Genetika

DNA

Makhluk hidup terbuat dari jutaan komponen kecil yang berdiri sendiri, yang disebut sel. Di dalam setiap sel terdapat molekul panjang dan kompleks yang disebut asam Deoksiribonukleat. DNA menyimpan informasi yang memberitahu sel-sel bagaimana menciptakan makhluk hidup itu. Bagian dari informasi ini yang memberitahu bagaimana membuat satu bagian kecil atau karakteristik makhluk hidup - rambut merah, atau mata biru, atau kecenderungan untuk menjadi tinggi - dikenal sebagai gen.

Setiap sel dalam makhluk hidup yang sama memiliki DNA yang sama, tetapi hanya sebagian saja yang digunakan dalam setiap sel. Misalnya, beberapa gen yang memberi tahu cara membuat bagian hati dimatikan di otak. Gen apa yang digunakan juga bisa berubah dari waktu ke waktu. Misalnya, banyak gen yang digunakan oleh seorang anak di awal kehamilan yang tidak digunakan di kemudian hari.

Seseorang memiliki dua salinan dari setiap gen, satu dari ibu mereka, dan satu dari ayah mereka. Ada beberapa jenis gen tunggal, yang memberikan instruksi yang berbeda: satu versi mungkin menyebabkan seseorang memiliki mata biru, yang lain mungkin menyebabkan mereka memiliki mata coklat. Versi yang berbeda ini dikenal sebagai alel gen.

Karena makhluk hidup memiliki dua salinan dari setiap gen, maka makhluk hidup dapat memiliki dua alel yang berbeda pada saat yang sama. Sering kali, satu alel akan dominan, yang berarti bahwa makhluk hidup terlihat dan bertindak seolah-olah hanya memiliki satu alel itu. Alel yang tidak terekspresikan disebut resesif. Dalam kasus lain, Anda berakhir dengan sesuatu di antara dua kemungkinan. Dalam hal ini, kedua alel disebut co-dominan.

Sebagian besar karakteristik yang dapat Anda lihat pada makhluk hidup memiliki banyak gen yang mempengaruhinya. Dan banyak gen yang memiliki efek ganda pada tubuh, karena fungsinya tidak akan memiliki efek yang sama pada setiap jaringan. Efek ganda dari gen tunggal disebut pleiotropisme. Seluruh rangkaian gen disebut genotipe, dan efek total gen pada tubuh disebut fenotipe. Ini adalah istilah kunci dalam genetika.

Model molekul DNA.

Sejarah genetika

Gagasan-gagasan pra-Mendelian

Kita tahu bahwa manusia mulai mengembangbiakkan hewan piaraan sejak awal, mungkin sebelum penemuan pertanian. Kita tidak tahu kapan hereditas pertama kali diapresiasi sebagai masalah ilmiah. Orang Yunani, dan yang paling jelas Aristoteles, mempelajari makhluk hidup, dan mengajukan gagasan tentang reproduksi dan keturunan.

Mungkin gagasan yang paling penting sebelum Mendel adalah gagasan Charles Darwin, yang gagasannya tentang pangenesis memiliki dua bagian. Yang pertama, bahwa unit-unit keturunan yang persisten diturunkan dari satu generasi ke generasi lainnya, adalah benar. Yang kedua adalah idenya bahwa unit-unit tersebut diisi ulang oleh 'gemmules' dari jaringan somatik (tubuh). Ini sepenuhnya salah, dan tidak memainkan peran dalam ilmu pengetahuan saat ini. Darwin benar tentang satu hal: apa pun yang terjadi dalam evolusi harus terjadi melalui hereditas, sehingga ilmu genetika yang akurat merupakan hal mendasar bagi teori evolusi. 'Perkawinan' antara genetika dan evolusi ini membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk mengaturnya. Ini menghasilkan sintesis evolusi modern.

Genetika Mendel

Aturan dasar genetika pertama kali ditemukan oleh seorang biarawan bernama Gregor Mendel pada sekitar tahun 1865. Selama ribuan tahun, orang-orang telah mempelajari bagaimana sifat-sifat diwariskan dari orang tua kepada anak-anak mereka. Namun, karya Mendel berbeda karena dia merancang eksperimennya dengan sangat hati-hati.

Dalam eksperimennya, Mendel mempelajari bagaimana sifat-sifat diturunkan pada tanaman kacang polong. Dia memulai persilangannya dengan tanaman yang dibesarkan dengan benar, dan menghitung karakter yang bersifat either/or (baik tinggi atau pendek). Dia membiakkan tanaman dalam jumlah besar, dan menyatakan hasilnya secara numerik. Dia menggunakan uji persilangan untuk mengungkapkan keberadaan dan proporsi karakter resesif.

Mendel menjelaskan hasil eksperimennya dengan menggunakan dua hukum ilmiah:

• 1. Faktor-faktor, yang kemudian disebut gen, biasanya muncul berpasangan dalam sel tubuh biasa, namun terpisah selama pembentukan sel kelamin. Faktor-faktor ini menentukan sifat-sifat organisme, dan diwarisi dari orang tuanya. Ketika gamet dihasilkan melalui meiosis, kedua faktor tersebut terpisah. Sebuah gamet hanya menerima satu atau yang lainnya. Ini disebut Mendel sebagai Hukum segregasi.
• 2. Alel-alel dari gen-gen yang berbeda terpisah secara independen satu sama lain ketika gamet-gamet terbentuk. Hal ini disebutnya sebagai Hukum Asortment Independen. Jadi Mendel berpikir bahwa sifat-sifat yang berbeda diwariskan secara independen satu sama lain. Kita sekarang tahu bahwa hal ini hanya benar jika gen-gen tidak berada pada kromosom yang sama, dalam hal ini mereka tidak saling terkait satu sama lain.

Hukum Mendel membantu menjelaskan hasil yang dia amati pada tanaman kacang polongnya. Kemudian, para ahli genetika menemukan bahwa hukum-hukumnya juga berlaku untuk makhluk hidup lainnya, bahkan manusia. Temuan Mendel dari karyanya pada tanaman kacang polong membantu membangun bidang genetika. Kontribusinya tidak terbatas pada aturan-aturan dasar yang ia temukan. Perhatian Mendel terhadap pengontrolan kondisi eksperimen bersama dengan perhatiannya terhadap hasil numeriknya menetapkan standar untuk eksperimen di masa depan. Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah mengubah dan meningkatkan ide-ide Mendel. Namun, ilmu genetika tidak akan mungkin terjadi hari ini tanpa karya awal Gregor Mendel.

Antara Mendel dan genetika modern

Pada tahun-tahun antara karya Mendel dan tahun 1900, dasar-dasar sitologi, studi tentang sel, dikembangkan. Fakta-fakta yang ditemukan tentang nukleus dan pembelahan sel sangat penting agar karya Mendel dapat dipahami dengan benar.

1832: Barthélémy Dumortier, orang pertama yang mengamati pembelahan sel dalam organisme multiseluler.

1841, 1852: Robert Remak (1815-1865), seorang ahli fisiologi Yahudi Polandia-Jerman, adalah orang pertama yang menyatakan dasar biologi sel: bahwa sel hanya berasal dari sel lain. Hal ini kemudian dipopulerkan oleh dokter Jerman Rudolf Virchow (1821-1902), yang menggunakan frasa terkenal omnis cellula e cellula, yang berarti, semua sel dari sel lain.

1865: Makalah Gregor Mendel, Eksperimen tentang hibridisasi tanaman diterbitkan.

1876: Meiosis ditemukan dan dideskripsikan untuk pertama kalinya pada telur bulu babi, oleh ahli biologi Jerman, Oscar Hertwig (1849-1922).

1878-1888: Walther Flemming dan Eduard Strasburger menggambarkan perilaku kromosom selama mitosis.

1883: Meiosis dideskripsikan pada level kromosom, oleh ahli zoologi Belgia Edouard van Beneden (1846-1910), pada telur Ascaris (cacing gelang).

1883: Ahli zoologi Jerman, Wilhelm Roux (1850-1924) menyadari pentingnya struktur linear kromosom. Pembelahannya menjadi dua bagian memanjang yang sama meyakinkan setiap sel anak mendapatkan komplemen kromosom yang sama. Oleh karena itu, kromosom adalah pembawa hereditas.

1889: Ahli botani Belanda, Hugo de Vries, mengemukakan bahwa "pewarisan sifat-sifat spesifik pada organisme datang dalam partikel", menamai partikel tersebut (pan)gen.

1890: Signifikansi meiosis untuk reproduksi dan pewarisan hanya dijelaskan pada tahun 1890 oleh ahli biologi Jerman, August Weismann (1834-1914), yang mencatat bahwa dua pembelahan sel diperlukan untuk mengubah satu sel diploid menjadi empat sel haploid jika jumlah kromosom harus dipertahankan.

1902-1904: Theodor Boveri (1862-1915), seorang ahli biologi Jerman, dalam serangkaian makalah, menarik perhatian pada korespondensi antara perilaku kromosom dan hasil yang diperoleh Mendel. Dia mengatakan bahwa kromosom adalah "entitas independen yang mempertahankan independensinya bahkan di dalam nukleus yang beristirahat.... Apa yang keluar dari nukleus adalah apa yang masuk ke dalamnya".

1903: Walter Sutton menyarankan bahwa kromosom, yang bersegregasi dengan cara Mendelian, adalah unit keturunan. Edmund B. Wilson (1856-1939), guru Sutton, dan penulis salah satu buku teks paling terkenal dalam biologi, menyebutnya hipotesis Sutton-Boveri.

Pada titik ini, penemuan dalam sitologi bergabung dengan ide-ide Mendel yang ditemukan kembali untuk membuat perpaduan yang disebut sitogenetika, (cyto = sel; genetika = keturunan) yang terus berlanjut hingga saat ini.

Penemuan kembali karya Mendel

Selama tahun 1890-an beberapa ahli biologi mulai melakukan eksperimen tentang pemuliaan. dan tak lama kemudian hasil Mendel diduplikasi, bahkan sebelum makalahnya dibaca. Carl Correns dan Hugo de Vries adalah penemu utama tulisan dan hukum Mendel. Keduanya mengakui prioritas Mendel, meskipun ada kemungkinan bahwa de Vries tidak memahami hasilnya sendiri sampai setelah membaca Mendel. Meskipun Erich von Tschermak pada awalnya juga dikreditkan dengan penemuan kembali, hal ini tidak lagi diterima karena dia tidak memahami hukum Mendel. Meskipun de Vries kemudian kehilangan minat pada Mendelisme, ahli biologi lainnya membangun genetika menjadi ilmu pengetahuan.

Hasil Mendel direplikasi, dan hubungan genetik segera berhasil. William Bateson mungkin melakukan yang paling banyak di masa-masa awal untuk mempublikasikan teori Mendel. Kata genetika, dan terminologi lainnya, berasal dari Bateson.

Hasil eksperimen Mendel kemudian menjadi objek perdebatan. Fisher menganalisis hasil rasio F2 (filial kedua) dan menemukan bahwa rasio tersebut sangat dekat dengan rasio yang tepat yaitu 3 banding 1. Kadang-kadang disarankan bahwa Mendel mungkin telah menyensor hasil-hasilnya, dan bahwa ketujuh sifat masing-masing terjadi pada pasangan kromosom yang terpisah, suatu kejadian yang sangat tidak mungkin jika mereka dipilih secara acak. Faktanya, gen-gen yang dipelajari Mendel terjadi hanya dalam empat kelompok hubungan, dan hanya satu pasangan gen (dari 21 kemungkinan) yang cukup dekat untuk menunjukkan penyimpangan dari independent assortment; ini bukan pasangan yang dipelajari Mendel.

Gregor Mendel, bapak genetika modern.

Alat-alat genetika

Mutasi

Selama proses replikasi DNA, terkadang terjadi kesalahan. Kesalahan-kesalahan ini, yang disebut mutasi, dapat berpengaruh pada fenotipe suatu organisme. Pada gilirannya, yang biasanya memiliki efek pada kebugaran organisme, kemampuannya untuk hidup dan bereproduksi dengan sukses.

Tingkat kesalahan biasanya sangat rendah-1 kesalahan dalam setiap 10-100 juta basa-karena kemampuan "proofreading" DNA polimerase. Tingkat kesalahan seribu kali lipat lebih tinggi pada banyak virus. Karena mereka mengandalkan DNA dan RNA polimerase yang tidak memiliki kemampuan proofreading, mereka mendapatkan tingkat mutasi yang lebih tinggi.

Proses yang meningkatkan laju perubahan dalam DNA disebut mutagenik. Bahan kimia mutagenik meningkatkan 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 pada DNA - namun demikian, perbaikan tersebut terkadang gagal mengembalikan DNA ke urutan aslinya.

Pada organisme yang menggunakan crossover kromosom untuk bertukar DNA dan menggabungkan kembali gen, kesalahan dalam penyelarasan selama meiosis juga dapat menyebabkan mutasi. Kesalahan dalam crossover sangat mungkin terjadi ketika urutan yang sama menyebabkan kromosom pasangan mengadopsi keselarasan yang salah; ini membuat beberapa daerah dalam genom lebih rentan untuk bermutasi dengan cara ini. Kesalahan-kesalahan ini menciptakan perubahan struktural yang besar dalam urutan DNA-duplikasi, inversi atau penghapusan seluruh wilayah, atau pertukaran seluruh bagian yang tidak disengaja antara kromosom yang berbeda (disebut translokasi).

Kotak Punnett

Dikembangkan oleh Reginald Punnett, kotak Punnett digunakan oleh para ahli biologi untuk menentukan probabilitas keturunan yang memiliki genotipe tertentu.

		Ibu
		B	b
Ayah	B	BB	Bb
	b	Bb	bb

Jika B mewakili alel untuk memiliki rambut hitam dan b mewakili alel untuk memiliki rambut putih, maka keturunan dari dua orang tua Bb akan memiliki probabilitas 25% memiliki dua alel rambut putih (bb), 50% memiliki masing-masing satu alel (Bb), dan 25% hanya memiliki alel rambut hitam (BB).

Bagan silsilah

Ahli genetika (ahli biologi yang mempelajari genetika) menggunakan bagan silsilah untuk mencatat sifat-sifat orang dalam sebuah keluarga. Dengan menggunakan bagan-bagan ini, ahli genetika dapat mempelajari bagaimana suatu sifat diwariskan dari orang ke orang.

Ahli genetika juga dapat menggunakan bagan silsilah untuk memprediksi bagaimana sifat-sifat akan diturunkan kepada anak-anak di masa depan dalam sebuah keluarga. Sebagai contoh, konselor genetik adalah para profesional yang bekerja dengan keluarga yang mungkin terkena penyakit genetik. Sebagai bagian dari pekerjaan mereka, mereka membuat bagan silsilah untuk keluarga, yang dapat digunakan untuk mempelajari bagaimana penyakit itu mungkin diwariskan.

Studi kembar

Karena manusia tidak dikembangbiakkan secara eksperimental, genetika manusia harus dipelajari dengan cara lain. Salah satu cara terbaru adalah dengan mempelajari genom manusia. Cara lain, yang lebih tua beberapa tahun, adalah dengan mempelajari anak kembar. Kembar identik adalah klon alami. Mereka membawa gen yang sama, mereka dapat digunakan untuk menyelidiki seberapa banyak faktor keturunan berkontribusi pada individu. Studi dengan anak kembar cukup menarik. Jika kita membuat daftar ciri-ciri karakteristik, kita menemukan bahwa mereka bervariasi dalam hal seberapa banyak mereka berutang pada faktor keturunan. Sebagai contoh:

• Warna mata: sepenuhnya diwariskan
• Berat badan, tinggi badan: sebagian diwariskan, sebagian lingkungan
• Bahasa mana yang digunakan seseorang: sepenuhnya lingkungan.

Cara penelitian yang dilakukan adalah seperti ini. Ambil sekelompok kembar identik dan sekelompok kembar fraternal. Ukur mereka untuk berbagai sifat. Lakukan analisis statistik (seperti analisis varians). Ini memberitahu Anda sejauh mana sifat tersebut diwariskan. Sifat-sifat yang sebagian diwariskan akan secara signifikan lebih mirip pada kembar identik. Studi seperti ini dapat dilakukan lebih lanjut, dengan membandingkan kembar identik yang dibesarkan bersama dengan kembar identik yang dibesarkan dalam keadaan yang berbeda. Hal itu memberikan pegangan tentang seberapa besar keadaan dapat mengubah hasil dari orang-orang yang identik secara genetik.

Orang yang pertama kali melakukan studi kembar adalah Francis Galton, sepupu tiri Darwin, yang merupakan pendiri statistik. Metodenya adalah melacak anak kembar melalui sejarah hidup mereka, membuat berbagai jenis pengukuran. Sayangnya, meskipun dia tahu tentang kembar mono dan dizigotik, dia tidak menghargai perbedaan genetik yang sebenarnya. Studi kembar jenis modern tidak muncul sampai tahun 1920-an.

Duplikasi gen memungkinkan diversifikasi dengan menyediakan redundansi: satu gen dapat bermutasi dan kehilangan fungsi aslinya tanpa membahayakan organisme.


Contoh bagan silsilah.

Genetika prokariota dan virus

Genetika bakteri, archaea, dan virus adalah bidang atau penelitian utama. Bakteri sebagian besar membelah diri dengan pembelahan sel aseksual, tetapi memiliki jenis kelamin dengan transfer gen horizontal. Konjugasi bakteri, transduksi dan transformasi adalah metode mereka. Selain itu, urutan DNA lengkap dari banyak bakteri, archaea, dan virus sekarang diketahui.

Meskipun banyak bakteri diberi nama generik dan spesifik, seperti Staphylococcus aureus, seluruh gagasan tentang spesies agak tidak berarti bagi organisme yang tidak memiliki jenis kelamin dan persilangan kromosom. Sebaliknya, organisme ini memiliki strain, dan begitulah cara mereka diidentifikasi di laboratorium.

Gen dan perkembangan

Ekspresi gen

Ekspresi gen adalah proses di mana informasi yang dapat diwariskan dalam gen, urutan pasangan basa DNA, dibuat menjadi produk gen fungsional, seperti protein atau RNA. Ide dasarnya adalah bahwa DNA ditranskripsi menjadi RNA, yang kemudian diterjemahkan menjadi protein. Protein membuat banyak struktur dan semua enzim dalam sel atau organisme.

Beberapa langkah dalam proses ekspresi gen dapat dimodulasi (disetel). Ini mencakup transkripsi dan DeepL translasi, dan keadaan akhir protein yang terlipat. Regulasi gen menghidupkan dan mematikan gen, dan dengan demikian mengontrol diferensiasi sel, dan morfogenesis. Regulasi gen juga dapat berfungsi sebagai dasar untuk perubahan evolusioner: kontrol waktu, lokasi, dan jumlah ekspresi gen dapat memiliki efek mendalam pada perkembangan organisme. Ekspresi gen dapat sangat bervariasi pada jaringan yang berbeda. Hal ini disebut pleiotropisme, sebuah fenomena yang tersebar luas dalam genetika.

Penyambungan alternatif adalah penemuan modern yang sangat penting. Ini adalah proses di mana dari gen tunggal, sejumlah besar protein varian dapat dirakit. Satu gen Drosophila tertentu (DSCAM) dapat disambung secara alternatif menjadi 38.000 mRNA yang berbeda.

Epigenetik & kontrol perkembangan

Epigenetika adalah studi tentang perubahan aktivitas gen yang tidak disebabkan oleh perubahan urutan DNA. Epigenetik adalah studi tentang ekspresi gen, cara gen menghasilkan efek fenotipiknya.

Perubahan dalam aktivitas gen ini dapat bertahan selama sisa hidup sel dan juga dapat bertahan selama beberapa generasi sel, melalui pembelahan sel. Namun, tidak ada perubahan dalam urutan DNA yang mendasari organisme. Alih-alih, faktor non-keturunan menyebabkan gen organisme berperilaku (mengekspresikan diri) secara berbeda.

Gen Hox adalah kompleks gen yang proteinnya berikatan dengan daerah pengaturan gen target. Gen target kemudian mengaktifkan atau menekan proses sel untuk mengarahkan perkembangan akhir organisme.

Pewarisan ekstranuklear

Ada beberapa jenis hereditas yang terjadi di luar inti sel. Pewarisan normal adalah dari kedua orang tua melalui kromosom dalam inti sel telur yang dibuahi. Ada beberapa jenis pewarisan selain ini.

Hereditas organel

Mitokondria dan kloroplas membawa beberapa DNA mereka sendiri. Susunannya ditentukan oleh gen-gen dalam kromosom dan gen-gen dalam organel. Carl Correns menemukan sebuah contoh pada tahun 1908. Tanaman pukul empat, Mirabilis jalapa, memiliki daun yang mungkin berwarna putih, hijau atau beraneka ragam. Correns menemukan bahwa serbuk sari tidak memiliki pengaruh pada pewarisan ini. Warna ditentukan oleh gen-gen dalam kloroplas.

Keturunan yang menular

Hal ini disebabkan oleh hubungan simbiosis atau parasit dengan mikroorganisme.

Efek maternal

Dalam hal ini gen-gen nuklir dalam gamet betina ditranskripsi. Produknya terakumulasi di dalam sitoplasma telur, dan memiliki efek pada perkembangan awal telur yang dibuahi. Melingkarnya siput, Limnaea peregra, ditentukan seperti ini. Cangkang tangan kanan adalah genotipe Dd atau dd, sedangkan cangkang tangan kiri adalah dd.

Contoh paling penting dari efek maternal adalah pada Drosophila melanogaster. Produk protein gen efek maternal mengaktifkan gen lain, yang pada gilirannya mengaktifkan lebih banyak gen lagi. Karya ini memenangkan Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Kedokteran untuk tahun 1995.

Aspek-aspek genetika modern

Banyak penelitian modern menggunakan campuran genetika, biologi sel dan biologi molekuler. Topik-topik yang telah menjadi subjek Hadiah Nobel baik dalam bidang kimia atau fisiologi meliputi:

• Penyambungan alternatif, di mana satu gen mengkode berbagai produk protein terkait.
• Genomik, urutan dan analisis fungsi dan struktur genom.
• Rekayasa genetika, perubahan genom organisme menggunakan bioteknologi.
• Elemen genetik bergerak, jenis DNA yang dapat berubah posisi dalam genom.
• Transfer gen horizontal, di mana suatu organisme mendapatkan materi genetik dari organisme lain tanpa menjadi keturunan dari organisme tersebut.

Genetika perilaku manusia

Banyak gangguan perilaku manusia yang terkenal memiliki komponen genetik. Ini berarti bahwa pewarisan mereka sebagian menyebabkan perilaku, atau membuatnya lebih mungkin masalah itu akan terjadi. Contohnya termasuk:

• Autisme
• ADHD (gangguan defisit perhatian)
• Penggunaan dan penyalahgunaan narkoba
• Pengambilan risiko
• Skizofrenia

Selain itu, perilaku normal juga sangat dipengaruhi oleh faktor keturunan:

• Kemampuan belajar dan kognitif
• Kepribadian

·          

·          

Halaman terkait

• ENCODE: analisis lengkap genom manusia
• Terapi gen