Upload
steven-cen
View
169
Download
14
Embed Size (px)
Citation preview
1
Prophase
Dengan mulainya pembelahan, kromosom berkondensasi, dan dua kromatid menjadi
terlihat. Membran inti menghilang. Sentriol adalah sebuah organela di luar nucleus yang
membentuk spindle-spindel untuk pembelahan sel; sentriol menduplikasi dirinya sendiri,
dan dua sentriol bermigrasi ke kutub-kutub sel berlawanan.
Metaphase
Kromosom bermigrasi ke tengah sel, membentuk sebuah garis designated the equatorial
plate. Kromosom-kromosom sekarang terkondensasi secara maksimal. Spindel,
mikrotubula-mikrotubula protein yang berradiasi dari sentriol-sentriol dan melekat pada
sentromer, dibentuk.
Anaphase
Pembelahan terjadi pada plana longitudinal dari sentromer. Dua kromatid baru bergerak
ke sisi-sisi sel yang berlawanan ditarik oleh kontraksi spindel-spindel.
Telophase
Pembelahan sitoplasma mulai pada plana equatorial, berakhir dengan pembentukan dua
membrane sel komplit. Dua kelompok kromosom dikitari oleh membrane-membran inti
yang membentuk nuklei (inti-inti) baru. Setiap strand DNA berperan sebagai suatu
template (cetakan), dan isi DNA dari sel berlipat ganda.
Meiosis
Meiosis adalah pembelahan sel yang membentuk gamet-gamet, masing-masing dengan
jumlah kromosom haploid. Meiosis memiliki dua tujuan: reduksi jumlah kromosom dan
rekombinasi untuk mentransmisikan informasi genetik. Pada meiosis I, kromosom-
kromosom homolog berpasangan dan berpisah. Meiosis II adalah serupa dengan mitosis
karena kromosom-kromosom yang sudah terbagi akan berpisah dan mengalami segregasi
menjadi sel-sel baru.
Pembelahan Meiosis Pertama (Meiosis I)
2
Prophase
Lepotene: Kondensasi kromosom-kromosom.
Zygotene: Proses berpasangan kromosom-kromosom yang homolog (sinapsis)
Pachytene: Setiap pasangan kromosom menebal untuk membentuk empat strand.
Ini adalah stadium dimana crossing over atau rekombinasi dapat
terjadi (pertukaran DNA dari segmen-segmen homolog antara dua dari
empat strands). Chiasmata adalah tempat-tempat kontak dimana terjadi
crossover (saling silang) (dan dapat divisualisasi). Gerakan blok-blok
DNA ini adalah suatu metode untuk menciptakan keanekaragaman
genetika. Di sisi lain, penyakit-penyakit genetic dapat diakibatkan oleh
insersi sekuensi selama gametogenesis. Rekombinasi transposisi,
dengan menggunakan enzim-enzim yang mengenali sekuensi asam
nukleat spesifik, memungkinkan insersi suatu elemen genetic ke dalam
region apapun dari suatu kromosom. Ini adalah sebuah metode yang
digunakan oleh virus-virus (seperti human immunodeficiency virus)
untuk metransformasi sel-sel pejamu.
Diplotene: Separasi longitudinal tiap kromosom.
Metaphase, Anaphase, dan Telophase Meiosis I
Membran inti menghilang, dan kromosom-kromosom bergerak ke pusat sel. Satu
anggota dari tiap pasangan bergerak ke masing-masing kutub, dan sel-sel kemudian
terbagi. Meiosis I seringkali dirujuk sebagai pembelahan reduksi karena tiap produk
baru sekarang memiliki jumlah kromosom haploid. Adalah selama pembelahan
meiosis pertama terjadi pewarisan ala Mendel. Saling silang yang terjadi sebelum
metaphase menghasilkan kombinasi-kombinasi material genetik yang baru, baik itu
disukai atau tidak.
Pembelahan Meiosis Kedua (Meiosis II)
Pembelahan kedua mengikuti yang pertama tanpa replikasi DNA. Pada oosit, meiosis II
terjadi setelah fertilisasi. Hasil akhirnya adalah produksi empat sel-sel haploid.
3
Struktur dan Fungsi DNA
DNA adalah material gen yang bertanggung jawab untuk koding pesan genetik yang
ditransmisikan melalui protein-protein spesifik. Oleh karena itu, ini adalah molekul
kehidupan yang paling penting dan mekanisme fundamental untuk evolusi. Gen-gen
adalah segmen-segmen DNA yang memberi kode untuk protein-protein spesifik,
bersama dengan flanking dan intervening sequences yang memiliki fungsi pengontrolan
dan pengaturan. Tiap molekul DNA memiliki tulang punggung deoksiribosa, kelompok-
kelompok pengulang identik gula deoksiribosa yang dihubungkan melalui ikatan-ikatan
fosfodiester. Tiap deoksiribosa dilekatkan secara berurutan (memberi individualitas dan
spesifisitas) pada satu dari empat asam-asam nukleat, basa-basa nuklear (inti):
Sebuah purine – adenine atau guanine
Sebuah pyrimidine – thymine atau cytosine.
Sebuah nukleotida adalah blok bangunan dasar dari DNA. Ia terdiri atas tiga komponen
utama: gula deoksiribosa, sebuah grup fosfat, dan suatu asam basa nukleat. Hubungan-
hubungan gula-fosfat adalah asimetrik; fosfor dihubungkan ke 5-karbon dari satu gula
dan ke 3-karbon dari gula berikut. Sehingga, satu ujung adalah ujung 5’ (5 prime) dan
yang lainnya ujung 3’ (3 prime). Dengan konvensi, DNA dan sekuensi-sekuensi asam
intinya ditulis dari kiri ke kanan, dari ujung 5’ ke ujung 3’, arah proses transkripsi. Ujung
5’ menuju ke pembentukan ujung amino dari protein; ujung 3’ membentuk ujung
karboksi dari protein.
DNA terdiri atas dua strand deoksiribosa yang tergulung berputar satu sama lain searah
jarum jam dalam bentuk heliks ganda, dengan asam-asam nukleat pada sisi dalam dan
basa-basa nuclear dipasang-pasangkan oleh ikatan hydrogen, adenine dengan thymine
dan cytosine dengan guanine. RNA berbeda dari DNA dalam hal ini adalah single
stranded, its sugar moiety adalah ribose, dan ia menggantikan uracil untuk thyminen.
Bagaimana bisa DNA sebuah sel, yang ukuran-ukuran regangnya hampir dua meter
panjangnya, muat di dalam sebuah sel? Watson dan Crick menjelaskan hal ini ketika
mereka mengajukan sebuah heliks yang memiliki dua strands yang ter coiled secara
ketat, yakni heliks ganda. Seperti halnya sentimeter sebagai ukuran panjang, demikian
pula the base pair (bp) adalah unit ukuran untuk DNA. The base pair adalah adenine-
4
guanine atau cytosine-thymine, asam nukleat dari satu rantai yang berpasangan dengan
asam nukleat yang menghadap dari rantai lainnya. Oleh karena itu, sebuah fragmen DNA
diukur dengan jumlah base pairs, misalnya sebuah fragmen 4.800 bp (suatu fragmen 4,8
kb). Diperkirakan bahwa kita memiliki 3,2 miliar bp DNA, yang mana hanya sebagian
kecilnya yang sebenarnya memberi kode untuk protein-protein.
Proses replikasi DNA mulai dengan pemisahan heliks DNA yang berstrand ganda,
dimulai pada langkah-langkah multiple oleh kerja enzim. Dengan DNA orisinil unwinds
ke dalam strand-strand cetakan, DNA polymerase mengkatalisis sintesis strand-strand
duplikat baru, yang membentuk kembali sebuah heliks ganda dengan setiap strand-strand
orisinil (ini disebut replikasi). oleh karena itu, tiap molekul anak mengandung satu dari
strand orangtuanya. Diperkirakan bahwa molekul DNA orisinil hadir dalam zygote yang
difertilisasi harus dikopi sekitar 1015 kali selama perjalanan kehidupan manusia.
Kecepatan dan akurasi adalah penting. Dengan mengkombinasi presisi dengan sistem-
sistem koreksi kekeliruan, maka kekeliruan yang mempengaruhi fungsi proteinnya gen
adalah dengan mengejutkan jarang.
Homeobox adalah suatu sekuensi DNA, yang sangat dikonservasi sepanjang evolusi,
yang mengkode serangkaian 60 asam-asam amino, yang disebut homeodomain. Produk-
produk protein homeodomain berfungsi sebagai faktor-faktor transkripsi dengan
berikatan pada DNA. Homeobox mempengaruhi fungsi-fungsi jaringan spesifik yang
kritis bagi pertumbuhan dan perkembangan embrio.
Genom Manusia
Genom untuk tiap spesies terdiri atas set komplit sekuensi-sekuensi DNA pada semua
kromosom. Terdapat 3,2 miliar base pairs pada setiap genom manusia haploid; dalam
DNA heliks double-stranded, terdapat enam miliar nukletida, dan terdapat sekitar 30.000
sampai 35.000 gen, unit fungsional terkecil dari informasi yang diwariskan. Gen-gen
berjumlah hanya sekitar 2% dari DNA manusia. Meskipun secara sekilas sangat
kompleks, bahasa genetic seluruhnya dituliskan dengan hanya empat huruf: A, C, G, dan
T (U pada RNA). Lagipula, bahasanya terbatas hanya pada kata-kata 3 huruf, codons.
Akhirnya, pesan genetic keseluruhan difragmentasi ke dalam 23 pasang kromosom.
Dengan empat nukleotida, grup-grup pembaca dari tiga, terdapat 64 kombinasi yang
mungkin. Secara esensial semua organisme hidup menggunakan kode ini. Genom hanya
5
berubah dengan kombinasi-kombinasi baru yang diwarisi dari orangtua atau dengan
mutasi.
Struktur dan Fungsi Gen
Pengaturan linear banyak gen membentuk sebuah kromosom. Sebuah gen tersusun atas
sebuah segmen DNA yang mengandung exons yang dipisahkan oleh introns, codons
koding dan nonkoding dari nukleotida, berturut-turut. Pola intron-exon cenderung
dipertahankan selama evolusi. Gen-gen alfa- dan beta-globin diyakini muncul 500 juta
tahun lalu, dengan introns pada lokasi yang sama seperti saat ini.
Exon
Segmen sebuah gen yang menghasilkan sebuah produk messenger RNA yang memberi
kode untuk satu protein spesifik.
Intron
Segmen sebuah gen yang tidak direpresentasi dalam RNA matur, dan karenanya,
nonkoding untuk protein.
Codon
Sebuah sekuensi dari tiga basa dalam RNA atau DNA yang memberi kode untuk sebuah
asam amino spesifik; the triplet codon.
Dengan beberapa pengecualian, diyakini dahulu bahwa satu gen menghasilkan hanya
satu protein. Namun, melalui mekanisme yang dikenal dengan alternative splicing,
30.000 sampai 35.000 gen-gen manusia dapat memproduksi lebih dari 100.000 protein.
Sebagaimana yang dicatat di atas, introns tidak ditranslasi menjadi produk-produk
protein. Hanya sekuensi-sekuensi DNA di dalam exons (bagian yang “exits” nukleus)
ditranskripsikan ke dalam messenger RNA dan kemudian ditranslasi menjadi protein-
protein. Namun demikian variasi-variasi (alternative splicing) dapat menghasilkan
protein-protein terkait.
Gen-gen juga mencakup sekuensi-sekuensi flanking yang penting untuk transkripsi gen.
Area yang akan menginisiasi aksi DNA (misalnya ikatan DNA ke kompleks hormon-
reseptor) disebut suatu region enhancer. Area actual dimana transkripsi mulai adalah
6
region promoter. Hanya sedikit sekuensi-sekuensi nukleotida yang relative pendek
adalah promoter, seperti sekuensi T-A-T-A-A, atau kotak TATA, dan sekuensi C-C-A-
A-T, atau kotak CAT. Lokasi-lokasi promoter (lokasi-lokasi ikatan untuk RNA
polymerase dan banyak kofaktor) adalah biasanya di dekat titik awal dari region koding
gen. Lokasi-lokasi enhancer adalah lebih besar daripada lokasi-lokasi promoter dan dapat
berlokasi di mana saja, bahkan jauh dari gen nya, namun biasanya berada di ujung
flanking 5’. Pada ujung 3’, sebuah sekuensi koding biasanya ada untuk ekor polyadenine
(poly-A) yang umum untuk kebanyakan molekul-molekul messenger RNA.
Lokasi-lokasi enhancer mengikat protein-protein (protein-protein pengatur) yang
berperan sebagai signal-signal untuk meregulasi ekspresi gen dengan cara baik
meningkatkan atau merepresi pengikatan RNA polymerase dalam region promoter. Ini
adalah satu metode menciptakan fungsi-fungsi seluler yang unik. sebagai contoh, sebuah
jaringan target hormon dapat berespons terhadap hormonnya karena ia mengandung
sebuah protein reseptor khusus yang, pada pengikatan ke hormon, akan berikatan pada
sebuah lokasi enhancer DNA. Protein-protein spesifik (disebut faktor-faktor transkripsi)
berikatan ke lokasi-lokasi enhancer dan mengaktivasi transkripsi. Regulasi transkripsi
gen biasanya melibatkan sekuensi-sekuensi DNA pada region upstream flanking 5’ dari
sebuah gen.
Tiga codon (UAG, UAA, UGA) disebut stop codons, karena mereka mengkhususkan
sebuah pemberhentian bagi translasi RNA menjadi protein (seperti sebuah titik pada
akhir satu kalimat). Sebaliknya, sebuah open reading frame adalah suatu serial panjang
dari base pairs antara dua stop codons; karenanya, sebuah open reading frame memberi
kode sekuensi asam amino produk protein. Menemukan dan mengidentifikasi suatu open
reading frame adalah satu langkah penting dalam menganalisa sekuensi-sekuensi DNA
karena sekuensi yang demikian panjang biasanya hanya ditemukan pada sebuah gen
yang aktif.
Ekspresi gen terdiri atas langkah-langkah berikut: transkripsi DNA ke RNA, pemrosesan
RNA untuk menghasilkan messenger RNA yang fungsional dengan cara splicing out
introns, translasi messenger RNA pada sebuah ribosome ke sebuah rantai peptide, dan
pemrosesan structural protein ke bentuk fungsional.
Transkripsi
7
Transkripsi adalah sintesis messenger RNA yang ber strand tunggal dari sebuah gen
(double-stranded DNA). Sekuensi asam amino proteinnya diberi kode dalam DNA leh
codons; asam amino tunggal diberi kode oleh tiap codon, sebuah triplet dari tiga basa
asam nukleat. RNA polymerase membangung messenger RNA dengan cara membaca
strand DNA (strand “antisense”) yang bersifat komplementer pada RNA; sehingga, RNA
adalah sebuah kopi yang tepat dari strand DNA lainnya (strand “sense”), yang juga
disebut strand komplementer dari molekul DNA (ingat, perbedaanp-perbedaan penting
adalah bahwa thymine pada DNA digantikan oleh uracil, dan ribose menggantikan
deoxyribose pada RNA).
Komplementaritas molekuler adalah suatu konsep yang sulit namun juga sederhana
untuk dipahami. Aspek sederhananya adalah konsep satu hal menjadi seperti yang lain.
Bagian sulitnya adalah keharusan untuk memahami dan memvisualisasi bahwa molekul
komplementer tidaklah identik dengan cetakannya, namun lebih seperti tempat dimana
cetakan masuk ke dalam, dan molekul komplementer pergi keluar. Sehingga, strand-
strand heliks ganda tidaklah identik. Setiap strand DNA memiliki struktur komplementer,
dalam arti, satu cetakan positif dan satu cetakan negative, masing-masing menspesifikasi
yang lainya. Oleh karena itu, setiap strand berperan sebagai suatu cetakan bagi DNA
komplementernya (dalam proses replikasi) atau RNA komplementer (dalam proses
transkripsi). Sehingga, messenger RNA disintesis dari cetakan negative, strand
“antisense”, sehingga ia akan memiliki struktur yang sama seperti cetakan positif, yakni
strand “sense”. Para ahli biologi molekuler harus berpikir dalam tiga dimensi!
Transkripsi diawali pada lokasi start upstream, regio flanking yang tidak ditranslasi 5’
dimana dua strands dari heliks ganda menjadi berpisah. Proses ini terus berlanjut kea rah
bawah, dengan mengkopi salah satu dari strand hingga sebuah codon spesifik dicapai,
yang memberi satu pesan berhenti. Sintesis RNA terus dengan tambahan satu rantai
panjang adenines, ekor poly-A; inilah regio yang tidak ditranslasi 3’ yang diyakini
menstabilkan RNA dengan cara mencegah degradasi. Setelah transkripsi dari sebuah gen,
RNA bergerak ke dalam sitoplasma dimana regio-regio intron dieksisi, dan exons
bergabung bersama (RNA splicing) untuk menghasilkan sebuah molekul RNA matur
yang komplit. Mulai dan akhir dari setiap exon dan intron memiliki sekuensi-sekuensi
yang, ketika dikopi ke RNA, memberi signal sebuah enzim untuk mengeluarkan bagian-
bagian yang intervening. Hampir semua introns mulai dengan GU dan berakhir dengan
8
AG (GT dan AG pada intron DNA). Intron-intron memiliki panjang yang bervariasi;
sebuah intron tunggal dapat lebih panjang daripada produk RNA akhir. Molekul RNA
matur memiliki sebuah tambahan pada satu ujung (“capping,” dengan penambahan
sebuah nukleotida termodifikasi, 7-metil guanosine) untuk memproteksi terhadap
ribonuklease (RNases) dan pada ujung lainnya, sebuah ekor polyadenine (the poly-A tail)
ditambahkan (selain dari faktor stabilisasi, mungkin sebuah signal untuk mengarahkan
exit dari nukleus). Kedua ujung adalah tidak ditranslasi dalam ribosomes.
Faktor-faktor Transkripsi. Faktor-faktor transkripsi adalah protein-protein yang terikat
pada elemen-elemen regulator dalam DNA (enhancers dan promoters) dan karenanya
mempengaruhi ekspresi gen. Reseptor-reseptor hormon steroid adalah faktor-faktor
transkripsi. Transkripsi gen dan pembentukan messenger RNA dapat distimulasi ataupun
diinhibisi melalui interaksi-interaksi langsung dengan DNA. Faktor-faktor transkripsi
dapat lebih lanjut berinteraksi dengan faktor-faktor lain (koaktivator dan korepresor, juga
disebut protein-protein adapter) untuk menghasilkan efek-efek kooperatif. Aktivitas
protein-protein ini juga dapat dipengaruhi oleh fosforilasi yang dicetuskan oleh signal-
signal dari reseptor-reseptor permukaan sel (seringkali faktor-faktor pertumbuhan).
Sebuah konsep penting adalah untuk melihat hasil akhir dari aktivitas hormonal dan
ekspresi gen sebagai suatu refleksi dari cellular context, kondisi dan aktivitas faktor-
faktor transkripsi sebagaimana yang dipengaruhi oleh protein-protein adapter intraseluler
spesifik. Ini menjelaskan bagaimana agen-agen serupa (dan faktor-faktor transkripsi
serupa, misalnya reseptor estrogen) dapat memiliki kerja yang berbeda pada jaringan-
jaringan yang berbeda.
Translasi
Messenger RNA berjalan dari kromosom pada mana ia disintesis ke sebuah ribosome
dalam sitoplasma, dimana ia mengarahkan perakitan asam-asam amino menjadi protein
(translasi). Setiap sel memiliki karakteristik namun dinamis dan selalu mengganti
proteome, kumpulan protein-protein yang unik bagi sel tersebut. Asam-asam amino
dibawa ke dalam proses oleh molekul-molekul RNA transfer khusus. Sekuensi spesifik
dari tiga basa pada satu ujung dari transfer RNA adalah komplementer bagi codon yang
melakukan koding bagi asam amino spesifik itu. Pengikatan area ini ke codon messenger
RNA menempatkan asam amino spesifik tersebut yang di ujung lain menjadi sekuensi
9
yang sesuai bagi protein nya. Asam-asam amino ditempatkan satu per satu ketika
molekul-molekul transfer RNA membaca cetakan RNA, mulai pada ujung asam amino
(ujung 5’) dan berakhir pada ujung carboxy (ujung 3’). Proses ini mulai pada triplet
AUG pertama dan berlanjut hingga sebuah stop codon (UAA, UAG, atau UGA) dicapai,
yang mana di tempat tersebut messenger RNA menjatuhkan ribosome dan berdegenerasi.
Sekuensi asam-asam amino linear khusus dispesifikasi oleh koding genetik; pada
gilirannya, sekuensi ini menentukan bentuk 3-dimensi dari protein, struktur berlipat yang
perlu untuk fungsi.
Ekspresi akhir sebuah gen dapat saja tidak berakhir dengan proses translasi. Pemrosesan
protein lanjut (pascatranslasi) terjadi, seperti glycosylation (gonadotropins) atau
proteolytic cleavage (konversi pro-opiomelanocortin ke ACTH). Ini dirujuk sebagai
modifikasi “epigenetika”.
Mekanisme-mekanisme yang menghasilkan protein-protein dari gen-gen adalah serupa
sepanjang dunia biologis. Ini berarti bahwa pengetahuan penting mengenai fungsi
manusia dapat diperoleh dengan mempelajari organisme-organisme sederhana, dan
mikroba-mikroba dapat direkayasa untuk menghasilkan protein-protein manusia.
Mutasi-mutasi
Banyak gen ada dalam beragam bentuk, disebut allele. Perubahan dalam sekuensi DNA
yang menghasilkan perubahan dalam struktur atau fungsi protein yang berbahaya
membangun sebuah mutasi. Substitusi merujuk pada perubahan dalam asam basa nukleat
tunggal. Sebuah substitusi dalam sebuah codon dapat menghasilkan inkorporasi asam
amino yang salah ke dalam sebuah protein, menimbulkan perubahan atau kehilangan
fungsi. Insersi atau penghilangan asam-asam amino ke produk akhir protein dapat
dihasilkan dari splicing RNA yang tidak tepat. Karena kelebihan yan banyak dalam kode
genetic (banyak triplet codons memberi kode untuk asam amino yang sama, dan hanya
ada 20 asam amino), maka tidak semua substitusi menghasilkan suatu efek. Sebuah
contoh klinis dari substitusi basa tunggal (mutasi titik) adalah mutasi sickle, dimana
thymine disubstitusi untuk adenine pada gen beta-globin. Jika regio-regio DNA homolog
menjadi tidak selaras, maka dapat terjadi saling silang yang tidak sama, mengakibatkan
penghilangan dan penyisipan (tambahan). Sebuah “nonsense mutation” merujuk pada
suatu substitusi basa tunggal yang menghasilkan sebuah stop codon, truncating produk
10
protein. Penghilangan dan penyisipan dapat melibatkan basa-basa tunggal, hingga
seluruh exons, atau gen-gen atau beberapa gen. Rekombinasi atau pertukaran material
genetic biasanya terjadi dalam meiosis. Bahkan sebuah perubahan pada junksi dari suatu
regio koding dan nonkoding dapat menghasilkan messenger RNA yang abnormal.
Abnormalitas Kromosom
Abnormalitas Numerik
Abnormalitas numeric biasanya sehubungan dengan nondisjunction, sebuah kegagalan
pemisahan pada anaphase, baik saat pembelahan mitosis ataupun meiosis. Aneuploidy
adalah jumlah kromosom yang tidak merupakan multipel tepat dari jumlah haploid,
misalnya monosomi (45,X Turner-syndrome) atau trisomi (trisomi 13 Patau syndrome,
trisomi 18 Edwards syndrome, trisomi 21 Down syndrome, 47,XXY Klinefelter
syndrome). Mosaicism mengindikasikan satu atau lebih garis-garis sel dengan kariotipe
yang berbeda, biasanya muncul dari nondisjunction saat mitosis awal (kegagalan dari dua
kromosom yang berpasangan untuk berpisah). Polyploidy, multipel jumlah kromosom
haploid, adalah suatu penyebab signifikan akan keguguran spontan.
Abnormalitas Struktural
Abnormalitas structural biasanya sehubungan dengan pemecahan kromosom yang
diinduksi oleh radiasi, obat-obat atau virus. Abnormalitas hasilnya tergantung pada
pengaturan kembali bagian-bagian yang pecah. Karenanya, pada suatu translocation
terdapat saling tukar material antara dua atau lebih kromosom yang nonhomolog. Sebuah
translokasi yang seimbang dikaitkan dengan tidak mendapatkan ataupun kehilangan
material genetic, dan individu demikian adalah seorang pembawa translokasi
(translocation carrier).
Defek-defek Gen Tunggal
Defek-defek gen tunggal dikarenakan oleh mutasi-mutasi pada gen-gen khusus. Mutasi-
mutasi ini ditransmisikan sesuai dengan pewarisan ala Mendel: dominan otosom, resesif
otosom, resesif terkait-X, dan jarang dominan terkait-X. Selain itu, gangguan-gangguan
gen tunggal dapat ditransmisikan dengan cara pewarisan gen mitokondrial, imprinting
maternal atau paternal, disomy (mewariskan kedua pasangan dari suatu kromosom dari
11
satu induk), dan pengulangan yang berlebihan (sebuah fenomena dimana lebih dari
pengulangan biasa dari tiga base pairs terjadi).
Dominansi Otosomal. Transmisi tidak terkait dengan jenis kelamin satu individu, dan
anak-anak homozigot maupun heterozigot terkena (hanya satu allele perlu untuk
abnormal). Dengan dua orangtua yang heterozigot, tiap anak memiliki risiko 75%
terkena. Dengan satu orangtua yang heterozigot, setiap anak memiliki risiko 50% untuk
terkena. Efeknya adalah sesuai dengan beragam ekspresi. Contoh-contoh kondisi
dominan otosom mencakup penyakit Huntington, neurofibromatosis, dan sindroma
Marfan. Efek dari gen dominan yang abnormal dipengaruhi oleh penetrance, derejat gen
dominan tersebut diekspresikan. Penetrance yang komplit, berlawanan dengan
penetrance tidak komplit, berarti bahwa gen ini selalu diekspresikan dan selalu
menghasilkan fenotipe yang dapat dikenali.
Resesif Otosomal. Kondisi-kondisi ini secara fenotipik diekspresikan hanya pada
homozigot (kedua allele harus abnormal). Dengan orangtua yang heterozigot, setiap anak
memiliki 25% risiko terkena dan 50% peluang menjadi carrier. Contoh-contoh kondisi
resesif otosomal adalah kistik fibrosis, penyakit sickle cell, dan hyperplasia adrenal
sehubungan dengan defisiensi pada 21-hydroxylase.
Pewarisan Resesif Terkait-X. Seorang ayah yang terkena dapat mentransmisikan
kondisi ini hanya pada anak perempuan. Hanya wanita yang homozigot yang terkena
ketika kondisinya resesif. Tiap anak laki-laki dari seorang carrier wanita memiliki 50%
peluang menjadi terkena dan tiap anak perempuan 50% peluang menjadi carrier.
Kebutaan warna merah-hijau dan hemofilia A adalah contohnya.
Imprinting Genomik
Imprinting genomic mengindikasikan pengaruh-pengaruh yang menetap pada fungsi
genom oleh kontribusi-kontribusi orangtua laki-laki dan perempuan. Sebagai contoh,
perkembangan plasenta dikontrol kebanyakan oleh gen-gen yang diturunkan secara
paternal. Sehingga, mola hidatidiform memiliki kariotipe normal, namun semua
kromosomnya adalah diturunkan dari ayahnya. Struktur-struktur plasenta tidak ada
dalam teratoma ovarium, tumor-tumor yang mengandung hanya kromosom yang
diturunkan secara maternal. Eksperimen-eksperimen pada alam dan eksperimen hewan
12
mengindikasikan bahwa kontribusi maternal pada genome adalah lebih penting untuk
perkembangan embrionik. Pada kondisi-kondisi resesif otosomal tertentu, ekspres,
keparahan, dan usia awitan dipengaruhi oleh jenis kelamin orangtua yang memberikan
gen atau kromosom mutan.
Teknik-teknik Biologi Molekuler
Sebuah enzim yang memecah ikatan-ikatan fosfodiester dan memotong molekul DNA
menjadi fragmen-fragmen adalah sebuah endonuklease; sebuah restriction enzyme
(restriction endonuclease) hanya memotong pada lokasi-lokasi dengan sekuensi asam
nukleat khusus. Enzim-enzim restriksi ditemukan pada bakteri dimana mereka
membentuk sebuah mekanisme pertahanan untuk memotong (dan karenanya
menginaktivasi) DNA asing apapun (dari virus-virus yang menginvasi) yang diintroduksi
ke dalam sel bakteri. Sebagai bagian dari mekanisme proteksi ini, bakteri juga
mengandung methylases yang memetilasi lokasi-lokasi rekognisi pada DNA asli,
mengarahkan aksi enzim restriksi ke DNA asing yang tidak dimetilasi (nonmethylated
foreign DNA). Bakteri yang berbeda memiliki enzim-enzim restriksi yang berbeda
dengan lokasi-lokasi aksi spesifik. Enzim-enzim restriksi tersedia yang memotong DNA
menjadi bagian-bagian (fragmen-fragmen restriksi), berkisar dari banyak fragmen kecil
hingga beberapa potongan besar, tergantung pada jumlah nukleotida pada sekuensi
rekognisi. Mereka dinamakan untuk organisme dan strain dariman mereka berasal.
Kombinasi fragmen-fragmen restriksi, penggabungan dua potongan DNA, menghasilkan
recombinant DNA.
DNA polymerase adalah suatu enzim yang membawa nukleotida-nukleotida tunggal ke
dalam sebuah molekul DNA. Sebuah DNA polymerase dapat membentuk DNA hanya
pada adanya sebuah cetakan DNA; DNA yang disintesis akan menjadi komplementer
bagi cetakan. RNA polymerase dapat membuat RNA juga hanya pada adanya cetakan
DNA.
Desoxyribonuclease (DNAase) dapat mengeluarkan nukleotida. Dengan
mengkombinasikan penanganan DNAase dengan aksi DNA polymerase, nukleotida-
nukleotida yang di radiolabeled dapat diintroduksi ke dalam molekul DNA,
menghasilkan suatu DNA probe. Sebuah DNA probe dapat dibandingkan dengan
antibodi yang digunakan dalam immunoassays. Antibody ini adalah khusus dan
13
mengenali hormon terhadap mana ia dibentuk. DNA probe secara khusus mendeteksi
sekuensi DNA.
Reverse transcriptase adalah DNA polymerase yang dependen RNA. Ini disebut reverse
transcriptase karena aliran informasi adalah dari RNA ke DNA, kebalikan dari arah
aliran biasa. Enzim ini memungkinkan pengkopian secara esensial molekul RNA apapun
menjadi single-stranded DNA; DNA demikian disebut complementary DNA karena ia
adalah gambar cermin dari messenger RNA. Probe-probe complementary DNA dibatasi
oleh pembacaan mereka hanya exons (ingat bahwa introns dieksisi dari RNA), dan
makanya probe-probe ini hanya membaca area-area besar.
DNA dan RNA adalah molekul-molekul bermuatan, karenanya akan bermigrasi dalam
bidang elektris. Fragmen-fragmen dapat dianalisa dengan elektroforesis gel (agarose atau
polyacrylamide), fragmen-fragmen terbesar yang memigrasikan yang paling lambat.
Dengan konvensi, gel-gel dibaca dari atas ke bawah, dengan fragmen-fragmen terkecil di
bawah.
Southern Blot Analysis
DNA pertama didenaturasi untuk memisahkan dua strand, dicerna oleh enzim-enzim
restriksi untuk menghasilkan fragmen-fragmen yang lebih kecil yang dimuat ke dalam
suatu gel elektroforesis. The southern blot method, dinamakan sesuai penemunya E.M.
Southern, menentukan ukuran-ukuran fragmen. Fragmen-fragmen dipisahkan oleh
elektroforesis. Gel elektroforesis ditempatkan di atas sebuah lembaran tebal kertas
penyaring dengan ujungnya dicelup di dalam larutan garam tinggi. Sebuah membrane
khusus (nitroselulosa) ditempatkan di atas gel, dan di atas ini ditempatkan tumpukan
handuk kertas yang dikompresi oleh sebuah beban. Larutan garam naik oleh aksi wick ke
dalam kertas penyaring; ia bergerak dengan aksi kapiler melalui gel, membawa DNA
dengannya. DNA dibawa ke membrane nitrsoselulosa pada mana ia terikat. Larutan
garam tetap bergerak dan diserap oleh handuk kertas. Membrane nitroselulosa lalu
menciptakan sebuah replica dari pola elektroforesis orisinil. DNA difiksasi ke membrane
baik dengan pembakaran suhu tinggi atau dengan sinar ultraviolet. Kemudian probe-
probe berlabel khusus dapat diintroduksi untuk hybridization. Hybridization berarti
bahwa sebuah probe khusus anneals to sekuensi komplementernya. Fragmen-fragmen
dengan sekuensi ini kemudian diidentifikasi oleh otoradiografi. Probe-probe fluoresen
14
dapat digunakan yang dapat dideteksi setelah aktivasi oleh sebuah sinar laser,
memungkinkan penilaian kualitatif dan kuantitatif oleh sebuah computer.
Northern blotting merujuk pada pemrosesan RNA, Northern karena RNA adalah gambar
lawan dari DNA. RNA yang diekstraksi dipisahkan oleh elektroforesis dan ditransfer ke
sebuah membran selulosa seperti pada Southern blotting untuk hibridisasi dengan probe
(complementary DNA). Northern blotting akan digunakan, sebagai contoh, untuk
menentukan apakah stimulsi hormon dari sebuah protein spesifik dalam suatu jaringan
dimediasi oleh messenger RNA, yakni ekspresi gen.
Elektroforesis untuk memisahkan protein disebut Western blotting, dan antibodi-antibodi
digunakan untuk proses identifikasi hibridisasi. Seperti Northern blotting, Western
blotting mengetes ekspresi gen, tidak hanya adanya sebuah gen. Istilah Northern dan
Western merepresentasikan witticisms yang sengaja (kejadian langka dalam ilmu
pengetahuan) sebagai respons terhadap Southern blotting. Hibridisasi tanpa
elektroforesis dengan menempatkan satu tetes ekstrak sel secara langsung di atas kertas
penyaring disebut dot or slot blotting.
Ketika dua strand komplementer DNA melakukan reasosiasi, maka prosesnya disebut
hibridisasi. Hibridisasi memungkinkan suatu area khusus DNA untuk dipelajari dengan
menggunakan sebuah probe DNA yang ber radiolabel yang spesifik (sebuah sekuensi
komplementer). Membran nitroselulosa yang diproduksi Southern blotting pertama
diperlakukan untuk memblok lokasi-lokasi ikatan nonspesifik. Membrannya kemudian
diberi perlakuan (dihibridisasi) dengan probe yang berlabel. Lokasi probe ikatan
kemudian diidentifikasi oleh otoradiografi (untuk probes yang ber radiolabel) atau oleh
metode colorimetric. Sehingga, sekuensi probe menentukan sekuensi pada tempat ikatan.
Kapanpun dua produk adalah komplementer, maka terjadi hibridisasi. Oleh karena itu,
DNA komplementer dapat dihibridisasi ke messenger RNA cetakannya.
Hibridisasi in situ adalah teknik dimana probe-probe DNA atau RNA berlabel
ditempatkan secara langsung pada sebuah slide jaringan atau sel-sel. Dapat digunakan
sepotong DNA yang dikloning yang diberi label dengan sebuah penanda fluoresen;
metodenya disebut FISH (fluorescence in situ hybridization). Regio yang
berkorespondensi dengan DNA yang dikloning menyala di bawah penyinaran fluoresen
15
kecuali bila regionya telah dihilangkan dari salah satu kromosom. Beberapa sindrom
microdeletion telah ditemukan dengan teknik FISH., misalnya sindrom Prader-Willi.
..... Technology
Metode ini mendeteksi ekspresi gen, mengetes ribuan gen secara simultan. DNA kloning
komplementer dihibridisasi dengan DNA komplementer berlabel yang disiapkan dari
jaringan yang akan dipelajari. Jika jaringan itu mengekspresikan sebuah gen, maka signal
berlabel mudah diobservasi. Produksi chips gen spesifik memungkinkan teknik ini
mencari mutasi-mutasi dan polimorfisme. The microarray gene chip adalah array fisik
DNA yang secara simultan dapat mengidentifikasi ribuan produk-produk mRNA yang
unik pada sampel-sampel heterogen. Proses yang sangat otomatis ini dapat
mengindikasikan ekspresi yang berbeda gengen sebagai respons akan beragam stimuli
atau kondisi.
Polymerase Chain Reaction (PCR)
Polymerase chain reaction (PCR) adalah teknik untuk mengamplifikasi (relatif cepat)
fragmen-fragmen kecil atau area-area DNA ke dalam kuantitas yang cukup besar untuk
dianalisis dengan elektroforesis dan metode-metode blotting. Teknik ini menghasilkan
jumlah kopian yang besar sekali akan sekuensi DNA khusus tanpa resorting ke kloning.
Sekuensi yang akan diamplifikasi harus diketahui. Petanda-petanda khusus (sekuensi-
sekuensi DNA pendek yang disintesis berkoresponding dengan tiap ujung dari sekuensi
yang akan dipelajari) diseleksi yang akan delineate regio DNA yang akan diamplifikasi.
Sekuensi-sekuensi flanking ini disebut primers. Sampel DNA, the primers, dan kelebihan
nukleotida tunggal bebas diinkubasi dengan DNA polymerase.
Langkah pertama melibatkan pemisahan DNA menjadi strand-strand tunggalnya dengan
cara denaturasi dengan panas (92oC); kemudian suhu diturunkan (40oC), yang
menyebabkan the primers melekat (anneal) pada regio-regio komplementer mereka pada
DNA. Suhu dinaikkan hingga 62oC, dan DNA polymerase lalu mensintesis sebuah strand
baru yang mulai dan berakhir pada the primers, membentuk double-stranded DNA yang
baru. Mengulangi siklusnya banyak kali (dengan mengubah suhu reaksi)
mengamplifikasi jumlah DNA yang tersedia untuk dipelajari (lebih dari 1 juta kali lipat);
kenaikannya terjadi secara eksponensial. Sehingga, DNA bisa dianalisa dari sebuah sel
16
tunggal, dan gen-gen dapat divisualisasi dengan blotting tanpa probe-probe yang
berlabel.
Karena prosesnya membutuhkan pemanasan dan pendinginan yang berganti-ganti, maka
DNA polymerase yang resisten terhadap panas adalah keuntungan dimana replenishment
periodic tidak diperlukan. Masalah ini diatasi dengan penemuan DNA polymerase (Taq
polymerase) dalam sebuah mikroorganisme (Thermus aquaticus) yang adalah sebuah
thermophile (mikroba air-panas) dan ditemukan di sebuah out-of-the-way Yellowstone
National Park hot spring called Mushroom Pool. Polymerase bersuhu tinggi ini
memungkinkan otomasi prosesnya.
Teknik polymerase chain reaction telah dibuat mungkin untuk meneliti DNA dalam
jumlah yang sangat sedikit dari jaringan atau cairan tubuh apapun. Sindroma Down dapat
didiagnosis dari sedikit sel fetus yang diperoleh dari darah ibu. Hal yang mengesankan
adalah amplifikasi jumlah kecil DNA yang terdegradasi dari spesies yang punah dan
langka diawetkan di museum. DNA dari fosil-fosil telah diamplifikasi dan dibuat
sekuensi (misalnya dari tanaman magnolia berumur 18 juta tahun). Metode ini juga
memungkinkan untuk mengidentifikasi sebuah gen melalui ekspresi messenger RNA
nya. RNA adalah cetakan untuk amplifikasi dengan pertama-tama mengkonversinya
menjadi DNA komplementer. Polymerase chain reaction digunakan untuk mendeteksi
mikroba, memberi hasil dalam beberapa jam bahkan dengan adanya obat-obat
antimikroba. Metode ini dapat mendeteksi bakteri yang tidak bisa diisolasi dengan teknik
kultur.
Kloning DNA
Kloning berarti mengisolasi sebuah gen dan membuat kopiannya. Sebuah perpustakaan
DNA adalah koleksi molekul-molekul DNA yang berasal dari metode kloning.
Perpustakaan DNA komplementer adalah DNA counterpart dari semua messenger RNA
yang diisolasi dari sel atau jaringan tertentu. DNA komplementer telah diproduksi untuk
lebih dari 70% gen manusia dan tikus. Dengan memulai dengan messenger RNA,
pencarian akan gen yang dimaksud dapat difokuskan (bukannya mencari keseluruhan
genome). Perpustakaan demikian dibuat dengan menggunakan reverse transcriptase.
Molekul-molekul DNA kemudian dapat diinsersikan ke dalam vector yang sesuai
(dijelaskan di bawah) dan mereplikasi molekul-molekul yang dapat diproduksi. Dengan
17
menggunakan probes, DNA komplementer dapat diseleksi yang sesuai dengan gen yang
dimaksud (ingat bahwa DNA komplementer hanya mencakup exons dari sebuah gen).
Kloning DNA berarti produksi banyak kopian identik dari fragmen DNA yang
dispesifikasi. Kloning juga dapat dilakukan dengan menggunakan polymerase chain
reaction. Sebagaimana yang diindikasikan di atas, kloning DNA komplementer berfokus
pada DNA counterpart dari messenger RNA; kloning DNA genomic, dengan
menggunakan endonuklease restriksi, kopia DNA dalam gen. Kloning juga dapat
digunakan untuk membuat kopian probes yang beragam atau fragmen-fragmen DNA
yang tidak diketahui.
Jika sekuensi asam amino tidak diketahui, kita dapat bekerja ke belakang. Dengan
mengetahui produk protein spesifik, antibody-antibodi dapat diproduksi melawan
protein. Ketika DNA komplementer diinsersikan ke dalam vektor-vektor tertentu,
produksi protein dapat diidentifikasi dengan antibodi-antibodi; sehingga fragmen DNA
akan terisolasi.
Sebuah vektor adalah sebuah entitas dimana DNA asing dapat diinsersikan. Vektor
ditambah DNA asing diinsersikan ke dalam sel pejamu; sel pejamu menghasilkan baik
vektor maupun DNA asing. Vektor-vektor pertama adalah plasmid bacterial, molekul-
molekul DNA sirkuler (minikromosom) yang koeksis di dalam sitoplasma dengan DNA
kromosom bacterial. Hal yang paling penting dicatat, mereka membawa gen-gen yang
memberi kode untuk resistensi antibiotika. Hal ini memampukan sel-sel bakteri yang
mengandung plasmid yang akan diseleksi oleh terapi antibiotika yang tepat. Vektor-
vektor plasmid juga telah dikembangkan yang memungkinkan seleksi oleh warna.
Beragam strain bakteri telah dikembangkan, masing-masing untuk penggunaan
khususnya.
Gangguan DNA plasmid dengan enzim-enzim restriksi, yang disertai dengan inkorporasi
DNA asing dengan DNA ligase, menghasilkan molekul-molekul DNA plasmid (DNA
rekombinan yang mengandung DNA asing) yang dapat direplikasi. Vektor-vektor
plasmid dapat menginkorporasi fragmen-fragmen DNA asing hingga 10 kb ukurannya.
Pencernaan plasmid-plasmid yang pulih dengan enzim-enzim restriksi melepaskan
fragmen DNA yang diinginkan, yang kemudian dapat dipulihkan dengan elektroforesis.
18
Vektor lain ada. Bakteriofag (atau phages) adalah virus-virus yang menginfeksi dan
bereplikasi di dalam bakteri. Vektor-vektor phage dapat menginkorporasi sisipan DNA
yang lebih besar, hingga 20 kb. Kloning DNA dengan vektor phage mengikuti rancangan
dasar yang sama seperti plasmid. Fragmen-fragmen DNA asing yang lebih besar
dikloning dengan vektor cosmid, yang secara artificial diproduksi kombinasi vektor-
vektor phage dan plasmid. Fragmen-fragmen yang sangat besar, hingga 1.000 kb, dapat
dikloning dengan menggunakan kromosom artificial ragi. Metode ini dapat bekerja
dengan keseluruhan gen.
Langkah-langkah Dasar untuk Kloning
1. Pilih sumber DNA: baik itu DNA genomic atau DNA komplementer
2. Fragmentasi DNA nya dengan endonuklease restriksi.
3. Sisipkan fragmen-fragmen ke dalam vektor.
4. Introduksi vektor ke dalam bakteri
5. Kumpulkan DNA yang dikloning yang terpropagasi dalam bakteri untuk
membentuk sebuah perpustakaan
6. Skrining perpustakaan untuk sekuensi yang diinginkan. Metode-metode yang
mungkin mencakup penggunaan probes nukleotida komplementer untuk fragmen-
fragmen yang menghibridisasi atau deteksi protein spesifik yang dihasilkan
dengan antibodi terhadap proteinnya atau dengan cara assaying fungsi proteinnya.
Model-model Hewan Knockout
Model-model hewan untuk fungsi sebuah gen memakai metode “knocking out” sebuah
gen spesifik. Pada sebuah demonstrasi yang sederhana namun penting, dapat ditentukan
apakah sebuah gen spesifik dan protein-proteinnya adalah esensial untuk kehidupan, atau
untuk sebuah fungsi (seperti kehamilan).
Identifikasi Gen
Untuk mengkloning sebuah gen keseluruhan yang produk proteinnya telah diketahui,
maka sebuah perpustakaan DNA komplementer dihasilkan. Fragmen DNA spesifik
19
diidentifikasi dengan cara menghubungkannya dengan protein. Setelah teridentifikasi,
gen total dapat diskrining dengan menggunakan DNA komplementer yang
teridentifikasi, mengidentifikasi introns dan exons. Strategi lainnya adalah untuk
mensintesis suatu probe oligonukleotida, mendasarkan sekuensinya pada sekuensi asam
amino yang telah diketahui dalam produk protein (dari sekuensi peptide, sekuensi DNA
yang memberi kode untuk protein itu dapat diprediksi). Metode ini dapat digunakan
dengan hanya potongan peptide yang relatif kecil. Dengan semakin banyaknya gen yang
dikloning, frekuensi codon untuk asam-asam amino tertentu ditentukan. DNA
komplementer dapat dikloning tanpa memproduksi suatu perpustakaan dengan
menggunakan polymerase chain reaction untuk mengamplifikasi DNA komplementer
yang dibuat dari messenger RNA oleh reverse transcriptase. Sekuensi-sekuensi tumpang
tindih dari genom dapat dikloning, dengan menggunakan sepotong DNA dari tiap produk
yang berhasil, untuk bekerja pada sebuah kromosom dengan cara yang sistematik untuk
mencari sebuah gen; ini disebut chromosome walking.
Seluruh proses sekuensi dapat dikerjakan dengan computer, bahkan mencari open
reading fames. Setelah diidentifikasi sekuensi fragmen DNA, maka komputer dapat
menggunakan database DNA dan protein untuk memprediksi sekuensi, lokasi rekognisi,
translasi protein, dan homologi dengan sekuensi yang dikenal. Ilmuwan kemudian dapat
menyeleksi ukuran-ukuran fragmen restriksi untuk kloning. Setelah gen dianalisa, harus
dibandingkan dengan gen dalam keadaan penyakit. Jika mutasi berukuran besar, ini
dapat dideteksi dengan Southern blotting. Perubahan minor membutuhkan perbandingan
dalam sekuensi-sekuensi DNA, yang mungkin dengan menggunakan amplifikasi rantai
polymerase untuk menghasilkan sekuensi gen spesifik pada jumlah yang siap dipelajari.
Sebuah gen dapat dilokalisasi ke kromosom spesifik ketika produk proteinnya tidak
diketahui dengan studi-studi yang melibatkan pengaturan kembali kromosom dan
analisis hubungan. Penyakit-penyakit spesifik dikaitkan dengan perubahan-perubahan
kariotipik. Sehingga, kromosom spesifik dapat ditargetkan untuk lokalisasi gen. Analisis
hubungan menggunakan polimorfisme panjang fragmen restriksi.
Polimorfisme DNA
Southern blotting menunjukkan pola-pola spesifik dari bands yang merefleksikan
berbagai panjang fragmen-fragmen DNA yang diproduksi oleh kerja enzim restriksi.
20
Sebuah lokasi yang spesifik dapat menunjukkan sebuah mutasi dengan memiliki suatu
pola yang berbeda (panjang yang berbeda dari fragmen DNA pada Southern blotting
sehubungan dengan perbedaan sekuensi). Perbedaan-perbedaan dalam sekuensi DNA ini
disebut polimorfisme panjang fragmen restriksi (polimorfisme nukleotida-tunggal), atau
hanya polimorfisme, biasanya suatu variasi jinak. Ini adalah variasi-variasi umum;
genom manusia mengandung sekitar 10 juta polimorfisme, dan lebih dari 3 juta telah
diidentifikasi. Sebuah polimorfisme dapat berperan sebagai penanda genetic bagi gen
yang penting secara medis. Suatu polimorfisme diatur oleh regulasi pewarisan ala
Mendel, dan jika ternyata suatu polimorfisme teridentifikasi pada seorang pasien dengan
penyakit spesifik, maka transmisi penyakitnya dapat dipelajari. Polimorfisme, yang
dikaitkan dengan penyakit by chance, dapat digunakan untuk mempelajari pewarisan
suatu penyakit ketika gen-gen nya tidak diketahui. Polimorfisme adalah seperti sebuah
bendera yang menandai area-area kromosom spesifik. Metode studi ini membutuhkan
DNA dari sekurang-kurangnya satu individu yang terkena dan jumlah anggota keluarga
yang cukup untuk melacak polimorfisme, baik dengan Southern blotting (untuk
sekuensi-sekuensi panjang) atau dengan polymerase chain reaction (terbaik untuk
sekuensi-sekuensi pendek). Korelasi penanda-penanda genetik (polimorfisme) dan
fenotipe juga memakai haplotypes (serupa dengan suatu polimorfisme namun sekuensi
nukleotida yang lebih panjang, bahkan satu set dari beberapa polimorfisme).
Minisatellites adalah satu bentuk polimorfisme. Gen-gen berkonsentrasi pada area-area
acak sepanjang kromosom yang dipisahkan oleh sekuensi-sekuensi panjang DNA
nonkoding. Minisatellites adalah area-area nonkoding DNA yang berulang dalam jumlah
yang bervariasi, yang disebut tandem repeat sequences, didistribusikan sepanjang setiap
kromosom manusia. Area-area ini dapat diikuti oleh probes DNA, dengan menyediakan
“fingerprint” bagi individu-individu spesifik. Keunikan ini diaplikasikan dalam
kedokteran forensic. Microsatellites, sebagaimana arti namanya, adalah lebih kecil dari
minisatellites. Biasanya, microsatellites terdiri atas pengulangan hanya dua nukleotida.
Polimorfisme DNA sekarang berjumlah ribuan dan memungkinkan pemetaan genetic
dengan presisi yang hebat.
Proyek Genom Manusia
21
Semua gen manusia secara kolektif dikenal dengan genom. Dimulai pada tahun 1990,
tujuan dari Human Genome Project internasional adalah untuk mensekuensi 3,2 miliar
base pairs genom manusia, satu tujuan yang dicapai dalam bentuk draft pada tahun 2001
dan 99% sekuensi actual pada tahun 2003, lebih dari dua tahun lebih cepat daripada
jadwal, 50 tahun setelah publikasi Watson dan Crick. Jumlah gen (30.000 sampai
35.000) adalah lebih kecil daripada estimasi sebelumnya. Kurang dari 2% genom
manusia memberi kode untuk protein; oleh karena itu, sisanya adalah sumber daya yang
kaya untuk ahli sejarah evolusi dan sebuah target untuk menginduksi perubahan
genetika. Jumlah gen pada kromosom spesifik bervariasi; kromosom yang dipengaruhi
oleh trisomi, kromosom 13, 18, dan 21, memiliki gen paling sedikit. Sekuensi DNA dari
genom manusia tersedia untuk diunduh:
www.ncbi.nlm.nih/gov/genome/guide/human
Peta kaitan genetik dapat berperan sebagai suatu fondasi bagi pencarian lokasi penyakit
dan untuk mengintegrasi sekuensi genetic dengan fungsi-fungsi biologis. Segera, kita
akan mampu memiliki CD pribadi yang mengandung cetak biru genetik komplit
individual.
Departemen Energi Amerika Serikat memelihara sebuah Web site yang memberikan
informasi dasar dan links yang berguna ke situs-situs lainnya mengenai proyek genom
manusia:
http://www.ornl.gov/techresources/human_genome/publicat/publictions.html
lokasi-lokasi kromosom dari gen-gen yang bertanggung jawab untuk produksi hormon
dengan cepat dipetakan. Dari sekuensi DNA yang dikloning, sekuensi-sekuensi asam
amino dapat diprediksi. Setiap produk protein dari sebuah gen mencerminkan target
diagnostic atau terapeutik yang potensial. Dan tentu saja, gangguan-gangguan yang
diturunkan akan menjadi subjek karakterisasi dan, akhirnya, terapi gen. Namun
demikian, bahkan setelah satu gen telah teridentifikasi dan dipetakan secara genetis,
karakterisasi penuh masih merupakan tugas yang sulit dan memakan waktu. Pemahaman
penuh akan gangguan-gangguan yang melibatkan interaksi-interaksi gen-gen multipel
akan menjadi bahkan lebih rumit.
22
Namun kemajuan molekuler adalah tidak terelakkan. Masa depan akan melihat
kedokteran pencegahan dengan prediksi. Dengan mengetahui konstitusi genetic individu,
maka skrining yang sesuai dan intensif dapat diarahkan bagi kondisi-kondisi yang
berpredisposisi. Pengetahuan macam ini akan juga membutuhkan pertimbangan sosial
dan politik. Bukan hal yang jauh untuk melihat perkawinan dan kehamilan dihindari
karena pertemuan predisposisi genetic yang buruk. Masyarakat sedang mengembangkan
pedoman mengenai penggunaan informasi ini: oleh individu, oleh para pemilik usaha,
oleh organisasi kesehatan, dan oleh pemerintah. Kemajuan ilmiah harus bersesuaian
dengan pendidikan public dan professional untuk secara tepat mengelola pengetahuan
ini.
Genomics dan Proteomics
Genomics merujuk pada seluruh proses yang terlibat dalam Human Genome Project,
deskripsi komplit dari sekuensi genetic, dan ini kemudian mengindikasikan studi
ekspresi gen, khususnya dengan menggunakan teknik microarray dengan gene chips.
Namun, genomics tidak akan menceritakan keseluruhan kisah. Produk-produk protein
dari ekspresi gen diubah dalam proses translasi dan juga oleh modifikasi-modifikasi
pascatranslasi seperti glycosylation, methylation, dan phosphorylation. Oleh karena itu,
kisah lengkapnya, membutuhkan proteomics, studi produk-produk akhir fungsional
secara biologis, protein-protein dari suatu sel atau suatu jaringan. Baik genomics maupun
proteomics dibutuhkan untuk memahami fisiologi, mendiagnosis penyakit, dan untuk
desainobat-obat baru. Identifikasi protein membutuhkan pemisahan protein-protein
dengan elektroforesis, pencernaan protein-protein besar menjadi protein-protein yang
lebih kecil, pengukuran kandungan asam amino oleh spektrofotometri massa, dan
identifikasi khusus protein-protein dengan perbandingan dengan databases
terkomputerisasi. Profil-profil massa protein sel-sel normal dan abnormal kemudian
dapat dibandingkan.
... Aplikasi
Tantangan bagi kedokteran modern adalah untuk memahami banyaknya koleksi data
yang dihasilkan oleh proyek genom. Dengan memahami fungsi gen dan protein akan
menjadi gambaran pengakselerasi kemajuan manusia.
23
Diagnosis molekuler kelainan-kelainan genetic membutuhkan hanya sampel DNA yang
kecil, yang didapat dari sel apapun yang berinti, seperti sel-sel darah putih atau sel-sel
epitel. Polymerase chain reaction yang dilaksanakan oleh mesin otomatis
memungkinkan diagnosis DNA yang cepat dengan material yang diamplifikasi dari
sebuah sel tunggal. Ini adalah keunggulan yang penting dalam hal analisis genetika pra
natal dan dalam hal diagnosis dan pemilihan jenis kelamin sebelum implantasi. PCR
memungkinkan untuk melaksanakan diagnosis DNA dari sebuah sel tunggal yang
dikeluarkan dari embrio-embrio yang difertilisasi secara in vitro.
Diagnosis molekuler terbatas oleh prevalensi perubahan genetic heterogen. Dengan kata
lain, banyak gangguan melibatkan mutasi-mutasi yang berbeda pada orang-orang yang
berbeda. Sebaliknya, beberapa (seperti penyakit sickle cell) selalu melibatkan perubahan
yang sama. Dengan kistik fibrosis, 70% pasien (keturunan Eropa utara) memiliki
penghilangan 3-basa yang sama, sedangkan sisanya 30% memiliki koleksi mutasi yang
sangat heterogen. Diagnosis molekuler selanjutnya ditantang oleh kebutuhan tidak hanya
untuk menemukan perubahan yang tersamar pada suatu gen namun juga untuk
membedakan perubahan-perubahan penting dari variasi-variasi yang jinak
(polimorfisme). Metode-metode berbasis-PCR ingenious telah dikembangkan untuk
skrining dan deteksi mutasi yang cepat. Makna penting mutasi-mutasi yang terdeteksi
membutuhkan segregasi mutasi dengan suatu penyakit yang teridentifikasi dalam sebuah
keluarga.
Sekurang-kurangnya satu jenis defisiensi hormon pertumbuhan diwariskan dalam pola
resesif-otosomal. Kloning DNA hormon pertumbuhan yang komplementer terhadap
messenger RNA nya memungkinkan lokalisasi gen hormon pertumbuhan. Gen hormon
pertumbuhan adalah dalam sebuah cluster yang juga mencakup gen untuk laktogen
plasenta manusia. Cluster gen-gen ini mengandung beragam unit DNA yang homolog
dan tunduk pada rekombinasi, yang mengakibatkan penghilangan pada satu kromosom
dan duplikasi pada lainnya. mekanisme serupa bekerja untuk produk-produk protein lain
yang diatur oleh gen-gen dalam cluster, seperti globin.
Produksi komersial protein-protein dari gen-gen yang dikloning yang diinsersikan ke
dalam bakteri cepat meningkat. Produksi insulin (pertama) dan hormon pertumbuhan
adalah contoh-contoh yang baik. Glikosilasi tidak terjadi pada sistem bacterial, dan
24
kareanya produksi komersial glikoprotein-glikiprotein rekombinan membutuhkan jalur
sel mamalia untuk prosesnya. Ini telah dicapai, dan gonadotropin-gonadotropin
rekombinan saat ini tersedia. Gen untuk hormon pelepas-gonadotropin pada lengan
pendek kromosom 8 telah diisolasi dan dikloning. Teknologi molekuler adalah penting
dalam karakterisasi inhibin, hormon folikuler ovarium yang menginhibisi sekresi follicle
stimulating hormone (FSH). Gen inhibin telah disekuensi dan ditemukan homolog
dengan gen untuk hormon antimullerian. Subunit-alfa yang umum untuk gonadotropin,
hormon penstimulasi-tiroid, dan human chorionic gonadotropin (hCG) telah dilacak ke
sebuah gen yang telah diisolasi, disekuensi, dan dilokalisasi pada kromosom 6.
Insersi suatu gen asing ke dalam embrio menghasilkan hewan yang transgenik. Gen
asing yang diinsersikan akan ada dalam banyak jaringan, dan jika hewan ini fertile, ia
akan diwariskan. Terdapat banyak aplikasi untuk hewan-hewan transgenic. Hewan-
hewan transgenik memberikan model-model hewan untuk penyakit-penyakit yang
diwariskan dan tumor-tumor ganas serta memberikan suatu cara untuk melaksanakan
eskperimen dalam terapi gen. Transfer gen-gen baru atau yang berubah adalah suatu
metode penting untuk mempelajari fungsi gen. Tanaman-tanaman transgenic bahkan
dapat dikembangkan untuk menghasilkan obat-obat baru, dan introduksi gen-gen yang
conferring resistensi terhadap insekta mungkin memecahkan masalah kontaminasi
insektisida.
Genom manusia mengandung banyak gen dengan potensi menyebabkan kanker. Gen-gen
lain memiliki kemampuan untuk memblok pertumbuhan keganasan. Kanker adalah
penyakit genetika yang pada mana tumor-tumor dapat dikatakan sebagai klonal; semua
sel terkait secara genetika. Oncogenes, ditemukan dalam virus-virus tumor, adalah gen-
gen yang mentransformasi sel-sel dari pertumbuhan normal ke abnormal dengan cara
melakukan koding protein-protein yang terlibat dalam transduksi signal, secara spesifik
transmisi pesan-pesan pengatur-pertumbuhan. Terdapat banyak oncogen dan banyak
jalur aksi yang berbeda-beda, yang semuanya menghasilkan status proliferative. Mutasi-
mutasi yang mengaktivasi gen-gen ini mendorong pada aktivitas protein yang
independen akan signal-signal yang datang atau pada aktivitas di tempat salah di waktu
yang salah. Garis dasarnya adalah dimulainya pertumbuhan yang persisten (oleh
oncogene yang berubah).
25
Terdapat pula antioncogene pada sel-sel normal, gen-gen yang mensupresi pertumbuhan
yang harus diinaktivasi sebelum tumor dapat bertumbuh. Kerentanan terhadap kanker
yang diwariskan dapat juga dihasilkan oleh mutasi pada gen-gen supresor tumor.
Meskipun aktivasi sebuah oncogene adalah efek yang dominan, mutasi-mutasi supresor
tumor adalah resesif dan dapat dibawa dan ditransmisikan, namun tidak aktif selama
pasang-pasangan terjadi dengan suatu antioncogene normal.
Oleh karena itu, kanker adalah suatu penyakit genetika, namun regulasi pertumbuhan
normal melibatkan suatu sistem kompleks yang memakan waktu lama untuk diatasi.
Selama periode waktu ini, teknologi DNA rekombinan mungkin dapat mencapai
diagnosis yang cukup dini untuk menghasilkan penyembuhan. Dengan mengetahui
oncogene spesifik yang terlibat dalam suatu tumor tertentu juga menawarkan
kemungkinan terapeutik. Sebagai contoh, sebuah antimetabolit dapat dilekatkan ke
antibodi untuk sebuah oncogene, yang menargetkan sel-sel kanker.
Biologi molekuler sedang mengalami perubahan baik diagnosis maupun terapi. DNA
virus dan bakteri dapat diidentifikasi. Proses PCR otomatis dapat menghasilkan pola-
pola elektroforesis yang dapat dibaca secara otomatis. Denga teknik ini, sebuah molekul
DNA human papillomavirus tunggal dapat dideteksi di antara 10.000 atau lebih sel-sel
manusia. Beberapa ratus tes genetika saat ini digunakan di klinis.
Produksi protein endogen yang salah dapat dikoreksi dengan cara menggantikan
mekanisme yang problematic. Terdapat dua strategi: sel-sel asing yang memproduksi
protein yang hilang dapat diintroduksi, atau gen yang salah dapat digantikan (atau lebih
akurat, menambahkan DNA terkoreksi komplementer). Oleh sebab itu, gangguan-
gangguan gen tunggal resesif berpotensi untuk terapi gen, dan juga penyakit-penyakit
yang didapat seperti kanker dan infeksi. Terapi gen secara luas didefinisikan sebagai the
enlistment mesin seluler pasien sendiri untuk menghasilkan bahan terapeutik. Sebuah gen
yang dimasukkan ke dalam sel dapat menggantikan gen yang rusak atau hilang ataupun
menghasilkan protein dengan efek yang diharapkan. Namun, ini adalah bidang ilmu yang
masih dalam tahap bayi.
Pedoman khusus untuk terapi gen telah dikembangkan yang membutuhkan beberapa
tingkat kajian ulang. Satu kelas terapi manusia adalah penggunaan vektor-vektor
retrovirus untuk mentransfer gen-gen penanda ke dalam sel-sel manusia yang dikultur
26
yang dikembalikan ke pasien asalnya. Sebagai contoh, ini memungkinkan pelacakan
limfosit-limfosit yang menginfiltrasi tumor, hepatosit-hepatosit donor, atau sel-sel T
killer yang spesifik untuk human immunodeficiency virus. Gen-gen yang ditransfer ini
dapat juga di crafted untuk menyediakan fungsi pada pasien-pasien dengan gangguan-
gangguan yang diwariskan gen-tunggal. Kelas terapi lainya melibatkan transfer gen yang
memberi kode untuk faktor-faktor yang menghancurkan sel-sel tumor, seperti tumor
necrosis factor atau interleukin. Vektor-vektor retrovirus adalah virus-virus yang telah
diubah sehingga tidak ada protein virus yang dapat dibuat oleh sel-sel yang diinfeksi oleh
vektor. Oleh karenanya, replikasi dan penyebaran virus dicegah, namun transfer gen ke
dalam sel-sel yang bereplikasi dapat terjadi. Metode-metode transfer lainnya yang
sedang dikembangkan mencakup penggunaan vektor-vektor adenovirus dan secara
khusus DNA plasmid yang ditargetkan.