingkan dengan seberapa sering gangguan itu terjadi pada sepasang kembar fraternal, para ilmuwan dapat menentukan apakah gangguan tersebut disebabkan oleh faktor genetik atau lingkungan pascalahir. Salah satu contoh terkenal melibatkan studi terhadap Kembar empat Genain, yang merupakan kembar empat identik yang semuanya didiagnosis menderita skizofrenia.

Regulasi gen

Genom organisme tertentu mengandung ribuan gen, tetapi tidak semua gen ini perlu aktif pada saat tertentu. Sebuah gen diekspresikan ketika sedang ditranskripsikan menjadi mRNA dan terdapat banyak metode seluler untuk mengontrol ekspresi gen sedemikian rupa sehingga protein hanya diproduksi ketika dibutuhkan oleh sel. Faktor transkripsi adalah protein regulator yang berikatan dengan DNA, baik mempromosikan maupun menghambat transkripsi suatu gen. Di dalam genom bakteri Escherichia coli, misalnya, terdapat serangkaian gen yang diperlukan untuk sintesis asam amino triptofan. Namun, ketika triptofan sudah tersedia bagi sel, gen-gen untuk sintesis triptofan ini tidak lagi diperlukan. Keberadaan triptofan secara langsung memengaruhi aktivitas gen tersebut—molekul triptofan berikatan dengan represor triptofan (sebuah faktor transkripsi), mengubah struktur represor sedemikian rupa sehingga represor berikatan dengan gen. Represor triptofan memblokir transkripsi dan ekspresi gen, sehingga menciptakan regulasi umpan balik negatif pada proses sintesis triptofan.

Perbedaan dalam ekspresi gen tampak sangat jelas pada organisme multiseluler, di mana semua sel mengandung genom yang sama tetapi memiliki struktur dan perilaku yang sangat berbeda karena ekspresi set gen yang berbeda. Semua sel dalam organisme multiseluler berasal dari satu sel tunggal, yang berdiferensiasi menjadi jenis sel yang bervariasi sebagai respons terhadap sinyal eksternal dan sinyal antarsel serta secara bertahap membangun pola ekspresi gen yang berbeda untuk menciptakan perilaku yang berbeda.

Di dalam eukariota, terdapat fitur struktural kromatin yang memengaruhi transkripsi gen, sering kali dalam bentuk modifikasi pada DNA dan kromatin yang diwariskan secara stabil oleh sel anakan. Fitur-fitur ini disebut "epigenetik" karena mereka ada "di atas" urutan DNA dan mempertahankan pewarisan dari satu generasi sel ke generasi berikutnya. Karena fitur epigenetik, jenis sel berbeda yang ditumbuhkan dalam medium yang sama dapat mempertahankan sifat yang sangat berbeda. Meskipun fitur epigenetik umumnya dinamis selama masa perkembangan, beberapa di antaranya, seperti fenomena paramutasi, memiliki pewarisan multigenerasi dan hadir sebagai pengecualian langka terhadap aturan umum DNA sebagai dasar pewarisan sifat.

Perubahan genetik

Mutasi

Selama proses replikasi DNA, kesalahan terkadang terjadi dalam polimerisasi untai kedua. Kesalahan ini, yang disebut mutasi, dapat memengaruhi fenotipe organisme, terutama jika terjadi di dalam urutan pengode protein suatu gen. Tingkat kesalahan biasanya sangat rendah—1 kesalahan dalam setiap 10–100 juta basa—karena kemampuan "koreksi baca" dari DNA polimerase. Proses yang meningkatkan laju perubahan DNA disebut mutagenik: bahan kimia mutagenik mendorong kesalahan dalam replikasi DNA, sering kali dengan mengganggu struktur pasangan basa, sementara radiasi UV menginduksi mutasi dengan menyebabkan kerusakan pada struktur DNA. Kerusakan kimiawi pada DNA juga terjadi secara alami dan sel menggunakan mekanisme perbaikan DNA untuk memperbaiki ketidakcocokan dan kerusakan. Namun, perbaikan tersebut tidak selalu memulihkan urutan aslinya. Sumber kerusakan DNA yang sangat penting tampaknya adalah spesies oksigen reaktif yang dihasilkan oleh respirasi aerobik seluler, dan ini dapat menyebabkan mutasi.

Pada organisme yang menggunakan pindah silang kromosom untuk bertukar DNA dan merekonsiliasi gen, kesalahan dalam penjajaran selama meiosis juga dapat menyebabkan mutasi. Kesalahan dalam pindah silang terutama mungkin terjadi ketika urutan yang mirip menyebabkan kromosom pasangan mengadopsi penjajaran yang keliru; hal ini membuat beberapa wilayah dalam genom lebih rentan bermutasi dengan cara ini. Kesalahan-kesalahan ini menciptakan perubahan struktural besar dalam urutan DNA—duplikasi, inversi, delesi seluruh wilayah—atau pertukaran tidak sengaja seluruh bagian urutan antara kromosom yang berbeda, translokasi kromosom.

Seleksi alam dan evolusi

Mutasi mengubah genotipe organisme dan terkadang hal ini menyebabkan munculnya fenotipe yang berbeda. Sebagian besar mutasi memiliki sedikit efek pada fenotipe, kesehatan, atau kebugaran reproduksi organisme. Mutasi yang memiliki efek biasanya merugikan, tetapi kadang-kadang beberapa bisa menguntungkan. Studi pada lalat Drosophila melanogaster menunjukkan bahwa jika mutasi mengubah protein yang diproduksi oleh gen, sekitar 70 persen dari mutasi ini berbahaya dengan sisanya netral atau sedikit menguntungkan.

Genetika populasi mempelajari distribusi perbedaan genetik dalam populasi dan bagaimana distribusi ini berubah seiring waktu. Perubahan dalam frekuensi suatu alel dalam populasi terutama dipengaruhi oleh seleksi alam, di mana alel tertentu memberikan keuntungan selektif atau reproduktif bagi organisme, serta faktor lain seperti mutasi, hanyutan genetik, boncengan genetik, seleksi buatan, dan migrasi.

Selama banyak generasi, genom organisme dapat berubah secara signifikan, menghasilkan evolusi. Dalam proses yang disebut adaptasi, seleksi terhadap mutasi yang menguntungkan dapat menyebabkan suatu spesies berevolusi menjadi bentuk yang lebih mampu bertahan hidup di lingkungan mereka. Spesies baru terbentuk melalui proses spesiasi, sering kali disebabkan oleh pemisahan geografis yang mencegah populasi bertukar gen satu sama lain.

Dengan membandingkan homologi antara genom spesies yang berbeda, dimungkinkan untuk menghitung jarak evolusi di antara mereka dan kapan mereka mungkin berdivergensi. Perbandingan genetik umumnya dianggap sebagai metode yang lebih akurat untuk mengarakterisasi keterkaitan antarspesies dibandingkan dengan perbandingan karakteristik fenotipik. Jarak evolusi antarspesies dapat digunakan untuk membentuk pohon evolusi; pohon-pohon ini merepresentasikan nenek moyang bersama dan divergensi spesies dari waktu ke waktu, meskipun mereka tidak menunjukkan transfer materi genetik antara spesies yang tidak berkerabat (dikenal sebagai transfer gen horizontal dan paling umum terjadi pada bakteri).

Penelitian dan teknologi

Organisme model

Meskipun ahli genetika awalnya mempelajari pewarisan pada berbagai organisme, kisaran spesies yang dipelajari telah menyempit. Salah satu alasannya adalah ketika penelitian yang signifikan sudah ada untuk organisme tertentu, peneliti baru lebih cenderung memilihnya untuk studi lebih lanjut, dan pada akhirnya beberapa organisme model menjadi dasar bagi sebagian besar penelitian genetika. Topik penelitian umum dalam genetika organisme model meliputi studi mengenai regulasi gen dan keterlibatan gen dalam perkembangan dan kanker. Organisme dipilih, sebagian, karena kenyamanan—waktu generasi yang singkat dan manipulasi genetik yang mudah membuat beberapa organisme menjadi alat penelitian genetika yang populer. Organisme model yang digunakan secara luas meliputi bakteri usus Escherichia coli, tanaman Arabidopsis thaliana, ragi pengembang (Saccharomyces cerevisiae), nematoda Caenorhabditis elegans, lalat buah umum (Drosophila melanogaster), ikan zebra (Danio rerio), dan mencit rumah (Mus musculus).

Kedokteran

Genetika medis berupaya memahami bagaimana variasi genetik berhubungan dengan kesehatan dan penyakit manusia. Saat mencari gen yang tidak diketahui yang mungkin terlibat dalam suatu penyakit, para peneliti umumnya menggunakan pautan genetik dan bagan silsilah genetik untuk menemukan lokasi pada genom yang terkait dengan penyakit tersebut. Pada tingkat populasi, peneliti memanfaatkan studi asosiasi genom (GWAS) untuk mencari lokasi dalam genom yang terkait dengan penyakit, sebuah metode yang sangat berguna untuk sifat multigenik yang tidak didefinisikan secara jelas oleh satu gen tunggal. Setelah gen kandidat ditemukan, penelitian lebih lanjut sering dilakukan pada gen yang sesuai (atau homolog) dari organisme model. Selain mempelajari penyakit genetik, ketersediaan metode penentuan genotipe yang meningkat telah melahirkan bidang farmakogenetika: studi tentang bagaimana genotipe dapat memengaruhi respons obat.

Individu memiliki perbedaan dalam kecenderungan bawaan mereka untuk menderita kanker, dan kanker adalah penyakit genetik. Proses perkembangan kanker dalam tubuh merupakan kombinasi dari berbagai peristiwa. Mutasi terkadang terjadi di dalam sel-sel tubuh saat mereka membelah. Meskipun mutasi ini tidak akan diwariskan kepada keturunannya, mutasi tersebut dapat memengaruhi perilaku sel, terkadang menyebabkan sel tumbuh dan membelah lebih sering. Terdapat mekanisme biologis yang berupaya menghentikan proses ini; sinyal diberikan kepada sel yang membelah secara tidak tepat yang seharusnya memicu kematian sel, tetapi terkadang mutasi tambahan terjadi yang menyebabkan sel mengabaikan pesan-pesan ini. Proses internal seleksi alam terjadi di dalam tubuh dan akhirnya mutasi terakumulasi di dalam sel untuk mendorong pertumbuhannya sendiri, menciptakan tumor kanker yang tumbuh dan menyerang berbagai jaringan tubuh. Biasanya, sel membelah hanya sebagai respons terhadap sinyal yang disebut faktor pertumbuhan dan berhenti tumbuh setelah bersentuhan dengan sel-sel di sekitarnya serta sebagai respons terhadap sinyal penghambat pertumbuhan. Sel tersebut kemudian biasanya membelah dalam jumlah terbatas dan mati, tetap berada di dalam epitel di mana ia tidak dapat bermigrasi ke organ lain. Untuk menjadi sel kanker, sebuah sel harus mengakumulasi mutasi dalam sejumlah gen (tiga hingga tujuh). Sebuah sel kanker dapat membelah tanpa faktor pertumbuhan dan mengabaikan sinyal penghambat. Selain itu, sel tersebut abadi dan dapat tumbuh tanpa batas, bahkan setelah bersentuhan dengan sel tetangga. Sel tersebut dapat meloloskan diri dari epitel dan akhirnya dari tumor primer. Kemudian, sel yang lolos dapat melintasi endotelium pembuluh darah dan terangkut oleh aliran darah untuk mengolonisasi organ baru, membentuk metastasis yang mematikan. Meskipun ada beberapa predisposisi genetik pada sebagian kecil kanker, bagian terbesarnya disebabkan oleh serangkaian mutasi genetik baru yang awalnya muncul dan terakumulasi dalam satu atau sejumlah kecil sel yang akan membelah untuk membentuk tumor dan tidak ditransmisikan ke keturunannya (mutasi somatik). Mutasi yang paling sering terjadi adalah hilangnya fungsi protein p53, sebuah penekan tumor, atau pada jalur p53, dan mutasi perolehan fungsi pada protein Ras, atau pada onkogen lainnya.

Metode penelitian

DNA dapat dimanipulasi di laboratorium. Enzim restriksi adalah enzim yang umum digunakan yang memotong DNA pada urutan tertentu, menghasilkan fragmen DNA yang dapat diprediksi. Fragmen DNA dapat divisualisasikan melalui penggunaan elektroforesis gel, yang memisahkan fragmen berdasarkan panjangnya.

Penggunaan enzim ligasi memungkinkan fragmen DNA untuk disambungkan. Dengan mengikat ("meligasi") fragmen-fragmen DNA dari sumber yang berbeda secara bersamaan, peneliti dapat menciptakan DNA rekombinan, DNA yang sering dikaitkan dengan organisme termodifikasi secara genetika. DNA rekombinan biasanya digunakan dalam konteks plasmid: molekul DNA sirkuler pendek dengan beberapa gen di dalamnya. Dalam proses yang dikenal sebagai pengklonaan molekuler, peneliti dapat memperbanyak fragmen DNA dengan memasukkan plasmid ke dalam bakteri dan kemudian mengkulturkannya pada lempeng agar (untuk mengisolasi klona sel bakteri). "Pengklonaan" juga dapat merujuk pada berbagai cara untuk menciptakan organisme hasil klona ("klonal").

DNA juga dapat diperbanyak menggunakan prosedur yang disebut reaksi berantai polimerase (PCR). Dengan menggunakan urutan DNA pendek yang spesifik, PCR dapat mengisolasi dan memperbanyak wilayah DNA yang ditargetkan secara eksponensial. Karena dapat melakukan amplifikasi dari jumlah DNA yang sangat kecil, PCR juga sering digunakan untuk mendeteksi keberadaan urutan DNA tertentu.

Pengurutan DNA dan genomika

Pengurutan DNA, salah satu teknologi paling mendasar yang dikembangkan untuk mempelajari genetika, memungkinkan peneliti menentukan urutan nukleotida dalam fragmen DNA. Teknik pengurutan penghentian rantai, yang dikembangkan pada tahun 1977 oleh tim yang dipimpin oleh Frederick Sanger, masih secara rutin digunakan untuk mengurutkan fragmen DNA. Dengan menggunakan teknologi ini, para peneliti telah mampu mempelajari urutan molekuler yang terkait dengan banyak penyakit manusia.

Seiring biaya pengurutan yang menjadi semakin murah, peneliti telah mengurutkan genom banyak organisme menggunakan proses yang disebut perakitan genom, yang menggunakan perangkat komputasi untuk merangkai urutan dari banyak fragmen yang berbeda. Teknologi-teknologi ini digunakan untuk mengurutkan genom manusia dalam Proyek Genom Manusia yang diselesaikan pada tahun 2003. Teknologi pengurutan berkapasitas tinggi yang baru secara drastis menurunkan biaya pengurutan DNA, dengan banyak peneliti berharap untuk menurunkan biaya pengurutan ulang genom manusia menjadi seribu dolar.

Pengurutan generasi berikutnya (atau pengurutan berkapasitas tinggi) muncul karena permintaan yang terus meningkat akan pengurutan berbiaya rendah. Teknologi pengurutan ini memungkinkan produksi jutaan urutan secara bersamaan. Jumlah besar data urutan yang tersedia telah menciptakan subbidang genomika, penelitian yang menggunakan perangkat komputasi untuk mencari dan menganalisis pola dalam genom lengkap organisme. Genomika juga dapat dianggap sebagai subbidang bioinformatika, yang menggunakan pendekatan komputasi untuk menganalisis himpunan besar data biologis.

Masyarakat dan budaya

Pada 19 Maret 2015, sekelompok ahli biologi terkemuka mendesak pelarangan global atas penggunaan klinis metode, khususnya penggunaan CRISPR dan jari seng, untuk menyunting genom manusia dengan cara yang dapat diwariskan. Pada bulan April 2015, para peneliti Tiongkok melaporkan hasil penelitian dasar untuk menyunting DNA embrio manusia yang tidak dapat hidup (nonviabel) menggunakan CRISPR.

Lihat pula

Referensi

Bacaan lanjutan

Pranala luar

Sumber dan atribusi

Konten artikel ini diadaptasi dari Wikipedia bahasa Indonesia, revisi 29454386 (2026-07-13T19:38:16Z), yang tersedia berdasarkan lisensi Creative Commons Atribusi-BerbagiSerupa (CC BY-SA). Mohon gunakan konten ini secara bijak serta sesuai dengan ketentuan lisensi yang berlaku.