Lebba Kadorre Pongsibanne
advertisement
GENETIKA OLEH Dr.Muh.Khalifah Mustami, M.Pd. Editor: Lebba Kadorre Pongsibanne UNIVERSITAS ISLAM NEGERI ALAUDDIN MAKASSAR 2013 1 KATA PENGANTAR Assalamu’alaikum Wr. Wb. Seiring kasih sayang yang telah Allah limpahkan kepada kita, mari kita panjatkan puja dan puji syukur ke hadirat-NYA yang telah memberikan petunjuk kepada kita, dan sungguh tidaklah mungkin kita dapat mengerjakan perintah-NYA, jika Allah tidak memberikan petunjuk kepada kita untuk mengerjakan segala perintah-Nya itu, begitu pula dengan selesainya penyusunan buku Genetika ini tidak lepas dari petunjuk dan hidayah-Nya. Selanjutnya kita panjatkan shalawat serta salam kepada junjungan kita Nabi Besar Muhammad SAW dan keluarganya beserta sahabatnya sekalian. Amin, ya Robbal’alamin. Buku Genetika ini berisikan uraian tentang Genetika dalam persfektif Al-Quran, perkembangan genetika dan mendelisme, materi genetik dan sintesa protein, pewarisan sifat sel, teori kemungkinan, berangkai dan pindah silang, fenotipe dan perubahan genetik, alel ganda dan gen ganda, rangkaian, kelamin dan penentuan jenis kelamin, dan rekayasa genetik Akhirnya dengan lapang dada penyusun akan menerima saran-saran yang bersifat konstruktif. Semoga karya sederhana ini menjadi amal di sisi Allah SWT Insya Allah Amin. Makassar, 10 September 2013 Penulis 2 DAFTAR ISI BAB BAB I. PEWARISAN SIFAT DALAM AL QURAN....................................................... 1 II. PERKEMBANGAN GENETIKA DAN MENDELISME........................................... A. AWAL MULA DAN KONSEP DASAR.................................................... B. KRONOLOGI PERKEMBANGAN GENETIKA ............................................ C. MENDELIME ........................................ D. HUKUM MENDEL I ............................ E. HUKUM MENDEL II .......................... 13 17 23 32 BAB III. MATERI GENETIK DAN SINTESIS PROTEIN .................................................... A. DNA ....................................................... B. RNA......................................................... 48 49 69 10 11 BAB IV. PEWARISAN SIFAT SEL ......................... 87 A. AMITOSIS ............................................. 90 B. MITOSIS ................................................ 90 C. MEIOSIS................................................. 106 BAB V. TEORI KEMUNGKINAN ........................ 116 A. TEORI KEMUNGKINAN ................... 118 B. TEOREMA BINOMIAL ....................... 120 3 BAB VI. BERANGKAI DAN PINDAH SILANG A. BERANGKAI ........................................ B. PINDAH SILANG ............................... BAB VII. FENOTIPE DAN PERUBAHAN GENETIK …………................................... A. FENOTIPE …....................................... B. PERUBAHAN GENETIK .................... C. PERUBAHAN JUMLAH KROMOSOM ........................................ BAB VIII. ALEL GANDA DAN GEN GANDA ..... A. ALEL ...................................................... B. ALEL GANDA ...................................... C. GEN GANDA ....................................... 128 128 135 141 141 142 148 156 156 157 172 BAB IX. RANGKAIAN KELAMIN DAN PENENTUAN JENIS KELAMIN............. 176 A. RANGKAIAN KELAMIN .................. 176 B. PENENTUAN JENIS KELAMIN ....... 183 BAB X. REKAYASA GENETIK ............................ A. SEJARAH PERKEMBANGAN BIOTEKNOLOGI MOLEKULER ....... B. KLONING ............................................. C. PRODUK-PRODUK REKAYASA GENETIK…............................................ D. DAMPAK PENGGUNAAN REKAYASA GENETIK ........................ 4 192 196 199 213 237 BAB I PEWARISAN SIFAT DALAM AL QURAN Ilmu pengetahuan genetika modern berawal dari penemuan Gregor Mendel tentang ciri-ciri faktor keturunan yang ditentukan oleh unit dasar yang diwariskan dari generasi ke generasi berikutnya, yang disebut unit genetik atau gen, yaitu bahan yang mempunyai persyaratan: (1) diwariskan dari generasi ke generasi dimana keturunannya mempunyai persamaan fisik dari materi tersebut; (2) membawa informasi yang berkaitan dengan struktur, fungsi dan sifat-sifat biologi yang lain. Genetika adalah ilmu yang mempelajari tentang gen, yaitu faktor yang menentukan sifat-sifat suatu organisme. Proses kehidupan secara biologi merupakan proses metabolisme yang berlangsung di dalam sel. Penentuan sifat organisme dilakukan oleh gen melalui pengendalian reaksireaksi kimia yang menyusun suatu lintasan metabolisme. Di dalam genetika dipelajari struktur, proses pembentukan dan pewarisan gen serta mekanisme ekspresinya dalam pengendalian sifat organisme. Jauh sebelum Mendel mengemukakan teorinya yang terkait dengan hukum pewarisan sifat, Allah SWT melalui firmannya telah memberikan sejumlah isyarat yang semestinya menantang manusia untuk berpikir dalam mengungkapkan misteri hukum-hukum pewarisan sifat. Salah satu yang patut untuk dipikirkan adalah Firman Allah sebagai berikut: 28. Dan demikian (pula) di antara manusia, binatang-binatang melata dan binatang-binatang ternak ada yang bermacam-macam warnanya (dan jenisnya). Sesungguhnya yang takut kepada Allah di antara hamba-hamba-Nya, hanyalah ulama [1258]. 5 Sesungguhnya Allah Maha Perkasa lagi Maha Pengampun. (QS: Al Faathir 35:28) [1258] yang dimaksud dengan ulama dalam ayat Ini ialah orangorang yang mengetahui kebesaran dan kekuasaan Allah. Ayat tersebut di atas menjelaskan tentang keanekaragaman dan variasi pada makhluk hidup. Keanekaragaman makhluk hidup terlihat dengan adanya perbedaan bentuk, ukuran, struktur, warna, fungsi tubuh dengan organ-organnya, dan habitatnya. Pada makhluk hidup terdapat persamaan dan perbedaan antara yang satu dengan yang lainnya. Diantara makhluk hidup yang menghuni bumi ini tidak ditemukan adanya dua jenis individu yang persis sama, walaupun berasal dari satu induk. Perbedaan dan persamaan makhluk hidup pada jenis yang sama disebut variasi. Ungkapan dalam Al Quran pada surat di atas, khususnya …bermacam-macam warnanya… adalah ungkapan yang merepresentasikan adanya variasi pada makhluk hidup (Adnan, 1992). Fenomena seperti ini dapat diamati pada berbagai makhluk hidup, misalnya; manusia sama-sama mempunyai hidung, pipi, dan rambut, akan tetapi kesemuanya menunjukkan sifat dan ciri khas dari masing-masing individu. Ada yang berhidung mancung dan ada yang tidak mancung, ada yang berlesung pipi dan ada yang tidak berlesung pipi, ada yang berambut keriting dan ada yang tidak berambut keriting. Demikian pula halnya dengan variasi pigmen warna kulit manusia dan sejumlah sifat/ciri lainnya. Variasi merupakan dasar dalam berbagai penelitian genetika seperti yang telah diamati oleh Mendel dalam percobaannya dengan menggunakan kacang ercis. Pada percobaannya, Mendel mengamati variasi dari sejumlah karakter yang terdapat pada kacang ercis seperti tinggi tanaman, bentuk biji, dan warna bunga. Mendel mencoba 6 mempertanyakan bagaimana pola pewarisan berbagai karakter variasi yang ada pada kacang Ercis dan melahirkan dua teori yang dikenal dengan hukum Mendel I dan II. Bagaimana variasi dapat muncul pada sejumlah makhluk hidup yang sejenis? Pertanyaan ini merupakan objek penelitian yang dilakukan bertahun-tahun oleh sejumlah pakar biologi dan pada akhirnya orang mengetahui bahwa pengontrolan sejumlah karakter yang bervariasi pada makhluk hidup dilakukan oleh gen, yaitu urutan nukleotida dengan panjang tertentu yang mengkode satu jenis protein. Gen-gen terdapat dalam kromosom yang disebut lokus. Setiap gen memiliki pasangan pada kromosom homolognya. Pasangan gen tersebut dinamakan alel. Informasi ini secara eksplisit dapat dijumpai dalam Al Quran yang artinya: 36. Maha Suci Tuhan yang Telah menciptakan pasanganpasangan semuanya, baik dari apa yang ditumbuhkan oleh bumi dan dari diri mereka maupun dari apa yang tidak mereka ketahui. (QS: Yaasiin, 36:36) Ayat tersebut menjelaskan kepada kita pada berbagai makhluk hidup dimuka bumi dan termasuk dalam diri mereka terdapat sesuatu yang berpasangan. Pasangan pada...”diri mereka”... tidak hanya yang teramati dengan mata seperti telinga, mata dan lubang hidung berpasangan., tetapi lebih jauh dari itu terdapat pasangan gen yang mengontrol berbagai karakter yang terdapat dalam suatu individu. Bahkan bila ditelusuri lebih jauh, pasanganpasangan yang lain dapat dijumpai hingga tingkat partikel yang fundamental (Adnan, 1992) Bagaimana pasangan-pasangan gen itu dapat mengontrol karakter dari suatu individu? Pengetahuan genetika masa kini telah menemukan bahwa interaksi- 7 interaksi gen berlangsung melalui perkawinan atau persilangan, baik pada tumbuhan maupun pada hewan dan manusia. Hal ini secara eksplisit diungkapkan dalam Al Qur’an yang artinya: 22. Dan kami Telah meniupkan angin untuk mengawinkan (tumbuh-tumbuhan) dan kami turunkan hujan dari langit, lalu kami beri minum kamu dengan air itu, dan sekali-kali bukanlah kamu yang menyimpannya. (QS: Al Hijr, 15:22) Perkawinan pada berbagai makhluk hidup hanya dapat berlangsung pada species yang sama, sedangkan perkawinan di luar jenis pada kasus tertentu menghasilkan keturunan, namun bersifat steril seperti hasil perkawinan antara kuda dan keledai yang melahirkan bagal. Perkawinan dalam species terungkap dalam al- Qur’an sebagai berikut: 21. Dan di antara tanda-tanda kekuasaan-Nya ialah dia menciptakan untukmu isteri-isteri dari jenismu sendiri, supaya kamu cenderung dan merasa tenteram kepadanya, dan dijadikanNya diantaramu rasa kasih dan sayang. Sesungguhnya pada yang demikian itu benar-benar terdapat tanda-tanda bagi kaum yang berfikir. (QS: Al Hijr. 15:22) Dari uraian di atas menjadi jelas bahwa permasalahan genetika di dalam islam bukan sesuatu yang baru yang lahir seiring dengan penemuan Mendel, tetapi sesuatu yang telah ada di dalam Al Qur’an, jauh sebelum mendel mengeksplorasi kacang Ercis. Hanya sayangnya karena kebanyakan umat islam mengkaji ilmu pengetahuan masih dalam pola dikotomi dan terlalu mengagungkan sains empiris. Dalam pemikiran ini saya menyarankan bahwa pola pengembangan sains empiris tetap menjadi sesuatu yang penting, namun pengembangan sains secara transenden yang berbasis wahyu perlu dikembangkan dalam kerangka 8 melahirkan sains tauhidillah. Uraian lebih lanjut mengenai genetika dapat kalian pelajari pada pembahasanpembahasan di dalam bab ini. Tapi ingat! Semua itu adalah rangkaian dari ayat-ayat Allah SWT. Berikut dua ayat lainnya yang menjadi acuan penting dalam mengelaborasi masalah genetika. Kedua ayat tersebut adalah: ِ ِ ﴾٥﴿ ﻧﺴﺎ ُن ِﻣ ﱠﻢ ُﺧﻠِ َﻖ َ ﻓَـ ْﻠﻴَﻨﻈُﺮ ْاﻹ Maka hendaklah manusia memperhatikan dari apakah dia diciptakan? (al-Thariq: 5) ِ وِﰲ أَﻧ ُﻔ ِﺴ ُﻜﻢ أَﻓََﻼ ﺗُـﺒ ﴾٢١﴿ ﺼ ُﺮو َن ْ ْ َ dan (juga) pada dirimu sendiri. Maka apakah kamu tiada memperhatikan? (Al-Dzariyat: 21). Al-Qur'an mengungkap mengenai genetika dalam berbagai ayat yang jumlahnya mencapai 38 ayat, tersebar dalam 24 surat, 21 di antaranya makiyah, dan 3 lainnya madaniyah. Di antara ayat-ayat tersebut di atas menjelaskan secara totalitas tahapan reproduksi manusia mulai dari asal usul nuthfah sampai manusia lahir, dewasa hingga kembali kepada sang Khaliq. Ayat-ayat tersebut adalah: ِ ﺐ ﱢﻣﻦ اﻟْﺒـﻌ ٍ ﺚ ﻓَِﺈﻧﱠﺎ َﺧﻠَ ْﻘﻨَﺎ ُﻛﻢ ﱢﻣﻦ ﺗُـﺮ اب ﰒُﱠ ِﻣﻦ ْ َ َ ٍ ْﱠﺎس إِن ُﻛﻨﺘُ ْﻢ ِﰲ َرﻳ ُ ﻳَﺎ أَﻳـﱡ َﻬﺎ اﻟﻨ َ ٍ ٍ ٍ ْ ﻧﱡﻄْ َﻔ ٍﺔ ﰒُﱠ ِﻣﻦ ﻋﻠَ َﻘ ٍﺔ ﰒُﱠ ِﻣﻦ ﱡﻣ ﲔ ﻟَ ُﻜ ْﻢ َوﻧُِﻘﱡﺮ ِﰲ َ ْ َ ﻀﻐَﺔ ﱡﳐَﻠﱠ َﻘﺔ َو َﻏ ِْﲑ ُﳐَﻠﱠ َﻘﺔ ﻟﱢﻨُﺒَـ ﱢ ِ ِ ِ َﺷ ﱠﺪ ُﻛ ْﻢ ُ َﺟ ٍﻞ ﱡﻣ َﺴ ًّﻤﻰ ﰒُﱠ ُﳔْ ِﺮ ُﺟ ُﻜ ْﻢ ِﻃ ْﻔﻼً ﰒُﱠ ﻟﺘَْﺒـﻠُﻐُﻮا أ َ ْاﻷ َْر َﺣﺎم َﻣﺎ ﻧَ َﺸﺎء إ َﱃ أ َوِﻣﻨ ُﻜﻢ ﱠﻣﻦ ﻳـُﺘَـ َﻮ ﱠﰱ َوِﻣﻨ ُﻜﻢ ﱠﻣﻦ ﻳـَُﺮﱡد إِ َﱃ أ َْرَذ ِل اﻟْﻌُ ُﻤ ِﺮ ﻟِ َﻜْﻴ َﻼ ﻳَـ ْﻌﻠَ َﻢ ِﻣﻦ ﺑَـ ْﻌ ِﺪ ِﻋ ْﻠ ٍﻢ 9 Hai manusia, jika kamu dalam keraguan tentang kebangkitan (dari kubur), maka (ketahuilah) sesungguhnya Kami telah menjadikun kamu dari tanah, kemudian dari setetes mani, kemudian dari segumpal darah, kemudian dari segumpal daging yang sempurna kejadiannya dan yang tidak sempurna, agar Kami jelaskan kepada kamu dan Kami tetapkan dalam rahim, apa yang Kami kehendaki sampai waktu yang sudah ditentukan, kemudian Kami keluarkan kamu sebagai bayi, kemudian (dengan berangsur-angsur) kamu sampailah kepada kedewasaan, dan di antara kamu ada yang diwafatkan dan (ada pula) di antara kamu yang dipanjangkan umurnya sampai pikun, supaya dia tidak mengetahui lagi sesuatupun yang dahulunya telah diketahuinya. Dan kamu lihat bumi ini kering, kemudian apabila telah Kami turunkan air di atasnya, hiduplah bumi itu dan suburlah dan menumbuhkan berbagai macam tumbuh-tumbuhan yang indah. (al-Hajj: 5). ٍ اﻹﻧﺴﺎ َن ِﻣﻦ ُﺳ َﻼﻟٍَﺔ ﱢﻣﻦ ِﻃ ِ ﴾ ﰒُﱠ َﺟ َﻌ ْﻠﻨَﺎﻩُ ﻧُﻄْ َﻔﺔً ِﰲ ﻗَـَﺮا ٍر١٢﴿ ﲔ َ ْ َوﻟََﻘ ْﺪ َﺧﻠَ ْﻘﻨَﺎ ٍ ﱠﻣ ِﻜ َﻀﻐَﺔ ْ ﻀﻐَﺔً ﻓَ َﺨﻠَ ْﻘﻨَﺎ اﻟْ ُﻤ ْ ﴾ ﰒُﱠ َﺧﻠَ ْﻘﻨَﺎ اﻟﻨﱡﻄْ َﻔﺔَ َﻋﻠَ َﻘﺔً ﻓَ َﺨﻠَ ْﻘﻨَﺎ اﻟْ َﻌﻠَ َﻘﺔَ ُﻣ١٣﴿ ﲔ َﺣ َﺴ ُﻦ َ ِﻋﻈَﺎﻣﺎً ﻓَ َﻜ َﺴ ْﻮﻧَﺎ اﻟْﻌِﻈَ َﺎم َﳊْﻤﺎً ﰒُﱠ أ َ ًَﻧﺸﺄْﻧَﺎﻩُ َﺧ ْﻠﻘﺎ ْ آﺧَﺮ ﻓَـﺘَﺒَ َﺎرَك اﻟﻠﱠﻪُ أ ِِ ْ ِ ﴾١٥﴿ ﻚ ﻟَ َﻤﻴﱢﺘُﻮ َن َ ﴾ ﰒُﱠ إِﻧﱠ ُﻜ ْﻢ ﺑَـ ْﻌ َﺪ َذﻟ١٤﴿ ﲔ َ اﳋَﺎﻟﻘ Dan sesungguhnya Kami telah menciptakan manusia dari suatu saripati (berasal) dari tanah. Kemudian Kami jadikan saripati itu air mani (yang disimpan) dalam tempat yang kokoh (rahim). Kemudian air mani itu Kami jadikan segumpal darah, lalu segumpal darah itu Kami jadikan segumpal daging, dan segumpal daging itu Kami jadikan tulang belulang, lalu tulang belulang itu Kami bungkus dengan daging. Kemudian Kami jadikan dia makhluk yang (berbentuk) lain. Maka Maha Sucilah Allah, 10 Pencipta Yang Paling Baik Kemudian, sesudah itu, sesungguhnya kamu sekalian benar-benar akan mati. (Mukmin: 12-15). Berdasarkan elaborasi berbagai ayat di atas dapat dikemukakan bahwa al-Qur'an telah mendeskripsikan tahapan reproduksi manusia, bahwa asal mula manusia itu dari tanah, kemudian nuthfah, kemudian alaqah, kemudian mudhghah. Selanjutnya mudhghah menjadi tulang dibungkus dengan daging, setelah itu, barulah ditiupkan ruh, kemudian berada dalam rahim sampai waktu tertentu; kemudian lahir seorang bayi hingga menjadi dewasa, setelah itu ada sebagian manusia yang meninggal cepat dan sebagian lagi ada yang sampai tua bangka baru meninggal. Dalam proses pembuahan dibutuhkan nuthfah. Kata ini disebutkan al-Qur'an sebanyak 12 kali, dengan tiga konotasi yaitu: nuthfah laki-laki, nuthfah perempuan dan nuthfah amsyaj. Nuthfah laki-laki dan perempuan menggunakan term s . l A seperti yang terungkap dalam surat al-Thariq: 6 dan 7 sebagai berikut: ِ ْ ﴾ َﳜْﺮج ِﻣﻦ ﺑَـ٦﴿ ُﺧﻠِ َﻖ ِﻣﻦ ﱠﻣﺎء َداﻓِ ٍﻖ ِ ِﺐ واﻟﺘـﱠﺮاﺋ ِ ﲔ اﻟ ﱡ ﴾٧﴿ ﺐ ُُ َ َ ﺼ ْﻠ Dia diciptakan dari air yang terpancar, yang keluar dari antara tulang sulbi dan tulang dada. Ungkapan ayat di atas menginformasikan bahwa cikal bakal manusia berasal dari air yang terpencar dari sulbi dan taraib. Adapun nuthfah amsyaj adalah sperma laki-laki dan ovum perempuan yang telah bertemu dan bercampur kemudian berubah dari tahap ke tahap dan dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Setelah terjadi pembuahan antara spermatozoa dan ovum, maka ia bergantung atau menempel pada dinding rahim. Setelah berevolusi melalui tahap alaqah, embrio melewati satu tahap yaitu mudhghah. Ada dua bentuk 11 mudhghah yaitu mukhallaqah yang berarti sempurna pembentukannya dan ghair mukhallaqah yang berarti tidak mencapai kesempurnaan dan gugur. Dalam hadis Nabi yang diriwayatkan Bukhari, diungkapkan rincian masa pembentukan janin dalam rahim. ِ ِ ِ ِ ﻚ ﰒُﱠ َ ﲔ ﻳَـ ْﻮﻣﺎً ﰒُﱠ ﻳَ ُﻜﻮ ُن َﻋﻠَ َﻘﺔَ ِﻣﺜْ َﻞ َذﻟ َ ْ َﺣ َﺪ ُﻛ ْﻢ ُْﳚ َﻤ ُﻊ ﺧ ْﻠ ُﻘﻪُ ِﰲ ﺑَﻄْ ِﻦ أُﱢﻣﻪ أ َْرﺑَﻌ َ إ ﱠن أ ِ ٍ ِ ْ ﻳَ ُﻜﻮ ُن ُﻣ ُ ﻚ ﰒُﱠ ﻳَـْﺒـ َﻌ َ ﻀﻐَﺔً ِﻣﺜْ َﻞ َذﻟ ُﺚ اﷲ َﻣﻠَ َﻜﺎ ﻓَـﻴُـ ْﺆَﻣ ُﺮ ﺑِﺄ َْرﺑَ ِﻊ َﻛﻠﻤﺎَت َوﻳُﻘﺎَ ُل ﻟَﻪ َﺟﻠَﻪُ َو َﺷ ِﻘ ﱞﻲ أ َْو َﺳﻌِْﻴ ٌﺪ ﰒُﱠ ﻳـُْﻨـ َﻔ ُﺦ ﻓِ ِﻴﻪ َ ﺐ َﻋ َﻤﻠَﻪُ َوِرْزﻗَﻪُ َوأ ْ ُا ْﻛﺘ Seseorang dihimpun dari perut ibunya selama 40 hari, kemudian dibentuk menjadi alaqah selama 40 hari pula; baru menjadi mudhghah selama 40 hari. Setelah itu Allah mengutus malaikat kemudian memerintahkan agar menuliskan 4 hal. Diperintahkan kepadanya tulislah amalnya, rezkinya, ajalnya, susah atau .senangnya. Kemudian ditiupkan ruh pada janin. (HR. Bukhari). Bila hadis di atas dihubungkan dengan surat alMu'minun ayat 14 setelah pembentukan mudhghah dan sebelum ditiupkan ruh, maka proses yang dilalui adalah pembentukan tulang yang dibalut oleh otot. Setelah itu terbentuklah kepala, tangan, kaki dengan tulang sumsum dan pembuluh darah, sehingga dengan demikian sempurnalah kejadiannya dan lahirlah bayi lemah. ِ َﺷ ﱠﺪ ُﻛ ْﻢ ُ ﰒُﱠ ُﳔْ ِﺮ ُﺟ ُﻜ ْﻢ ِﻃ ْﻔﻼً ﰒُﱠ ﻟﺘَْﺒـﻠُﻐُﻮا أ Dalam hadis lain bahkan disebutkan tentang pembentukan alat kelamin janin yang ditentukan oleh Allah SWT. Bunyi hadis selengkapnya sebagai berikut: ﻋﻦ ﺣﺬﻳﻔﺔ ﺑﻦ أﺳﻴﺪ ﻳﺒﻠﻎ ﺑﻪ اﻟﻨﱯ ﺻﻠﻰ اﷲ ﻋﻠﻴﻪ وﺳﻠﻢ ﻗﺎل ﻳﺪﺧﻞ اﳌﻠﻚ ﻋﻠﻰ اﻟﻨﻄﻔﺔ ﺑﻌﺪ ﻣﺎﺗﺴﺘﻘﺮ ﰲ اﻟﺮﺣﻢ ﺑﺄرﺑﻌﲔ أوﲬﺴﺔ وأرﺑﻌﲔ ﻟﻴﻠﺔ ﻓﻴﻘﻮل 12 Dari Huzaifah bin Usaid yang sampai kepadanya dari Nabi Muhammad SAW yang berkata: "Malaikat masuk ke dalam nuthfah sesudah ia tetap di dalam rahim selama 40 atau 45 hari. Kemudian ia berkata, apakah ia akan susah atau bahagia? Malaikat menjawab Allah yang menetapkan keduanya. Dia berkata lagi: laki-laki atau perempuan? Malaikat menjawab Allah yang menentukan keduanya. Allah menetapkan amalnya, pengaruhnya, rezki dan ajalnya. Kemudian Kitah ditutup dan tidak ada lebih atau kurangnya. (HR. Muslim). 13 BAB II PERKEMBANGAN GENETIKA DAN MENDELISME Genetika (dari bahasa Yunani: genno yang berarti "melahirkan") merupakan cabang biologi yang penting saat ini. Ilmu ini mempelajari berbagai aspek yang menyangkut pewarisan sifat dan variasi sifat pada organisme maupun sub organisme (seperti virus dan prion). Ada pula yang dengan singkat mengatakan, genetika adalah ilmu tentang gen. Nama "genetika" diperkenalkan oleh William Bateson pada suatu surat pribadi kepada Adam Chadwick dan ia menggunakannya pada Konferensi Internasional tentang Genetika ke-3 pada tahun 1906. Bidang kajian genetika dimulai dari wilayah molekular hingga populasi. Secara lebih rinci, genetika berusaha menjelaskan: • material pembawa informasi untuk diwariskan (bahan genetik), • bagaimana informasi itu diekspresikan (ekspresi genetik), dan • bagaimana informasi itu dipindahkan dari satu individu ke individu yang lain (pewarisan genetik). Meskipun orang biasanya menetapkan genetika dimulai dengan ditemukannya kembali naskah artikel yang ditulis Gregor Mendel pada tahun 1900, sebetulnya kajian genetika sudah dikenal sejak masa prasejarah, seperti domestikasi dan pengembangan tehnik murni (pemuliaan) ternak dan tanaman. Orang juga sudah mengenal efek persilangan dan perkawinan sekerabat serta membuat sejumlah prosedur dan peraturan mengenai hal tersebut sejak sebelum genetika berdiri sebagai ilmu yang mandiri. 14 Silsilah tentang penyakit pada keluarga, misalnya, sudah dikaji orang sebelum itu. Kala itu, kajian semacam ini disebut "ilmu pewarisan" atau hereditas. A. AWAL MULA DAN KONSEP DASAR Awal Mula Sejumlah percobaan terdokumentasi yang terkait dengan genetika telah banyak dilakukan pada masa sebelum Mendel, yang kelak banyak membantu memberikan bukti bagi teori Mendel. Percobaan-percobaan itu misalnya adalah sebagai berikut. • Pembuatan Raphanobrassica melalui persilangan lobak dan kubis pada abad ke-17 oleh Köhlreuter, seorang pemulia sayuran berkebangsaan Jerman, untuk menghasilkan tanaman yang menghasilkan umbi dan krop kubis sekaligus, meskipun tidak berhasil. • Penemuan dan penjelasan tentang pembuahan berganda pada tumbuhan berbunga (Magnoliophyta) oleh E. Strassburger (1878) dan S. Nawaschin (1898); • Percobaan terhadap ribuan persilangan oleh Charles Darwin pada abad ke-19 yang hasilnya diterbitkan pada 1896 dengan judul The variation of animals and plants under domestication dan berhasil mengidentifikasi adanya penurunan penampilan pada generasi hasil perkawinan sekerabat (depresi inbred) dan penguatan penampilan pada hasil persilangan antar inbred (heterosis) meskipun dia tidak bisa memberikan penjelasan; • Usaha menjelaskan kemiripan antara orang tua dan anak oleh Karl Pearson melalui metode regresi (yang malah menjadi dasar dari banyak teknik statistika modern). Pada masa pra-Mendel, orang belum mengenal gen dan kromosom (meskipun DNA sudah diekstraksi namun pada abad ke-19 belum diketahui fungsinya). Saat itu orang masih beranggapan bahwa sifat diwariskan lewat sperma 15 (tetua betina tidak menyumbang apa pun terhadap sifat anaknya). Peletakan dasar ilmiah melalui percobaan sistematik baru dilakukan pada paruh akhir abad ke-19 oleh Gregor Johan Mendel. Ia adalah seorang biarawan dari Brno (Brünn dalam bahasa Jerman), Kekaisaran Austro-Hungaria (sekarang bagian dari Republik Ceko). Mendel disepakati umum sebagai 'pendiri genetika' setelah karyanya "Versuche über Pflanzenhybriden" atau Percobaan mengenai Persilangan Tanaman (dipublikasi cetak pada tahun 1866) ditemukan kembali secara terpisah oleh Hugo de Vries, Carl Correns, dan Erich von Tschermak pada tahun 1900. Dalam karyanya itu, Mendel pertama kali menemukan bahwa pewarisan sifat pada tanaman (ia menggunakan tujuh sifat pada tanaman kapri, Pisum sativum) mengikuti sejumlah nisbah matematika yang sederhana. Yang lebih penting, ia dapat menjelaskan bagaimana nisbah-nisbah ini terjadi, melalui apa yang dikenal sebagai 'Hukum Pewarisan Mendel'. Konsep Dasar Dari karya ini, orang mulai mengenal konsep gen (Mendel menyebutnya 'faktor'). Gen adalah pembawa sifat. Alel adalah ekspresi alternatif dari gen dalam kaitan dengan suatu sifat. Setiap individu disomik selalu memiliki sepasang alel, yang berkaitan dengan suatu sifat yang khas, masing-masing berasal dari tetuanya. Status dari pasangan alel ini dinamakan genotipe. Apabila suatu individu memiliki pasangan alel sama, genotipe individu itu bergenotipe homozigot, apabila pasangannya berbeda, genotipe individu yang bersangkutan dalam keadaan heterozigot. Genotipe terkait dengan dengan sifat yang teramati. Sifat yang terkait dengan suatu genotipe disebut fenotipe. 16 B. KRONOLOGI PERKEMBANGAN GENETIKA Setelah penemuan ulang karya Mendel, genetika berkembang sangat pesat. Perkembangan genetika sering kali menjadi contoh klasik mengenai penggunaan metode ilmiah dalam ilmu pengetahuan atau sains. Berikut adalah tahapan-tahapan perkembangan genetika: 1. 1859 Charles Darwin menerbitkan The Origin of Species, sebagai dasar variasi genetik. 2. 1865 Gregor Mendel menyerahkan naskah Percobaan mengenai Persilangan Tanaman; 3. 1878 E. Strassburger memberikan penjelasan mengenai pembuahan berganda; 4. 1900 Penemuan kembali hasil karya Mendel secara terpisah oleh Hugo de Vries (Belgia), Carl Correns (Jerman), dan Erich von Tschermak (Austro-Hungaria) merupakan awal genetika klasik; 5. 1903 Kromosom diketahui menjadi unit pewarisan genetik; 6. 1905 Pakar biologi Inggris William Bateson memperkenalkan istilah 'genetika'; 7. 1908 dan 1909 Peletakan dasar teori genetika populasi oleh Weinberg (dokter dari Jerman) dan secara terpisah oleh James W. Hardy (ahli matematika Inggris) merupakan awal genetika populasi; 8. 1910 Thomas Hunt Morgan menunjukkan bahwa gen-gen berada pada kromosom, menggunakan lalat buah (Drosophila melanogaster) merupakan awal sitogenetika; 9. 1913 Alfred Sturtevant membuat peta genetik pertama dari suatu kromosom; 10. 1918 Ronald Fisher (ahli biostatistika dari Inggris) menerbitkan On the correlation between relatives on the supposition of Mendelian inheritance (secara bebas berarti "Keterkaitan antar kerabat berdasarkan pewarisan Mendel"), yang mengakhiri perseteruan antara teori 17 biometri (Pearson dkk.) dan teori Mendel sekaligus mengawali sintesis keduanya ini merupakan awal genetika kuantitatif; 11. 1927 Perubahan fisik pada gen disebut mutasi; 12. 1928 Frederick Griffith menemukan suatu molekul 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. pembawa sifat yang dapat dipindahkan antar bakteri (konjugasi); 1931 Pindah silang menyebabkan terjadinya rekombinasi; 1941 Edward Lawrie Tatum and George Wells Beadle menunjukkan bahwa gen-gen menyandi protein, merupakan awal dogma pokok genetika; 1944 Oswald Theodore Avery, Colin McLeod and Maclyn McCarty mengisolasi DNA sebagai bahan genetik (mereka menyebutnya prinsip transformasi); 1950 Erwin Chargaff menunjukkan adanya aturan umum yang berlaku untuk empat nukleotida pada asam nukleat, misalnya adenin cenderung sama banyak dengan timin; 1950 Barbara McClintock menemukan transposon pada jagung; 1952 Hershey dan Chase membuktikan kalau informasi genetik bakteriofag (dan semua organisme lain) adalah DNA; 1953 Teka-teki struktur DNA dijawab oleh James D. Watson dan Francis Crick berupa pilin ganda (double helix), berdasarkan gambar-gambar difraksi sinar X DNA dari Rosalind Franklin merupakan awal genetika molekular; 1956 Jo Hin Tjio dan Albert Levan memastikan bahwa kromosom manusia berjumlah 46; 1958 Eksperimen Meselson-Stahl menunjukkan bahwa DNA digandakan (direplikasi) secara semikonservatif; 1961 Kode genetik tersusun secara triplet; 18 23. 1964 Howard Temin menunjukkan dengan virus RNA bahwa dogma pokok dari tidak selalu berlaku; 24. 1970 Enzim restriksi ditemukan pada bakteri Haemophilus influenzae, memungkinan dilakukannya pemotongan dan penyambungan DNA oleh peneliti (lihat juga RFLP) merupakan awal bioteknologi modern; 25. 1977 Sekuensing DNA pertama kali oleh Fred Sanger, Walter Gilbert, dan Allan Maxam yang bekerja secara terpisah. Tim Sanger berhasil melakukan sekuensing seluruh genom Bacteriofag Φ-X174;, suatu virus merupakan awal genomika; 26. 1983 Perbanyakan (amplifikasi) DNA dapat dilakukan dengan mudah setelah Kary Banks Mullis menemukan Reaksi Berantai Polymerase (PCR); 27. 1985 Alec Jeffreys menemukan teknik sidik jari genetik. 28. 1989 Sekuensing pertama kali terhadap gen manusia 29. 30. 31. 32. 33. 34. pengkode protein CFTR penyebab cystic fibrosis; 1989 Peletakan landasan statistika yang kuat bagi analisis lokus sifat kuantitatif (analisis QTL) ; 1995 Sekuensing genom Haemophilus influenzae, yang menjadi sekuensing genom pertama terhadap organisme yang hidup bebas; 1996 Sekuensing pertama terhadap eukariota: khamir Saccharomyces cereviceae; 1998 Hasil sekuensing pertama terhadap eukariota multiselular, nematoda Caenorhabditis elegans, diumumkan; 2001 Draf awal urutan genom manusia dirilis bersamaan dengan mulainya Human Genome Project; 2003 Proyek Genom Manusia (Human Genome Project) menyelesaikan 99% pekerjaannya pada tanggal (14 April) dengan akurasi 99.99% 19 CABANG-CABANG GENETIKA Genetika berkembang baik sebagai ilmu murni maupun ilmu terapan. Cabang-cabang ilmu ini terbentuk terutama sebagai akibat pendalaman terhadap suatu aspek tertentu dari objek kajiannya. Cabang-cabang murni genetika: • genetika molekular • genetika sel (sitogenetika) • genetika populasi • genetika kuantitatif • genetika perkembangan Cabang-cabang terapan genetika: • genetika kedokteran • ilmu pemuliaan • rekayasa genetika atau rekayasa gen Bioteknologi merupakan ilmu terapan yang tidak secara langsung merupakan cabang genetika tetapi sangat terkait dengan perkembangan di bidang genetika. Genetika Arah-balik (reverse genetics) Kajian genetika klasik dimulai dari gejala fenotipe (yang tampak oleh pengamatan manusia) lalu dicarikan penjelasan genotipiknya hingga ke aras gen. Berkembangnya teknik-teknik dalam genetika molekular secara cepat dan efisien memunculkan filosofi baru dalam metodologi genetika, dengan membalik arah kajian. Karena banyak gen yang sudah diidentifikasi sekuensnya, orang memasukkan atau mengubah suatu gen dalam kromosom lalu melihat implikasi fenotipik yang terjadi. Teknik-teknik analisis yang menggunakan filosofi ini dikelompokkan dalam kajian genetika arah-balik atau reverse genetics, sementara teknik kajian genetika klasik dijuluki genetika arah-maju atau forward genetics. 20 C. MENDELISME Perkembangan Pemikiran tentang Faktor Keturunan Sebelum Mendel Sebelum Mendel melakukan percobaan penyilangan pada tanaman kapri (Pisum sativum) para ahli telah mempunyai pemikiran tentang adanya kehidupan yang berkesinambungan, yang membawa faktor keturunan dari generasi ke generasi. Tetapi mereka tidak melakukan percobaan seperti yang dilakukan oleh Mendel dan disamping itu peralatan ilmiah yang dapat dipakai untuk membuktikan pemikiran mereka belum ada. Sebelum abad ke-17, orang percaya bahwa kehidupan itu muncul secara spontan. Pendapat ini yang dikenal dengan generation spontanea ini dibantah oleh Francesco Redi (1621-1697), Lazzaro Spallanzani (1729-1799), dan Louis Pasteur (1822-1895), yang menganggap bahwa organisme hidup berasal dari organisme yang hidup sebelumnya. Pendapat lainnya, yang disebut ovisma, menganggap bahwa sel telur mempunyai yang terdapat organisme betina mempunyai peranan penting sebagai pembawa faktor keturunan yang akan diteruskan ke generasi berikutnya. Dalam hal ini, organisme jantan menghasilkan cairan yang fungsinya untuk menggiatkan perkembangan sel telur. Setelah ditemukan mikroskop, di dalam cairan yang dihasilkan oleh individu jantan terlihat adanya hewan-hewan kecil, yang disebut dengan animalkulus dan kini disebut dengan spermatozoa. Di dalam spermatozoa ini terdapat faktor keturunan, sedangkan sel telur merupakan tempat perkembangan. Pendapat ini disebut animalkulisma. Teori preformasi mengemukakan bahwa melalui mikroskop yang masih sangat sederhana, nampak adanya 21 makhluk hidup yang berbentuk seperti manusia kecil yang disebut dengan humunculus di dalam spermatozoa, dan peneliti lainnya juga melihat hal yang serupa pada sel telur. Dengan demikian, teori preformasi beranggapan bahwa calon manusia sudah terdapat sebelumnya di dalam gametgamet. Teori preformasi ditolak oleh Casper Wolff (17331794). Ia lebih mempercayai teori epigenesis yang menyebutkan bahwa organisme berasal dari bahan yang terdapat di dalam sel telur, yang setelah dibuahi oleh spermatozoa, akan mengadakan diferensiasi menjadi struktur dewasa, selama perkembangan embrio. Charles Darwin (1809-1882), yang terkenal karena teori evolusinya, mengemukakan teori pangenesis, yang mengatakan bahwa di dalam sel kelamin terdapat tunastunas, yang kemudian akan tumbuh menjadi makhluk baru setelah sel telur dibuahi oleh spermatozoa. August Weismann (1834-1914), yang mengemukakan teori plasma benih, mengatakan bahwa gamet itu dibentuk oleh jaringan khusus, bukan oleh jaringan tubuh. Sehingga, kerusakan pada salah satu jaringan tubuh tidak akan mempengaruhi gamet, dan tidak akan diwariskan pada keturunannya. 22 Gregor Mendel (1822-1884), rahib Austria yang karena percobaannya yang menggunakan tanaman ercis telah meletakkan dasar untuk ilmu Genetika (Dikutip dari Wikipedia, 2007). Kurang lebih tujuh tahun lamanya Mendel melakukan pengamatan secara teliti, maka pada tahun 1865 ia membawakan hasil percobaannya pada pertemuan ilmiah yang diselenggarakan oleh Perhimpunan pengetahuan Alam di Brunn. Pada tahun 1866 karya ilmiah Mendel itu dicetak oleh perhimpunan tersebut, yang kemudian disebarkan lebih luas ke berbagai perpustakaan di Eropa dan Amerika. Akan tetapi para ahli mendengar dan membaca karya ilmiah tersebut, tidak ada seorangpun di antara mereka pada abad ke-19 itu yang dapat menghargai dan menganggap penting hasil percobaan Mendel. Baru kira-kira 40 tahun kemudian, yaitu pada permulaan abad ke-20, publikasi Mendel itu diakui kebenarannya oleh para biologiwan De Vries (Belanda, 1900), Correns (Jerman, 1900) dan Tschermak (Austria, 1900), yang bekerja sendirisendiri di negaranya masing-masing. Sejak itulah Mendel dinyatakan sebagai Bapak Genetika. Konsep Gen dan Teori Kromosom Konsep tentang gen sebenarnya telah digambarkan secara implisit oleh Mendel sebagai faktor dasar yang berperanan dalam perkembangan sifat. Ia sendiri belum mengetahui bentuk maupun susunan faktor keturunan tersebut dan hanya menyebutnya sebagai faktor penentu. Istilah gen dipakai oleh W. L. Johannsen (1857-1927), yang berasal dari suku kata terakhir pangen, istilah yang dikemukakan oleh Darwin. William Bateson (1861-1926) menggunakan istilah alel untuk pasangan gen seperti yang digambarkan oleh Mendel. Penelitian-penelitian yang dilakukan oleh Lucien Cuenot (Perancis), tentang peranan 23 gen terhadap warna bulu pada tikus; W. E. Castle (Amerika), tentang peranan gen terhadap jenis kelamin, warna bulu pada mamalia; dan Johannsen (Denmark) yang mempelajari tentang pengaruh pewarisan dan lingkungan pada tanaman, menguatkan konsep tentang gen sebagai pembawa faktor keturunan. Wilhem Roux (1883) mempunyai dugaan yang kuat bahwa kromosom di dalam inti sel adalah pembawa faktor keturunan. Mekanisme pemindahan gen dari sel ke sel digambarkan sebagai adanya struktur yang tidak terlihat dalam bentuk deretan atau rantai, yang mengadakan duplikasi pada saat pembelahan sel. Pendapat ini didukung oleh T. Boveri (1862-1915) dan W. S. Sutton (1902), yang membuktikan bahwa gen adalah bagian dari kromosom. Genetika Mendel Gregor Mendel (1822-1884), orang Austria, pantas dinyatakan sebagai “Bapak Genetika”, karena ia adalah orang yang pertama kali melakukan percobaan perkawinan silang, yang dilakukan pada beberapa jenis tanaman kapri (Pisum sativum), untuk mempelajari perbedaan sifat satu dengan lainnya. Percobaan ini dilakukan selama 7 tahun. Mendel memilih tanaman kapri dalam percobaannya, karena tanaman ini mempunyai umur yang pendek, mudah tumbuh, dapat disilangkan secara buatan dan mempunyai sifat-sifat dengan perbedaan karakter yang kontras. Lebih jelasnya Mendel memilih tanaman ercis untuk percobaannya karena; • Tanaman ini hidupnya tidak lama (merupakan tanaman setahun), mudah tumbuh dan mudah disilangkan. • Memiliki bunga sempurna, artinya pada bunga itu terdapat benang sari (alat jantan) dan putik (alat betina), sehingga biasanya terjadi penyerbukan sendiri. Perkawinan silang dapat berlangsung asal dengan 24 pertolongan orang. Penyerbukan sendiri yang berlangsung beberapa generasi terus-menerus akan menghasilkan galur murni, yaitu keturunan yang selalu memiliki sifat keturunan yang selalu memiliki sifat keturunan yang sama dengan induknya. • Tanaman ini memiliki tujuh sifat dengan perbedaan yang menyolok, seperti batang tinggi lawan kerdil, buah polongan berwarna hijau lawan kuning, bunga berwarna ungu lawan putih, bunganya terletak aksilar (sepanjang batang) lawan terminal (pada ujung batang), biji yang masak berwarna hijau lawan kuning, permukaan biji licin lawan berkerut, warna kulit biji abu-abu lawan putih. Pemisahan (separasi) kromosom-kromosom homolog sewaktu meiosis melalui pembelahan reduksi pada hakekatnya merupakan dasar fisik bagi hukum segregasi Mendel. Alela-alela atau gen-gen yang menentukan sifat tertentu, berada berpasangan karena alela-alela ini berlokasi pada sepasang kromosom homolog pada lokus (tempat) yang sama. Karena homolog-homolog itu selalu berpisahan kedalam berbagai sel benih pada waktu meoisis, maka alelaalela itu harus juga berpisahan satu dengan yang lain. Perlu disertakan dalam definisi kita mengenai alela-alela, fakta bahwa alela-alela itu berada pada kromosom homolog, karena kita tahu sekarang bahwa banyak sifat ditentukan oleh lebih dari satu pasang gen yang sering berlokasi pada kromosom-kromosom non homolog. Sekarang mudah untuk dimengerti mengapa hanya ada dua alela yang bisa terdapat dalam suatu individual pada satu lokus, sekali pun dalam sistem alela jamak (multiple). Kromosom homolog dalam organisme-organisme yang bereproduksi secara seksual hanya bisa berada dalam pasangan, yang satu diwariskan dari induknya dan yang lain dari bapaknya. 25 Sifat-sifat tanaman yang dipergunakan Mendel dalam percobaannya adalah: tinggi tanaman (tinggi dan pendek), warna bunga (ungu dan putih), letak bunga (di sepanjang batang dan di ujung batang), warna buah polong (hijau dan kuning), bentuk polong (menggelembung dan pipih), warna kulit biji (kuning dan hijau) dan bentuk biji (bulat dan berkerut). Simbol dan Terminologi Sebelum membahas konsep-konsep genetika diperlukan pengetahuan dasar tentang simbol dan termonologi yaitu: 1. Gen, nukleotida tertentu dengan panjang tertentu yang mengkode satu protein yang menentukan sifat. 2. Kromosom, hasil kondensasi dari kromatin yang terdiri atas lengan dan sentromer. 3. Hibrid, hasil perkawinan 2 individu yang mempunyai sifat beda (monohibrid = 1 sifat beda, dihibrid = 2 sifat beda) 4. Gamet, sel kelamin hasil pembelahan reduksi dengan kualitas kromosom haploid. Gamet atau sel kelamin ini mempunyai separuh dari jumlah kromosom yang terdapat di dalam sel somatik, sehingga disebut bersifat haploid (n kromosom). 5. Fenotip, sifat keturunan pada individu yang dapat diamati (warna, bentuk dsb). 6. Genotip, susunan genetik yang tidak nampak dan dinyatakan dengan simbol (AA, Ab). 7. Homozigot, individu yang genotipnya tersusun dari gengen semacam (aa, BB). 8. Heterozigot, individu yang genotipnya tersusun dari gen-gen yang berlainan tetapi sejenis (Aa). 9. Dominan, sifat yang mengalahkan/ menutupi sifat lain. 10. Resesif, sifat yang dikalahkan/ ditutupi sifat lain. 26 11. 12. 13. 14. Intermedier, sifat diantara kedua tanaman induk. Parental (P), induk (orang tua). Filial (F), keturunan (F1, F2 dst.). Alel, anggota dari sepasang gen, yang biasanya memberi pengaruh berlawanan 15. Misalnya: T = tinggi t = pendek (T & t = alel), • ..… B = bulat b berkerut (B & b = alel, T dan B bukan alel 16. ♀ betina/perempuan ♂ , jantan/ laki-laki 17. Diagram silsilah, O = perempuan = laki-laki O = garis penghubung, berarti ada perkawinan 18. O= = dua garis penghubung menunjukkan ada perkawinan keluarga (inbreeding) O O = kembar dua telur (dizigot) O O = kembar satu telur (monozigot) D. HUKUM MENDEL I (SEGREGASI/PEMISAHAN ALEL SECARA BEBAS) Percobaan persilangan yang dilakukan Mendel sangat sederhana, yaitu menggunakan tanaman kapri dengan 1 sifat beda. Persilangan ini disebut dengan persilangan monohibrid. Tanaman keturunan generasi pertama (filial 1 atau F1), mempunyai sifat yang seragam menyerupai salah satu induknya. Kemudian tanamantanaman F1 tersebut disilangkan satu dengan lainnya (F1 x F1). Pada keturunan generasi ke dua (F2), kedua sifat induk muncul kembali. Mendel beranggapan bahwa sifat yang tidak muncul pada tanaman F1 itu sebenarnya ada di dalam tanaman tersebut, tetapi tidak terekspresikan atau tidak nampak, sehingga ia kemudian menarik kesimpulan bahwa sifat 27 tertentu dapat menutup sifat lainnya. Sifat ini disebut sifat dominan. Sifat yang tertutup oleh sifat dominan tersebut disebut dengan sifat resesif. Hasil percobaan Mendel dapat dilihat pada tabel di bawah. Karakter Biji Polong Bunga Tinggi tanaman Sifat Keturunan yang berlawanan - bulat/ berkerut Hasil persilangan F1 Semua bulat - kuning/hijau Semua kuning - Penuh/pipih - Hijau/kuning Semua penuh Semua kuning - Aksial/terminal Semua aksial - Ungu/putih Semua ungu - Tinggi/pendek Semua tinggi 28 Hasil Persilangan F2 5474 bulat 1850 berkerut 6022 kuning 2001 hijau 882 penuh 299 pipih 428 hijau 152 kuning 651 aksial 207 terminal 705 violet 224 putih 787 tinggi 277 pendek Rasio F2 2,96 : 1 3,01 : 1 2,95 : 1 2,82 : 1 3,14 : 1 3,15 : 1 2,84 : 1 Tujuh karakter dari obs ervasi Mendel pada kapri. Sifat-sifat pada kolom sebelah kiri adalah dominan (Tamarin, 1999). a. Perkawinan Monohibrid (pewarisan sifat gen tunggal) 1) Perkawinan pertama (biasa). a) Tanaman ercis (Pisum sativum) T = gen untuk batang tinggi (1,5 m) t = gen untuk batang pendek (0,5 m) P ♀ tt x ♂TT (pendek) (tinggi) Gamet: t T 29 F1 Tt (tinggi) F1 x F1 : ♀ Tt x ♂ Tt (tinggi) (tinggi) F2 ♂ T t TT (tinggi) Tt (tinggi) Tt (tinggi) tt (pendek) ♀ T t Genotip Fenotip TT Tt Tt Tinggi Tinggi Pendek Frekuensi Genotip 1 2 1 30 Ratio Fenotip 3 1 Contoh persilangan monohibrid Karakter-karakter genetik diatur oleh unit faktor yang berpasangan yang terdapat di dalam tiap individu. Individu diploid menerima satu faktor dari masing-masing orang tua. Karena unit faktor itu berpasangan, maka ada tiga kemungkinan kombinasi pasangan, yaitu keduanya sifat dominan, keduanya sifat resesif atau satu dominan dan satu resesif. Setiap individu yang diploid memiliki salah satu dari kemungkinan kombinasi tersebut. Selama pembentukan gamet, pasangan unit faktor akan memisah, atau mengalami segregasi dan akan 31 diteruskan ke gamet-gamet secara bebas yang kemudian akan diteruskan ke keturunannya. b) Pada manusia Pada manusia ditemukan kelainan mempunyai jari lebih, yang diwariskan oleh gen autosomal dominan P. PP atau Pp = polidaktili (jari lebih) pp = jari normal P ♀ pp x (normal) Gamet: ♂Pp (polidaktili) p F1 P Pp (polidaktili) pp (normal) Diabetes - Disebabkan pancreas tidak dapat menghasilkan insulin sehingga kadar gula arah naik ditentukan oleh gen resesif d. P Gamet: F1 ♀ Dd (normal) x D,d ♂Dd (normal) D, d DD normal (1) Dd normal (2) dd diabetes (1) 2) Perkawinan Resiprok Perkawinan kebalikan dari perkawinan pertama. 32 P ♀ HH (hijau) F1 x ♂hh (kuning) Resiprok ♀ hh x (kuning) ♂HH (hijau) Hh (hijau) Hh (hijau) F2 : ♂ H h HH (hijau) Hh (hijau) Hh (hijau) Hh (kuning) ♀ H h Kesimpulan: Perkawinan resiprok menghasilkan keturunan yang sama (ada perkecualian !) 3) Uji Silang (Test – Cross) dan Persilangan Balik (Back –Cross) a) Perkawinan balik (Back-cross) Perkawinan antara individu F1 dengan induk jantan/betina. Untuk mengetahui genotip dari induk (heterozigot atau homozigot). P F1 ♀ BB (hitam) x ♂bb (putih) Backcross ♀ Bb x (hitam) BB (hitam, 1) Bb (hitam, 1) Bb (hitam) 33 ♂BB (hitam) Kesimpulan: Induk mempunyai genotip BB. Kalau induk mempunyai genotip Bb akan menghasilkan keturunan sbb: ♀ Bb x ♂Bb (hitam) (hitam) BB (hitam,1) Bb (hitam, 2) .....................bb (putih,1) b) Uji silang (Testcross) Perkawinan antara individu F1 dengan individu homozigot resesif. Untuk mengetahui genotip dari individu / F1, homozigot atau heterozigot. P F1 ♀ BB (hitam) x ♂bb (putih) Bb (hitam) Uji silang/ testcross (F1 x homozigot resesif) ♀ Bb x ♂bb (hitam) (putih) F2 Bb (hitam, 1) bb (putih, 1) Kesimpulan Hukum Mendel I: a. Ada unit penentu sifat yang menyebabkan masingmasing warna putih dan ungu, unit penentu sifat oleh Johansen disebut gen. 34 b. Semua F1 berbunga ungu, akan tetapi setelah dilakukan perkawinan sendiri dikalangan F1 maka diperoleh kembali warna putih. Hal ini membuktikan, bahwa gen penyebab putih terdapat pula pada F1 bersama-sama dengan gen penyebab ungu, tetapi gen putih tidak terekspresi menjadi fenotip. c. Dari poin b diatas ini ditarik lagi kesimpulan, bahwa: 1. Jika pada umum F1 terdapat dua gen (satu gen penentu ungu dan satu gen penentu putih. Kini kita sebut sepasang gen alel), maka tentu semua fenotip pada P, F1 dan F2 ditentukan oleh sepasang gen alel. 2. Bertentangan dengan dugaan sebelum Mendel bahwa gen dari induk jantan dan induk betina melebur menjadi satu (blending) pada F1, Mendel berkesimpulan bahwa gen putih dan gen ungu tidak melebur pada F1, sebab warna bunga F1 tetap ungu sama dengan induk betina (jika gen-gen melebur, seharusnya warna bunga F1 adalah antara ungu dan putih, yakni ungu muda). Lebih lanjut pada F2 diperoleh kembali warna putih. Mana mungkin gen penentu putih diwariskan ke F2 jika gen ini sudah melebur menjadi satu dengan gen penentu ungu di F1. Jika masing-masing gen tetap terpisah pada F1 sehingga memungkinkan adanya ungu dan putih di F2. d. Dari point c.2 di atas ini ditarik pula kesimpulan bahwa kedua gen pada F1 memisah (dapat memisah karena tidak melebur) pada pmbentukan gamet (sel kelamin). Lahirlah Hukum Segregasi dari Mendel (segregasi artinya memisah). Oleh karena itu pula maka jika bakal sel kelamin adalah diploid (2n), maka pada sel kelamin menjadi haploid (n). e. Pembuahan gamet jantan dan gamet betina dari F1 yang menghasilkan F2, terjadi secara acak (random), artinya 35 setiap gamet jantan mempunyai kemungkinan yang sama membuahi suatu gamet betina. Oleh karena itu rasio fenotip F2 memungkinkan perolehan 3 : 1. f. Pada F1 semua berbunga ungu, meskipun pada tanaman ini mengandung gen ungu dan gen putih. Gen penentu putih ternyata pasif atau tidak berpartisipasi dalam pembentukan warna ungu, jika berada bersama-sama dengan gen penentu ungu. Gen penentu ungu-lah yang aktif berfungsi menentukan warna. Mendel menyebut gen penentu ungu dominan dan gen penentu putih resesif. Gen resesif putih baru dapat mengekspresikan dirinya (menyebabkan fenotip warna putih) jika tidak bersama-sama dengan gen dominan ungu. Adanya dominasi dan segregasi menyebabkan semua F1 berwarna ungu dan F2 memperlihatkan rasio fenotip 3 : 1. E. HUKUM MENDEL II (PENGELOMPOKAN ALEL SECARA BEBAS) Dasar fisik bagi hukum pilihan acak dapat mudah dimengerti jika kita menempatkan gen-gen pada 2 pasang kromosom dalam sel yang sedang menjalani meiosis. Andaikan kita sedang menentukan tingginya batang dan warna polong. Tahap meiosis yang penting bagi suatu pengertian tentang pilihan acak adalah metafase I. Dalam sel-sel suatu dihibrida, kedua pasang kromosom itu bisa tersusun dalam 2 cara yang berbeda, di mana masing-masing akan tampil dengan frekuensi yang sama di antara sel-sel benih yang mengalami pematangan. Jadi T dan G bisa berada pada satu pihak (belahan) dari ekuator dalam sebuah sel, dan t dan g pada pihak lain, atau kombinasinya bisa T dan g pada pihak satu dan t dan G pada pihak lain. Dengan selesainya meiosis, sebab itu, dihibrida memproduksi 4 gamet yang 36 genetis berbeda dalam jumlah yang sama, yaitu TG, Tg, tG, dan tg, suatu pilihan acak lengkap dari gen-gen. Suatu trihibrida, ialah suatu hibrida individual bagi 3 pasang gen, akan mempunyai 8 kombinasi gen sebagai hasil dari keempat penempatan secara acak pada waktu metafase I. Dengan pengetahuan proses meiotik, maka kita dimungkinkan untuk merapatkan (menyimpulkan) bahwa bagi hibrida dengan n-pasang gen maka dimungkinkan adanya kombinasi-kombinasi gen dalam gamet sebanyak 2n. Manusia memiliki 23 pasang kromosom, setiap pasang disangka mengandung ratusan, kalau tidak dapat disebut ribuan, pasang gen. Jika seseorang adalah heterozigot bagi hanya satu pasang gen saja pada setiap pasang kromosom, maka kombinasi genetis yang bisa ada dalam gamet-gamet adalah 2²³, atau lebih dari 8 juta. Sebab itu tidak mengherankan bahwa kecuali kembar dua identik, kembar 37 tiga identik, dan seterusnya tidak ada 2 orang yang genetis sama. Hal penting yang akan dikemukakan di sini ialah semua orang harus mempunyai lokus-lokus yang menentukan sifat-sifat yang menggolongkan kita sebagai anggota-anggota spesies kita : lokus bagi berdiri tegak, tangan-tangan untuk memegang, dan sebagainya. Namun demikian, setiap dari kita adalah unik, disebabkan kombinasi yang berbeda-beda dari berbagai alela yang diwariskan dari orang tua kita. Hasil eksperimen Mendel yang kedua adalah sebagai berikut: P. : Biji semua warna hijau (betina) X Biji kisut berwarna kuning (Jantan) F1 : Semua bulat kuning rasio F2 : (hasil perkawinan sendiri di F1) : 315 bulat, kuning : 9 108 bulat, hijau : 3 101 kisut, kuning : 3 32 kisut, hijau :1 Kesimpulan Hukum Mendel II : Bulat : kisut = (315 + 108) : (101 + 32 ) = 423 : 133 =3:1 Kuning : hijau = (315 +101) : (108 + 32) = 416 : 140 =3:1 Dari hasil pembastaran dihibrida ini Mendel kemudian mengambil kesimpulan, bahwa untuk masingmasing sifat tetap diwariskan menurut pola monohibrida dan antara kedua sifat tersebut tidak ada saling pengaruh, yakni segregasi gen-gen dalam pembentukan gamet dan 38 kombinasi gen-gen pada pembuahan terjadi secara acak (random). Dari segi matematika (probabilitas) 9 : 3 : 3 : 1 adalah hasil kombinasi acak (random) dari 2 rasio 3 : 1 yang bebas (independent). Dua rasio yang bebas jika dikombinasikan, maka diperoleh rasio baru dengan cara membuat perkalian antara rasio yang satu dengan rasio kedua. Jadi contoh perkawinan di atas diperoleh perbandingan fenotip di F2 adalah sebagai berikut : (3 bulat : 1 kisut) X (3 kuning : 1 hijau) = (3 x 3) bulat, kuning : (3 x 1) bulat, hijau : (1 x 3) kisut, kuning : (1 x 1) kisut, hijau = 9 : 3 : 3 : 1 3) Perkawinan Dihibrid Perbandingan F2 pada dihibrid = 9 : 3 : 3 : 1 Pada ercis (Pisum sativum) T = batang tinggi t = batang pendek P ♀ TTUU x (tinggi, ungu) Gamet: F1 T,U TU Tu t,u TtUu (tinggi, ungu) ♂ ♀ U = bunga ungu u = bunga putih ♂ttuu (pendek, putih) TU TTUU (tinggi, ungu) TTUu (tinggi, ungu) Tu TTUu (tinggi, ungu) TTuu (tinggi, putih) 39 tU TtUU (tinggi, ungu) TtUu (tinggi, ungu) tu TtUu (tinggi, ungu) Ttuu (tinggi, putih) tU Tu T-U T-uu TtUU (tinggi, ungu) TtUu (tinggi, ungu) F2: tinggi, ungu (9) tinggi, putih (3) TtUu (tinggi, ungu) Ttuu (tinggi, putih) ttUttuu ttUU (pendek, ungu) ttUu (pendek, ungu) ttUu (pendek, ungu) Ttuu (pendek, putih) pendek, ungu (3) pendek, putih (1) Banyak individu yang bersifat homozigot dalam perkawinan hibrid dan banyak individu yang persis sama dengan hibridnya dalam keturunan (dalam contoh TtUu) Rumus 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Jumlah macam gamet yang dibentuk oleh suatu hybrid Jumlah fenotip dalam F2 Jumlah individu yang genotip dan fenotipnya persis hibridnya Jumlah individu yang homozigot Kombinasi baru yang homozigotik Kombinasi dalam keturunan dari persilangan 2 hibrid Jumlah individu homozigotik dalam keturunan dari perkawinan 2 hibrid Jumlah macam genotip dalam F2 2n 2n 2n 2n 2n – 2 (2n)2 2n (2n)2 3n Macam gamet, dan n menunjukkan jumlah pasangan atau banyaknya sifat beda. 40 Uji Silang (Test Cross) T t P = batang tinggi = batang pendek ♀ TTRR R = bunga merah r = bunga putih Uji silang/ test cross (F1 x homozigot resesif) ♀ TtRr x ♂ ttrr x ♂ ttrr (tinggi, merah) (pendek, (tinggi, merah) (pendek, putih) putih) F2 tinggi, merah (1) F1 : TtRr Ttrr tinggi, putih (1) (tinggi, merah) ttRr pendek, merah (1) ttrr pendek, putih (1) Kesimpulan : Monohibrid (Aa x aa) =1:1 : Dihibrid (AaBb x aabb) = 1 : 1: 1 : 1 : Tetrahibrid (AaBbCcDd x aabbccdd) = ? 4) Perkawinan Trihibrid Perkawinan trihibrid adalah perkawinan dengan memperhatikan 3 sifat beda. Misalnya, pada tanaman kapri: T = gen untuk tanaman tinggi t = gen untuk tanaman pendek K = gen untuk warna kuning pada biji k = gen untuk warna hijau pada biji U = gen untuk warna bunga ungu u = gen untuk warna bunga putih 41 P: ♀ TTKKUU x (tinggi, buah kuning, Bunga ungu) ♂ ttkkuu (pendek, buah hijau, bunga putih) Gamet: T, K,U t, k, u F1 : TtKkUu tinggi, buah kuning, bunga ungu Induk dari tanaman trihibrid F1 masing-masing akan membentuk 23 gamet, yaitu 8 gamet. Gamet-gamet tersebut adalah TKU, TKu, tKU, Tku, tKu, tkU dan tku. Penyerbukan sendiri dari tanaman trihibrid F1 akan menghasilkan tanaman F2 dengan (2n)2 = (23)2 = 64 kombinasi. Perbandingan kombinasi genotip dapat dicari dengan bantuan segitiga pascal. 1 1 untuk perkawinan monohybrid 1 2 1 untuk perkawinan dihibrid 1 3 3 1 untuk perkawinan trihibrid 1 4 6 4 1 untuk perkawinan tetrahibrid Angka tetap Angka yang menunjukkan banyaknya gen dominan 3 x 32 3 x 31 1 x 30 1 x 33 Angka sesuai dengan hukum segitiga pascal c. Di luar Genetika Mendel a. Dominansi Sebagian 1) Semidominansi (intermedier) pada Monohibrid Pada tanaman bunga pukul empat (Mirabilis jalapa) 42 P : Gamet: F1 : ♀ rr (putih) x ♂RR (merah) r R Rr (merah mudah) F1 x F1 : ♀ Rr x (merah mudah) ♂Rr (merah mudah) F2 : ♂ R r RR (merah) Rr (merah muda) Rr (merah muda) rr (putih) ♀ R R RR, merah Rr, merah muda =1:2:1 rr, putih (1) (2) merah : merah muda : putih (1) 43 Pewarisan warna bunga pada tanaman pukul empat. Contoh dari dominansi tidak lengkap (Tamarin, 1999). 2) Intermedier dalam Dihibrid Contoh : LL = daun lebar ll = daun sempit MM = bunga merah mm = bunga putih P : F1 : ♀ LLMM (lebar, merah) L1 = daun sedang Mm = bunga merah muda x ♂11 mm (sempit, putih) L1 M m (daun sedang, merah muda) 44 F2 : ♂ LM Lm 1M 1m LM LLMM (lebar, merah) Lm LLMm (lebar, m. muda) LlMM (sdg, merah) LLMm (lebar, m. muda) LLmm (lebar, putih) LiMm (sdg, m. muda) L1mm (sdg, putih) L1MM (sdg, merah) L1Mn (sdg, m.muda) 11MM (spt, merah) 11Mm (spt, m. muda) L1Mm (sdg, m. muda) L1mm (sdg, putih) 11Mm (spt, m. muda) 11mm (spt, putih) ♀ 1M 1m L1Mm (sdg, m. muda) Kesimpulan: Lebar, merah (LLMM) : 1 Sempit (11MM) :1 Lebar, m. muda (LLMm) : 2 Sempit, merah muda (11Mm) :2 Lebar, putih (LLmm) : 1 Sempit, putih (11Mm) : 1 Sedang, merah (L1MM) : 2 Sedang, m. muda(L1Mm) : 4 Sedang, putih (L1mm) :2 b. Kodominan Pasangan alel dari heterozigot sama kuatnya dalam fenotip, misalnya pada golongan darah ABO. Alel I = bersifat resesif terhadap IA dan IB Alel lA dan IB = bersifat kodominan 45 Fenotip Golongan darah O Golongan darah A Golongan darah B Golongan darah AB Contoh: P : Gamet : F1 : c. Genotip Io Io IA IA / IA Io IB IB / IB Io IA IB ♀ IA Io x ♂ IB Io IB, Io IA IB = golongan darah AB (1) IA Io = golongan darah A (1) IB Io = golongan darah B (1) Io Io = golongan darah O (1) Gen Letal Gen yang dalam keadaan homozigot dominan atau resesif dapat menyebabkan kematian (letal) 1) Gen Letal Dominan Pada ayam: C = bersifat letal/ kematian c =mengatur pertumbuhan tulang normal Ayam Cc, dapat hidup, tetapi tidak normal (penyakit archondoplasia atau penyakit redep) P : Gamet : ♀ Cc (redep) x ♂ Cc (redep) C,c C,c 46 F1 : (1) CC mati (2) Cc redep (1) cc normal redep : normal = 2:1 2) Gen Letal Resesif Pada jagung : GG = dapat membentuk klorofil daun secara normal (daun hijau) Gg = daun hijau kekuningan gg = klorofil tidak terbentuk (tanaman mati, sejak tanaman masih kecambah) P : ♀ Gg x ♂ Gg (h. kekuningan) (h. kekuningan) Gamet : G, g G,g F1 : (1) GG (hijau hijau : kekuningan (2) Gg (H. kekuningan) =1:2 (1) gg mati d. Modifikasi Rasio Dihibrid 9 : 3 : 3 : 1 1) Interaksi Gen Pada jengger ayam: R – pp : tipe mawar (rose) rrP- : tipe kacang (pea) R - P - : tipe Walnut rrpp : tipe tunggal P : ♀ RRPP (mawar) x ♂ rrPP (kacang) 47 h. F1 : RrPp (walnut) F2 : F1 x F1 R-P: (Walnut) R – pp : (mawar) 3 rrP: (kacang) 3 rrpp : (tunggal) 1 9 Atavisme : Peristiwa timbulnya kembali sifat keturunan yang menghilang pada beberapa generasi 2) Peristiwa Epistasi (Dominansi = ?) Gen epistatis = gen yang menutupi ekspresi gen lain yang bukan alelnya Gen hipostatis = gen ditutupi/ dikalahkan oleh gen lain yang bukan alelnya 1. 2. 3. 4. 5. 6. Epistasi dominan Epistasi resesif Epistasi dominan & resesif Gen resesif rangkap Gen dominan rangkap Gen rangkap dengan pengaruh kumulatif A epistatis terhadap B & b Aa epistatis terhadap B & b A epistatis terhadap B & b Bb epistatis terhadap A & a Aa epistatis terhadap B & b Bb epistatis terhadap A & a A epistatis terhadap B & b B epistatis terhadap A & a 9 :6:1 12 : 3 : 1 9:3:4 13 : 3 9:7 15 : 1 a) Epistasi Dominan U : bunga ungu K : bunga kuning u & k : bunga putih U epistasi terhadap K 48 P : ♀ UUKK (ungu) F1 : F2 : F1 x F1 3. x ♂ uukk (putih) UuKk (ungu) U – K - (ungu) U – kk (ungu) uuK (kuning) uukk (putih) 9 3 ungu : kuning : putih 3 12 : 3 : 1 1 Epistasi Resesif Warna kulit/ bulu pada tikus A : abu-abu a : hitam C : menyebabkan warna timbul c : menghalangi warna timbul P : ♀ AAcc (putih) x ♂ aacc (hitam) F1 : AaCc (abu-abu) F2 : F1 x F1 A – C - (abu-abu) A – cc (putih) 9 3 abu-abu : hitam : putih 3 : 4. aa - (hitam) 3 aacc (putih) 1 4 Epistasi Dominan dan Resesif Pada ayam C : bulu warna 49 9 : c : bulu tidak berwarna I : menghalangi keluarnya warna i : tidak menghalangi keluarnya warna P : ♀CCII x ♂ ccii (ayam leghorn, putih) (ayam silkie, putih) F1 : CcIi (putih) F2 : F1 x F1 C – I - (putih) C – ii (berwarna) 9 3 putih : berwarna iiC iicc (putih) (putih) 3 1 13 : 3 5. Epistasi Karena Gen Resesif Rangkap Bisu tuli sejak lahir: D & E, bila bersama-sama di dalam genotip normal D saja/ E saja resesif semua tuli P : ♀ DDee x (bisu, tuli)) F1 : F2 : F1 x F1 = orang = bisu ♂ ddEE (bisu, tuli) DdEe (normal) D – E - (normal) D – ee (bisu, tuli) 9 3 ddE ddee 3 1 normal : bisu tuli (bisu, tuli) (bisu, tuli) 50 = 9 : 7 6. Epistasi Karena Gen Dominan Rangkap A B A&B a&b : gen untuk bentuk bulat pada buah : gen untuk bentuk bulat pada buah : gen untuk bentuk bulat pada buah : gen untuk bentuk oval pada buah P : ♀ AABB (bulat)) x F1 : ♂ aabb (oval) AaBb (bulat) F2 : F1 x F1 A–BA – bb aaBaabb (bulat) (bulat) (bulat) (oval) 9 3 3 1 bulat : oval 15 : 1 7. Epistasi Karena Gen Rangkap Kumulatif A B A&B a&b : bunga ungu : bunga ungu tua : bunga ungu : putih P : ♀ AABB (ungu tua) F1 : F2 : F1 x F1 x ♂ aabb (putih) AaBb (ungu tua) A–BA – bb aaBaabb (ungu tua) 9 (ungu) 3 Ungu tua : ungu : putih (ungu) 3 9 : 6 : 1 (putih) 1 51 BAB III MATERI GENETIK DAN SINTESIS PROTEIN Asam nukleat merupakan materi genetik dan termasuk senyawa organik serta menjadi bahan penelitian para ahli biokimia sejak senyawa ini diisolasi dari inti sel untuk pertama kalinya. Ada dua jenis asam nukleat yaitu DNA (deoxyribonucleic acid) dan RNA (ribonucleic acid). Asam nukleat (bahasa Inggris: nucleic acid) adalah makromolekul biokimia yang kompleks, berbobot molekul tinggi, dan tersusun atas rantai nukleotida yang mengandung informasi genetik. Asam nukleat yang paling umum adalah Asam deoksiribonukleat (DNA) dan Asam ribonukleat (RNA). Asam nukleat ditemukan pada semua sel hidup serta pada virus. Asam nukleat dinamai demikian karena keberadaan umumnya di dalam inti (nukleus) sel. Asam nukleat merupakan biopolimer, dan monomer penyusunnya adalah nukleotida. Setiap nukleotida terdiri dari tiga komponen, yaitu sebuah basa nitrogen heterosiklik (purin atau pirimidin), sebuah gula pentosa, dan sebuah gugus fosfat. Jenis asam nukleat dibedakan oleh jenis gula yang terdapat pada rantai asam nukleat tersebut (misalnya, DNA atau asam deoksiribonukleat mengandung 2-deoksiribosa). Selain itu, basa nitrogen yang ditemukan pada kedua jenis asam nukleat tersebut memiliki perbedaan: adenin, sitosin, dan guanin dapat ditemukan pada RNA maupun DNA, sedangkan timin dapat ditemukan hanya pada DNA dan urasil dapat ditemukan hanya pada RNA. 52 A. DNA (ASAM DEOKSIRIBONUKLEAT) Asam deoksiribonukleat, lebih dikenal dengan DNA (bahasa Inggris: deoxyribonucleic acid), adalah sejenis asam nukleat yang tergolong biomolekul utama penyusun berat kering setiap organisme. Di dalam sel, DNA umumnya terletak di dalam inti sel. Secara garis besar, peran DNA di dalam sebuah sel adalah sebagai materi genetik; artinya, DNA menyimpan cetak biru bagi segala aktivitas sel. Ini berlaku umum bagi setiap organisme. Di antara perkecualian yang menonjol adalah beberapa jenis virus (dan virus tidak termasuk organisme) seperti HIV (Human Immunodeficiency Virus). Struktur DNA DNA merupakan polimer yang terdiri dari tiga komponen utama, yaitu gugus fosfat, gula deoksiribosa, dan basa nitrogen. Sebuah unit monomer DNA yang terdiri dari ketiga komponen tersebut dinamakan nukleotida, sehingga DNA tergolong sebagai polinukleotida. Gambar: Struktur penyusun nukleotida Rantai DNA memiliki lebar 22–24 Å, sementara panjang satu unit nukleotida 3,3 Å. Walaupun unit monomer ini sangatlah kecil, DNA dapat memiliki jutaan nukleotida yang terangkai seperti rantai. Misalnya, 53 kromosom terbesar pada manusia terdiri atas 220 juta nukleotida. Struktur untai ganda DNA Gambar: Struktur Double heliks DNA Struktur untai komplementer DNA menunjukkan pasangan basa (adenin dengan timin dan guanin dengan sitosin) yang membentuk DNA beruntai ganda. 54 Rangka utama untai DNA terdiri dari gugus fosfat dan gula yang berselang-seling. Gula pada DNA adalah gula pentosa (berkarbon lima), yaitu 2-deoksiribosa. Dua gugus gula terhubung dengan fosfat melalui ikatan fosfodiester antara atom karbon ketiga pada cincin satu gula dan atom karbon kelima pada gula lainnya. Salah satu perbedaan utama DNA dan RNA adalah gula penyusunnya; gula RNA adalah ribosa. DNA terdiri atas dua untai yang berpilin membentuk struktur heliks ganda. Pada struktur heliks ganda, orientasi rantai nukleotida pada satu untai berlawanan dengan orientasi nukleotida untai lainnya. Hal ini disebut sebagai antiparalel. Masing-masing untai terdiri dari rangka utama, sebagai struktur utama, dan basa nitrogen, yang berinteraksi dengan untai DNA satunya pada heliks. Kedua untai pada heliks ganda DNA disatukan oleh ikatan hidrogen antara basa-basa yang terdapat pada kedua untai tersebut. Empat basa yang ditemukan pada DNA adalah adenin (dilambangkan A), sitosin (C, dari cytosine), guanin (G), dan timin (T). Adenin berikatan hidrogen dengan timin, sedangkan guanin berikatan dengan sitosin. Pada replikasi DNA, rantai DNA baru dibentuk berdasarkan urutan nukleotida pada DNA yang digandakan. Replikasi DNA Sel berkembang biak dengan membelah diri dan apa yang terjadi pada DNA pada akhir proses pembelahan sel?. Hanya ada satu rantai DNA di dalam sel. Namun, ternyata bahwa sel yang baru terbentuk juga membutuhkan DNA. Untuk mengisi kekosongan ini, DNA merampungkan sebuah rentetan operasi yang menarik, yang setiap tahapnya merupakan keajaiban yang berbeda. Akhirnya, segera sebelum sel membelah, DNA membuat kopi dirinya dan 55 memindahkannya ke sel yang baru proses ini disebut replikasi diri pada DNA. Pengamatan terhadap pembelahan sel menunjukkan bahwa sel harus mencapai ukuran tertentu sebelum membelah diri. Pada saat sel melewati ukuran tertentu ini, proses pembelahan otomatis dimulai. Sementara bentuk sel mulai semakin mulus sehingga memungkinkan proses pembelahan, DNA mulai mereplikasi diri seperti disebutkan sebelumnya. Mulanya DNA membelah menjadi dua untuk mereplikasi dirinya sendiri. Peristiwa ini terjadi dengan cara yang sangat menarik. Molekul DNA yang menyerupai tangga spiral membagi menjadi dua seperti ritsleting dari tengah anak tangga. Seterusnya, DNA membelah menjadi dua bagian. Belahan yang hilang (replica) dari masingmasing bagian disempurnakan dengan bahan-bahan yang terdapat di sekitarnya. Dengan cara ini, dua molekul DNA baru diproduksi. Dalam setiap tahap operasi, protein ahli yang disebut “enzim” yang berfungsi seperti robot canggih mengambil peran. Walau ini sekilas tampak sederhana, proses-proses antara yang berlangsung selama operasi ini begitu banyak dan begitu rumit sehingga perlu dibahas lebih dalam. Molekul DNA baru yang muncul selama replikasi diperiksa berulang kali oleh enzim pemeriksa. Jika terjadi kesalahan yang dapat menjadi sangat vital, DNA akan segera diidentifikasi dan diperbaiki. Kode yang keliru dibuang dan digantikan dengan yang benar. Semua proses ini berlangsung dalam kecepatan yang sangat memesonakan sehingga saat 3000 pasangan basa diproduksi dalam satu menit, secara bersamaan semua pasangan diperiksa berulang kali oleh enzim-enzim yang bertanggung jawab dan perbaikan yang dibutuhkan dilakukan. 56 Dalam molekul DNA yang baru diproduksi, lebih banyak kesalahan yang dapat dilakukan lebih dari normal sebagai akibat faktor luar. Dalam hal ini, ribosom di dalam sel mulai memproduksi enzim-enzim pereparasi DNA sesuai perintah yang diberikan oleh DNA. Dengan demikian, saat DNA melindungi dirinya sendiri, ia juga menjamin kelangsungan generasi. Replikasi merupakan proses pelipatgandaan DNA. Proses replikasi ini diperlukan ketika sel akan membelah diri. Pada setiap sel, kecuali sel gamet, pembelahan diri harus disertai dengan replikasi DNA supaya semua sel turunan memiliki informasi genetik yang sama. Pada dasarnya, proses replikasi memanfaatkan fakta bahwa DNA terdiri dari dua rantai dan rantai yang satu merupakan "konjugat" dari rantai pasangannya. Dengan kata lain, dengan mengetahui susunan satu rantai, maka susunan rantai pasangan dapat dengan mudah dibentuk. Ada beberapa teori yang mencoba menjelaskan bagaimana proses replikasi DNA ini terjadi. Salah satu teori yang paling populer menyatakan bahwa pada masing-masing DNA baru yang diperoleh pada akhir proses replikasi; satu rantai tunggal merupakan rantai DNA dari rantai DNA sebelumnya, sedangkan rantai pasangannya merupakan rantai yang baru disintesis. Rantai tunggal yang diperoleh dari DNA sebelumnya tersebut bertindak sebagai "cetakan" untuk membuat rantai pasangannya. Bahan genetik yang ada pada setiap jasad akan mengalami proses perbanyakan sebagai salah satu tahapan sangat penting dalam proses pertumbuhan sel atau perbanyakan partikel virus. Setiap organisme harus menduplikasikan DNA nya secara tepat sebelum setiap sel melakukan pembelahan. 57 1. Model Replikasi DNA Pada mulanya, secara teoritis, diusulkan bahwa replikasi DNA berlangsung melalui tiga cara, yaitu: (1) model Konservatif, dimana heliks ganda induk tetap dalam keadaan utuh, dan sebuah salinan kedua yang sama sekali baru telah dibuat; (2) model Semikonservatif, dimana kedua rantai molekul induk berpisah, dan setiap rantai berfungsi sebagai cetakan untuk mensintesis rantai komplementer yang baru, dan (3) Model Dispersif, yaitu setiap rantai dari kedua molekul anak terdiri dari campuran antara bagian rantai lama dan bagian rantai yang baru disintesis. (a) (b) (c) Gambar : Tiga model replikasi DNA (a) semikonservatif, (b) konservatif, dan (c) dispersif. Model semikonservatif diusulkan oleh Watson-Crick. Hasil percobaan Matthew dan Franklin Stahl dengan menggunakan E.coli, menyimpulkan bahwa replikasi DNA berlangsung secara semikonservatif sesuai dengan model yang diusulkan oleh Watson-Crick. 58 Secara sederhana, replikasi model semikonservatif dapat dijelaskan sebagai berikut: • Sebelum melakukan replikasi, molekul induk mempunyai dua rantai DNA komplementer. Setiap basa dipasangkan oleh ikatan hidrogen dengan pasangan spesifiknya. A dengan T dan G dengan C. • Langkah pertama dalam replikasi adalah pemisahan kedua rantai DNA • Setiap rantai yang lama berfungsi sebagai cetakan (template) yang menentukan urutan nukleotida di sepanjang rantai komplementer yang baru yang bersesuaian. Nukleotida terpasang pada daerah yang spesifik di sepanjang permukaan cetakan berdasarkan aturan pemasangan basa. • Nukleotida baru tersebut disambung satu sama lain untuk membentuk tulang punggung gula-fosfat dari rantai baru. Setiap molekul DNA sekarang terdiri dari satu rantai lama dan satu rantai baru. Dengan demikian terbentuklah dua molekul DNA yang persis sama dengan molekul DNA sebelum replikasi. Lebih jelasnya model replikasi DNA dapat dilihat pada gambar di bawah ini. 59 Gambar: Model Replikasi Semikonservatif Proses replikasi memerlukan protein atau enzim pembantu; salah satu yang terpenting dikenal dengan nama DNA polimerase, yang merupakan enzim pembantu pembentukan rantai DNA baru yang merupakan suatu polimer. Proses replikasi diawali dengan pembukaan untaian ganda DNA pada titik-titik tertentu di sepanjang rantai DNA. Proses pembukaan rantai DNA ini dibantu oleh beberapa jenis protein yang dapat mengenali titik-titik tersebut, dan juga protein yang mampu membuka pilinan rantai DNA. Setelah cukup ruang terbentuk akibat pembukaan untaian ganda ini, DNA polimerase masuk dan mengikat diri pada kedua rantai DNA yang sudah terbuka secara lokal tersebut. Proses pembukaan rantai ganda tersebut berlangsung disertai dengan pergeseran DNA polimerase mengikuti arah membukanya rantai ganda. Monomer DNA ditambahkan di kedua sisi rantai yang membuka setiap kali DNA polimerase bergeser. Hal ini berlanjut sampai seluruh rantai telah benar-benar terpisah. 60 Gambar: Struktur DNA dan replikasi DNA 61 Proses replikasi DNA ini merupakan proses yang rumit namun teliti. Proses sintesis rantai DNA baru memiliki suatu mekanisme yang mencegah terjadinya kesalahan pemasukan monomer yang dapat berakibat fatal. Karena mekanisme inilah kemungkinan terjadinya kesalahan sintesis amatlah kecil. Replikasi DNA sering disebut sintesis DNA, yaitu suatu proses dimana urutan nukleotida dari DNA (bagian tertentu dari DNA) dikopi oleh pasangan basa komplementernya (A dengan T, atau G dengan C). Proses tersebut memerlukan pengenalan setiap nukleotida di dalam DNA dan membutuhkan dua rantai DNA yang terpisah. Replikasi DNA dikatalisis oleh enzim DNA polimerase. Subtrat untuk enzim ini adalah deosiribonukleosida trifosfat yang dipolimerisasi pada satu benang DNA cetakan secara bertahap. Gambar: Proses pemanjangan DNA 2. Replikasi DNA pada organisme prokariotik Replikasi molekul DNA dimulai pada tempattempat khusus yang disebut pangkal replikasi (origin of 62 replication). Kromosom bakteri, yang berbentuk melingkar, mempunyai satu pangkal, yaitu satu bagian DNA yang mempunyai urutan nukleotida yang spesifik. Replikasi DNA berlangsung pada kedua arah mengelilingi kromosom sirkuler sampai keseluruhan kromosom tersebut telah diproduksi. Enzim yang memulai replikasi mengenali urutan ini dan menempel pada DNA, memisahkan kedua rantai dan membentuk sebuah gelembung yang dinamakan gelembung replikasi. Replikasi DNA kemudian berjalan dalam dua arah sampai seluruh molekul tersebut disalin. 3. Replikasi DNA pada organisme eukariotik Pada eukariota, replikasi DNA dimulai pada tempattempat spesifik dimana kedua untai DNA induk berpisah membentuk gelembung replikasi. Daerah tersebut dinamakan pangkal replikasi. Pada eukariota, terdapat ratusan atau ribuan daerah pangkal replikasi di sepanjang molekul DNA. Gelembung replikasi terentang secara lateral, sementara replikasi DNA bergerak kedua arah. Pada akhirnya, gelembung replikasi akan menyatu di tengah, dan sintesis rantai DNA anak pun selesai. 4. Mekanisme Replikasi DNA Pada tahun 1960, mekanisme sederhana dari replikasi DNA dianggap bahwa kedua rantai baru tumbuh secara kontinyu, dimana nukleotida pernukleotida ditambahkan pada garpu replikasi DNA dan bergerak dari ujung molekul DNA ke ujung yang lain. Kedua rantai DNA yang anti paralel, menyebabkan munculnya Permasalahan. Sebab bila demikian, maka mekanisme seperti dikemukakan di atas membutuhkan satu rantai anak yang tumbuh dari arah 5’ – 3’ dan rantai yang lain tumbuh dari arah 3’ – 5’. 63 Pada garpu replikasi terdapat dua rantai yang dikenal dengan rantai cepat (leading strand) dan rantai lambat (lagging strand) dengan struktur yang asimetris. Pada rantai cepat, DNA polimerase hanya mampu memanjangkan rantai baru DNA dengan arah 5’ – 3’ ketika replikasi sedang berjalan. Pada rantai lambat, rantai tumbuh secara menyeluruh dalam 3’ – 5’ dengan penambahan segmensegmen pendek yang dikenal dengan fragmen okazaki. Fragmen okazaki secara individu tumbuh dengan arah 5’ – 3’. 5. Garpu replikasi Garpu replikasi atau cabang replikasi (replication fork) ialah struktur yang terbentuk ketika DNA bereplikasi. Garpu replikasi ini dibentuk akibat enzim helikase yang memutus ikatan-ikatan hidrogen yang menyatukan kedua untaian DNA, membuat terbukanya untaian ganda tersebut menjadi dua cabang yang masing-masing terdiri dari sebuah untaian tunggal DNA. Masing-masing cabang tersebut menjadi "cetakan" untuk pembentukan dua untaian DNA baru berdasarkan urutan nukleotida komplementernya. DNA polimerase membentuk untaian DNA baru dengan memperpanjang oligonukleotida (RNA) yang dibentuk oleh enzim primase dan disebut primer. DNA polimerase membentuk untaian DNA baru dengan menambahkan nukleotida dalam hal ini, deoksiribonukleotida—ke ujung 3'-hidroksil bebas nukleotida rantai DNA yang sedang tumbuh. Dengan kata lain, rantai DNA baru (DNA "anak") disintesis dari arah 5'→3', sedangkan DNA polimerase bergerak pada DNA "induk" dengan arah 3'→5'. Namun demikian, salah satu untaian DNA induk pada garpu replikasi berorientasi 3'→5', sementara untaian lainnya berorientasi 5'→3', dan helikase bergerak membuka untaian rangkap DNA dengan arah 64 5'→3'. Oleh karena itu, replikasi harus berlangsung pada kedua arah berlawanan tersebut. Berdasarkan gambar di atas dapat dijelaskan yaitu mula-mula, heliks ganda DNA (merah) dibuka menjadi dua untai tunggal oleh enzim helikase (9) dengan bantuan topoisomerase (11) yang mengurangi tegangan untai DNA. Untaian DNA tunggal dilekati oleh protein-protein pengikat untaian tunggal (10) untuk mencegahnya membentuk heliks ganda kembali. Primase (6) membentuk oligonukleotida RNA yang disebut primer (5) dan molekul DNA polimerase (3 & 8) melekat pada seuntai tunggal DNA dan bergerak sepanjang untai tersebut memperpanjang primer, membentuk untaian tunggal DNA baru yang disebut leading strand (2) dan lagging strand (1). DNA polimerase yang membentuk lagging strand harus mensintesis segmensegmen polinukleotida diskontinu (disebut fragmen Okazaki (7)). Enzim DNA ligase (4) kemudian menyambungkan potongan-potongan lagging strand tersebut. Dalam proses replikasi DNA dikenal ada tiga jenis DNA polimerase, yaitu DNA polimerase I, DNA polimerase 65 II, dan DNA polimerase III. DNA polimerase I dan 3 mengkatalisis pemanjangan rantai DNA dengan arah ‘5 – ‘3. Pada prokariota, selain itu juga berfungsi sebagai eksonuklease, sedangkan pada eukariota enzim DNA polimerase kurang memiliki aktivitas sebagai eksonuklease. Eksonuklease adalah suatu enzim yang secara berurutan memotong (dengan cara hidrolisis) nukleotida-nukleotida dari suatu ujung yang terbuka pada rantai polinukleotida. Fungsi DNA polimerase I belum dimengerti secara jelas. Karbon kelima dari suatu gula deoksiribosa pada tiap rantai DNA, gugus fosfat dari suatu nukelotida tersambung pada karbon ‘5 deoksiribosa, sedangkan gugus fosfat dari salah satu nukleotida terikat pada karbon 3’ dari nukleotida yang berdekatan, hasilnya adalah rantai DNA dengan polaritas yang berbeda. Pada salah satu ujung diberi nama ujung 5’ dan ujung lain diberi nama ujung 3’. Pada ujung yang berlawanan, ujung 5’, tulang belakang gulafosfat berakhir dengan gugus fosfat yang menempel pada karbon 5’ dari nukleotida terakhir. DNA polimerase tidak dapat memulai sintesis DNA, sebab DNA polimerase ini hanya dapat bekerja menambahkan nukleotida pada ujung hidroksil 3’ pada rantai yang telah ada. Oleh sebab itu, dibutuhkan suatu primer, yaitu segmen pendek RNA yang disintesis oleh enzim DNA primase. Setiap primer pada akhirnya diganti oleh DNA. DNA polimerase hanya dapat mensintesis rantai komplementer yang kontinyu dengan memanjangkan DNA yang baru dengan arah 5’ – 3’, ini berlaku pada rantai cepat. Berdasarkan uraian di atas, maka dalam sintesis DNA maka harus ada komponen lain yang membantu, yaitu primase. Primase membentuk primer, yaitu suatu potongan-potongan pendek RNA yang panjangnya kurang lebih 10 nukleotida pada eukariota. DNA polimerase yang 66 lain kemudian menggantikan nukleotida-nukleotida RNA dari primer-primer ini dengan versi DNA. Hanya satu primer yang dibutuhkan agar DNA polimerase dapat memulai sintesis rantai cepat. Untuk rantai lambat, setiap fragmen harus ‘diprimerkan’. Primer-primer ini diubah menjadi DNA sebelum enzim DNA ligase menggabungkan fragmen-fragmen tersebut (fragmen okazaki) menjadi satu. 6. Peran helikase dalam replikasi DNA. Selain 3 jenis enzim yang telah dikemukakan di atas (DNA polimerase, DNA primase, dan DNA ligase), dalam proses replikasi DNA masih dibutuhkan protein-protein khusus yang membantu membuka dobel heliks DNA pada garpu replikasi, dan protein yang mempertahankan agar rantai DNA yang telah terbuka tidak menjadi kusut. Protein yang dimaksud, yaitu: • DNA helikase, yaitu sejenis enzim yang berfungsi membuka heliks ganda pada garpu replikasi dan memisahkan kedua rantai lama. • Protein pengikat untai tunggal (helix destabilizing protein) berfungsi untuk mencegah agar rantai tunggal yang telah terbentuk tidak kusut dan menjaga agar rantai-rantai DNA tetap terpisah selama mereka berfungsi sebagai cetakan untuk sintesis rantai-rantai komplemen yang baru.. Protein ini berjajar pada rantai-rantai lama yang tidak berpasangan. Masalah lain yang dijumpai dalam replikasi DNA terletak pada bagian ujung replikasi. Untuk molekul DNA linear, seperti yang dimiliki kromosom eukariota, perangkat replikasi DNA biasa tidak dapat mereplikasi kedua ujung. Tersisa satu segmen kosong pada ujung 5’ dari setiap rantai baru, karena DNA polimerase hanya dapat menambahkan nukleotida pada ujung 3’. Akibatnya replikasi berulang 67 menghasilkan molekul-molekul DNA yang semakin lama semakin pendek. Jika sel membelah diri berkali-kali, gengen penting mungkin saja ikut hilang. Jelas bahwa jika kecenderungan ini berlangsung dari generasi ke generasi, akan menimbulkan banyak masalah. Prokariota menghindari masalah tersebut dengan memiliki molekul DNA sirkuler (tidak memiliki ujung). Bagaimana dengan eukariota ? Pada eukariota, molekulmolekul DNA kromosomal memiliki urutan nukleotida khusus yang disebut telomer pada ujung-ujungnya. Telomer tidak mengandung gen; sebaliknya DNA nya banyak mengandung pengulangan dari satu nukleotida pendek. Pada manusia adalah TTAGGG. Jumlah pengulangan pada telomer bervariasi antara 100 – 1000. DNA Telomerik berfungsi, yaitu: • Melindungi gen organisme dari erosi melalui replikasi DNA berulang yang berurutan. • Mencegah ujung-ujung tersebut mengaktifkan sistem sel untuk memonitor kerusakan DNA (suatu molekul DNA yang “terlihat” pecah dapat memicu transduksi sinyal yang mengakibatkan tertahannya siklus sel atau kematian sel. Enzim telomerase berfungsi untuk mengkatalisis pemanjangan telomer. Namun telomerase tidak mungkin mensintesis DNA jika cetakan DNA nya hilang. Untuk keluar dari permasalahan ini, maka pada enzim telomerase terdapat molekul pendek RNA dengan urutan nukleotida yang bertindak sebagai cetakan untuk pemanjangan ujung 3’ telomer. Rantai komplementer telomer diperpanjang dengan aksi kombinasi antara primase, DNA polimerase, dan ligase. Dengan cara ini erosi DNA tidak terjadi. Berdasarkan uraian di atas dapat dikemukakan bahwa dalam replikasi DNA heliks ganda harus membuka 68 untuk menyiapkan cetakan DNA rantai baru (peran helikase dan helix destabilizing protein), dan menghasilkan dua rantai cetakan yaitu rantai cepat (leading strand) dan rantai lambat (lagging strand). Sintesis pada rantai cepat melibatkan pemprimeran oleh primase, pemanjangan oleh DNA polimerase, dan penggantian primer RNA menjadi DNA oleh DNA polimerase. Sintesis pada rantai lambat melibatkan pemprimeran untuk fagmen okazaki oleh primase, pemanjangan fragmen oleh DNA polimerase, penggantian primer RNA menjadi DNA oleh DNA polimerase, dan penggabungan fragmen oleh DNA ligase. Masalah yang muncul pada ujung-ujung molekul DNA pada eukariot diselesaikan oleh telomerase bersama primase, DNA polimerase dan ligase. 7. Reparasi DNA Ketepatan urutan DNA dalam suatu spesies senantiasa dipertahankan. Hal tersebut dimaksudkan agar informasi genetik dalam urutan DNA tidak mengalami perubahan. Mutasi dapat dianggap sebagai suatu kekeliruan dalam mekanisme pewarisan informasi. Kekeliruan ini menunjukkan bahwa semua mutasi dan terciptanya variasi alel baru sebenarnya tidak diinginkan, namun demikian pada kenyataannya mutasi merupakan sumber variabilitas genetik baru dengan potensi yang lebih baik. Kecepatan perubahan urutan DNA (kecepatan mutasi) hanya dapat diestimasi secara tidak langsung. Salah satu cara adalah dengan membandingkan urutan asam amino dari protein yang sama dalam beberapa spesies yang berbeda. Salah satu protein yang telah dipelajari dan cukup bebas dari keadaan yang merugikan adalah fibrinopeptida. Analisis fibrinopeptida menunjukkan bahwa ukuran ratarata protein dengan panjang 400 asam amino mengalami 69 perubahan secara acak dari asam aminonya kurang lebih 1 x setiap 200.000 tahun. Frekuensi kesalahan dalam replikasi DNA dapat diestimasi secara langsung melalui pengamatan perubahan spontan yang terjadi di dalam genom dari sel-sel yang sedang tumbuh. Ini dapat dilakukan dengan memperkirakan banyaknya mutan baru yang timbul pada populasi hewan yang sangat besar atau dengan pemeriksaan perubahan enzim-enzim spesifik pada sel yang sedang tumbuh dalam kultur jaringan. Kerusakan atau perubahan DNA dapat disebabkan antara lain: • Kerusakan akibat salah pasang selama replikasi DNA berlangsung. • Molekul-molekul dalam gen berubah karena fluktuasi termal. • Perubahan basa-basa DNA akibat adanya metabolik reaktif yang mengubah pasangan basa. • Sinar-sinar UV dari matahari akan meningkatkan ikatan kovalen dari dua basa timin yang berdekatan pada DNA yang membentuk dimmer timin. Perubahan-perubahan pada molekul DNA tersebut umumnya berpengaruh buruk, namun untungnya dapat diperbaiki. Setiap sel secara terus menerus memonitor dan memperbaiki materi genetiknya Meskipun kesalahan-kesalahan di dalam molekul DNA yang sudah sempurna hanya 1 (satu) dalam 1 milyar nukleotida, kesalahan pemasangan awal antara nukleotida yang baru masuk dan nukleotida yang sudah ada di rantai cetakan 100.000 kali lebih umum terjadi. Ini merupakan suatu kesalahan sebesar satu dalam 10.000 pasangan basa. Salah satu mekanisme perbaikan DNA yaitu perbaikan salah pasang (mismatch repair), memperbaiki kesalahan-kesalahan yang terjadi ketika DNA disalin. Selama replikasi, DNADNA polimerase melakukan perbaikan salah pasang. 70 Polimerase mengoreksi setiap nukleotida terhadap cetakannya begitu nukleotida ditambahkan pada rantai baru yang sedang tumbuh. Untuk mencari nukleotida yang pasangannya tidak benar, polimerase memindahkan nukleotida tersebut kemudian melanjutkan kembali sintesis. Seperti halnya perbaikan salah pasang, kebanyakan mekanisme perbaikan DNA yang rusak memanfaatkan struktur pasangan basa yang dimiliki DNA. Biasanya satu segmen dari rantai yang mengandung kerusakan dipotong habis dan dibuang (dieksisi) oleh suatu enzim pemotong, yaitu nuclease. Celah yang terbentuk akibat pemotongan tersebut diisi dengan nukleotida-nukleotida yang pasangannya sesuai dengan nukleotida yang terdapat di dalam rantai yang tidak rusak. Enzim yang terlibat dalam pengisian celah ini adalah DNA polimerase dan DNA ligase. Perbaikan DNA ini disebut perbaikan eksisi (excision repair). Jenis kerusakan DNA yang umum terjadi adalah (i) deaminasi dan (ii) depurinasi. Deaminasi dapat terjadi pada suatu rantai dimana pasangan komplementer dari suatu basa mengalami deaminasi menjadi basa lain, misalnya sitosin menjadi urasil, adenin menjadi hipoxantin, dan guanin menjadi xantin. Basa timin tidak pernah mengalami deaminasi. Pada peristiwa depurinasi, adanya basa yang hilang akan dikenali oleh sebuah nuclease yang memotong ikatan fosfodiester DNA rantai utama pada bagian rantai yang mengalami perubahan. Nukleotida disekitarnya juga dilepaskan dengan cara pemotongan yang lebih besar di sekitar tempat awal torehan. Selanjutnya enzim-enzim DNA polimerase dan DNA ligase memulihkan rantai DNA ke kondisi semula. Mekanisme reparasi deaminasi sitosin menjadi urasil dapat dijelaskan sebagai berikut: 71 • Enzim urasil DNA glikosilasi akan menghilangkan basa yang rusak atau basa yang mengalami perubahan. • Tidak adanya pasangan basa G menyebabkan enzimenzim nuclease bekerja untuk memotong ikatan fosfodiester pada bagian DNA yang rusak, dan menghilangkan basa-basa di sekitar bagian yang rusak. • DNA polimerase mengkopi informasi yang hilang dan selanjutnya disempurnakan oleh enzim ligase. DNA pertama kali berhasil dimurnikan pada tahun 1868 oleh ilmuwan Swiss Friedrich Miescher di Tubingen, Jerman, yang menamainya nuclein berdasarkan lokasinya di dalam inti sel. Namun demikian, penelitian terhadap peranan DNA di dalam sel baru dimulai pada awal abad 20, bersamaan dengan ditemukannya postulat genetika Mendel. DNA dan protein dianggap dua molekul yang paling memungkinkan sebagai pembawa sifat genetis berdasarkan teori tersebut. Dua eksperimen pada dekade 40-an membuktikan fungsi DNA sebagai materi genetik. Dalam penelitian oleh Avery dan rekan-rekannya, ekstrak dari sel bakteri yang satu gagal mentransform sel bakteri lainnya, kecuali jika DNA dalam ekstrak dibiarkan utuh. Eksperimen Hershey dan Chase membuktikan hal yang sama dengan menggunakan pencari jejak radioaktif (radioactive tracers). Misteri yang belum terpecahkan ketika itu adalah: bagaimanakah struktur DNA sehingga ia mampu bertugas sebagai materi genetik? Persoalan ini dijawab oleh Francis Crick dan koleganya James Watson berdasarkan hasil difraksi sinar-x DNA oleh Maurice Wilkins dan Rosalind Franklin. Crick, Watson, dan Wilkins mendapatkan hadiah Nobel Kedokteran pada 1962 atas penemuan ini. Franklin, karena sudah wafat pada waktu itu, tidak dapat dianugerahi hadiah ini. 72 B. RNA (Asam Ribonukleat) RNA atau Ribonukleat acid adalah seyawa yang tergolong ke dalam asam nukleat yang juga ditemukan di dalam sel makhluk hidup, baik pada sel hewan, tumbuhan, maupun virus. Perbedaan yang mendasar antara DNA adalah bahwa gula yang menyusun gula ribosa dan urasil dapat ditemukan hanya pada RNA. RNA umumnya terletak di dalam inti sel, sitoplasma dan ribosom. Bentuk normalnya single stranded atau rantai tunggal, memiliki tiga jenis yaitu : ARN duta, ARN transport, ARN dan jumlah berubah tergantung aktifitas sintesis protein. Untuk lebih jelasnya perhatikan tabel perbedaan antara DNA dan RNA. Tabel 1. Perbedaan DNA dan RNA SIFAT YANG MEMBEDAKAN DNA RNA Gula yang menyusun Deoksiribosa Ribosa Bentuk normal ds dan ss ds = double stranded ss = single stranded ss Basa PURIN Basa PIRIMIDIN Guanin, Adenin Timin, Sitosin Guanin, Adenin Urasil, Sitosin Jenis/macam Hanya satu - ARN duta - ARN Ada transport tiga : - ARN ribosorn Tempat Inti Inti Sitoplasma dan Ribosom Kadar Tetap Berubah, 73 tergantung aktifitas sintesis protein Sintesis RNA dan Protein Traskripsi dan translasi merupakan dua proses utama yang menghubungkan gen ke protein. Gen memberikan perintah untuk membuat protein tertentu, tetapi gen tidak membangun protein secara langsung. Oleh sebab itu gen harus ditranskripsi terlebih dahulu. Transkripsi merupakan sintesis RNA berdasarkan arahan DNA. Kedua asam nukleat menggunakan bahasa yang sama dan informasinya tinggal ditranskripsi atau disalin dari satu molekul ke molekul lain. Persis sebagaimana rantai DNA menyediakan suartu cetakan (template) untuk sintesis rantai komplemen baru selama replikasi DNA. Transkripsi menyediakan suatu cetakan untuk penyusunan urutan nukleotida RNA. Hasil transkripsi dapat berupa mRNA, tRNA dan rRNA. Translasi merupakan sintesis polipeptida yang sesungguhnya yang terjadi berdasarkan arahan mRNA. Selama proses ini urutan basa molekul mRNA diterjemahkan atau ditranslasi ke dalam urutan asam amino polipeptida. Tempat melangsungkan translasi adalah ribosom, partikel kompleks yang memfasilitasi perangkaian secara teratur asam amino menjadi suatu rantai polipeptida. Gambaran umum peran transkripsi dan translasi dalam aliran informasi genetik dapat dikemukakan sebagai berikut. Dalam satu rantai perintah sel, informasi bawaan mengalir dari DNA ke RNA ke protein. Kedua tahap utama aliran informasi yaitu transkripsi dan translasi. Suatu gen memberikan perintah untuk mensintesis molekul mRNA. Pada translasi, informasi yang dikode dalam mRNA 74 menentukan urutan asam amino yang disambung untuk membentuk polipeptida spesifik. Ribosom merupakan tempat translasi. Pada sel prokariota yang tidak memiliki nukleus, mRNA yang dihasilkan oleh transkripsi segera ditranslasi tanpa proses tambahan. Dalam sel eukariota, transkripsi dan translasi terjadi pada ruangan yang terpisah, yaitu nukleus dan sitoplasma. mRNA berpindah dari nukleus ke sitoplasma melalui pori-pori yang terdapat pada selubung inti. Transkrip RNA asli yang disebut pra mRNA diproses dalam berbagai cara oleh enzim sebelum meninggalkan inti sebagai mRNA. Setiap sel tetap menjaga agar di dalam sitoplasmanya tersedia 20 jenis asam amino, baik dengan cara mensintesisnya dari senyawa-senyawa lain maupun dengan mengambilnya dari larutan di sekitarnya. Ribosom akan menambahkan tiap asam amino yang dibawa oleh tRNA ke ujung rantai polipeptida yang sedang tumbuh. 1. Pembentukan Aminoasil tRNA Setiap molekul tRNA harus mampu mengenali (i) asam amino spesifik, (ii) mengenali kodon spesifik asam amino dalam mRNA. Pengenalan asam amino dibantu oleh enzim amino asil tRNA sintetase. Setiap enzim tersebut spesifik untuk suatu asam amino yang berbeda. Enzimenzim tersebut mengkatalisa pengikatan asam amino pada ujung 3’ dari molekul tRNA yang spesifik. Energi untuk reaksi ini disediakan dari hidrolisis ATP. Proses kombinasi antara tRNA dengan asam amino berlangsung dua tahap, yaitu : • • A.amino 1-ATP + E1 A.amino 1-AMP-E1 + Ppi A.Amino 1-AMP-E1 + tRNA amino 1-tRNA1 +E1 + AMP 75 A. Penyambungan tRNA dengan asam amino merupakan suatu peristiwa endorgenik yang terjadi dengan bantuan ATP. Tempat aktif enzim mengikat asam amino dan molekul ATP. ATP kehilangan dua gugus fosfatnya dan bergabung dengan asam amino sebagai AMP. tRNA berikatan kovalen dengan asam amino menggeser AMP di tempat aktif enzim, dan enzim melepaskan aminoasil tRNA yang juga disebut sebagai asam amino teraktivasi. 2. Ribosom Ribosom memudahkan pemasangan spesifik antara antikodon tRNA dengan kodon pada mRNA selama sintesis protein. Ribosom terdiri atas dua sub unit, yaitu sub unit besar dan sub unit kecil. Sub unit ribosom dibangun oleh protein-protein dan molekul-molekul RNA yang disebut ribosomal RNA (rRNA). Pada eukariota sub unit-sub unit tersebut dibuat di dalam nukleus. Gen RNA ribosom pada DNA kromosomal ditranskripsi, dan RNA tersebut diproses dan digabungkan dengan protein-protein yang diambil dari sitoplasma. Sub unit ribosom yang dihasilkan kemudian diekspor ke sitoplasma melalui pori-pori inti. Baik pada prokariota, maupun eukariota, kedua sub unit tersebut bergabung dan terikat pada mRNA . Tiap ribosom memiliki tiga tempat pengikatan, yaitu: • Tempat pengikatan Peptidil tRNA (P), tempat pengikatan tRNA yang membawa rantai polipeptida yang sedang tumbuh. • Tempat pengikatan aminoasil tRNA, yaitu mengikat tRNA yang membawa asam amino berikut yang akan ditambahkan pada rantai polipeptida. • Tempat keluar (E), merupakan tempat keluar yang baru ditemukan. 76 Gambar: Sintesis protein pada membran retikulum endoplasma oleh ribosom (Campbell, at al. 2002) a. Transkripsi Enzim yang bertanggung jawab untuk transkripsi yaitu RNA polimerase yang bergerak di sepanjang gen dari promotor sampai persis dibelakang terminator. RNA polimerase menyusun molekul RNA dengan urutan nukleotida yang berkomplementer dengan rantai cetakan gen tersebut. Urutan nukleotida spesifik di sepanjang DNA yang menandai dimana transkripsi suatu gen dimulai dan diakhiri atau Rentangan DNA yang betul-betul ditranskripsi disebut unit transkripsi. Setelah terikat pada promotor, RNA polimerase bergerak ke titik star untuk mengawali transkripsi RNA. Urutan nukleotida pada promotor menentukan ke arah mana RNA polimerase itu menghadap dan karena itu menentukan rantai mana yang digunakan sebagai cetakannya. RNA polimerase bekerja sepanjang rantai DNA cetakan dan memanjangkan RNA yang tumbuh dalam arah 5’-3’. Bersamaan setelah transkripsi, rantai DNA kembali membentuk heliks ganda. Akhirnya RNA polimerase mentranskripsi gen terminator, suatu urutan nukleotida di sepanjang DNA yang menandakan akhir dari unit transkripsi tersebut. Segera setelah itu, RNA nya 77 dilepas, dan polimerase berpisah dari DNA. Pada prokariota, transkripsi RNA dari gen pengkode protein segera dapat digunakan sebagai mRNA, sedangkan pada eukariota, RNA yang dihasilkan baru dalam bentuk RNA primer atau pre-RNA yang masih mengalami perubahan lebih lanjut sebelum dikeluarkan dari inti. Gambar: Ringkasan transkripsi dan translasi dalam sel eukariotik (Campbell, at al. 2002) 78 Pada eukariota, dikenal ada tiga tipe RNA polimerase, yaitu RNA polimerase I, II, dan III. RNA polimerase I berfungsi mentranskripsi gen yang mengkode RNA ribosom (rRNA), dan menghasilkan RNA primer yang disebut pre-rRNA. RNA polimerase II mentraskripsi gengen struktural menjadi RNA primer yang disebut premRNA , dan RNA polimerase III, mentranskripsi gen-gen untuk tRNA dan menghasilkan RNA primer yang disebut pre-tRNA. RNA polimerase selain mengkatalisis pembentukan RNA, juga bekerja membuka kedua pilinan DNA sehingga terpisah menjadi dua rantai. Tahap-Tahap Translasi Translasi secara sederhana dibagi menjadi tiga tahap, yaitu (i) inisiasi, elongasi dan terminasi. Semua tahapan ini memerlukan faktor-faktor protein yang membantu mRNA, tRNA dan ribosom selama proses translasi. 1. Tahap Inisiasi Sub unit kecil ribosom berikatan dengan mRNA dan tRNA inisiator khusus. Ribosom sub unit kecil melekat pada segmen ‘leader’ pada ujung 5’ mRNA. Pada bakteri, rRNA dari sub unit membentuk pasangan basa dengan urutan nukleotida spesifik dalam leader mRNA. Pada eukariota, ujung 5’ pertama kali memerintahkan ribosom sub unit kecil untuk melekat pada ujung 5’ mRNA. Pada mRNA terdapat kodon inisiasi AUG yang memberi sinyal dimulainya proses translasi. tRNA inisiator yang membawa asam amino metionin melekat pada kodon inisiasi. Penyatuan mRNA, tRNA inisiator, dan sub unit ribosom kecil diikuti oleh perlekatan sub unit ribosom besar menyempurnakan kompleks inisiasi translasi. Protein yang disebut faktor inisiasi dibutuhkan untuk membawa semua komponentersebut bersama-sama. Sel juga mengeluarkan 79 energim dalam bentuk molekul GTP untuk membentuk kompleks inisiasi. Saat proses penyelesaian inisiasi, tRNA inisiator berada pada tempat P dari ribosom, dan tempat A yang kosong siap untuk aminoasil tRNA berikutnya sintesis protein dimulai pada ujung aminonya. RNA polimerase menginisiasi proses transkripsi setelah terikat pada urutan DNA spesifik yang dinamakan promotor, yaitu daerah DNA dimana RNA polimerase melekat dan mengawali transkripsi dan memberi tanda dimana sintesis RNA dimulai. Suatu promotor mencakup titik awal (start point) transkripsi( nukleotida dimana sintesis RNA yang sebenarnya dimulai), dan biasanya terdiri atas beberapa nukleotida . Promotor juga menentukan yang mana dari kedua rantai DNA yang digunakan sebagai cetakan. Pada prokariota, RNA polimerase itu sendiri secara khusus mengenali dan mengikatkan dirinya dengan promotor., Sebaliknya pada eukariota, suatu kumpulan protein yang disebut faktor transkripsi menjadi perantara antara pengikatan RNA polimerase dan inisiasi transkripsi. Hanya setelah faktor transkripsi tertentuk diikat pada promotor barulah RNA polimerase mengikatkan diri pada promotor tersebut. Susunan yang lengkap antara faktor transkripsi dan RNA polimerase yang mengikatkan diri pada promotor disebut kompleks inisiasi transkripsi. RNA polimerase II menginisiasi sintesis RNA pada promotor yang biasanya mencakup boks TATA, suatu urutan nukleotida yang biasanya menyerupai TATAAAA. Di dalam promotornya boks TATA ini terletak kira-kira 25 nukleotida dari titik awal transkripsi. RNA polimerase secara sendirian tidak dapat mengenal boks TATA dan tanda-tanda khusus lain pada promotor. Protein lain, faktor transkripsi yang mengenal boks TATA ini mengikatkan diri pada DNA sebelum RNA polimerase melakukan hal yang sama. Faktor transkripsi tambahan bergabung dengan 80 polimerase pada DNA, heliks ganda DNA membuka dan sintesis RNA dimulai pada titik awal dari rantai cetakan 2. Tahap Pemanjangan (elongasi) Pada tahap elongasi, asam amino ditambahkan satu persatu pada asam amino pertama. Tiap penambahan melibatkan partisipasi beberapa protein yang disebut faktor elongasi yang terjadi dalam tiga tahap, yaitu: • Pengenalan kodon. Kodon mRNA pada tempat A dari ribosom membentuk ikatan hidrogen dengan antikodon molekul tRNA yang baru masuk yang membawa asam amino yang tepat. Faktor elongasi membawa tRNA ke tempat A. Langkah ini juga membutuhkan hidrolisis GTP. • Pembentukan ikatan peptida. Molekul rRNA dari ribosom sub unit besar, berfungsi sebagai ribozim yang mengkatalisis pembentukan ikatan peptida yang memanjang dari tempat P ke asam amino yang baru tiba di tempat A. Pada tahap ini, polipeptida memisahkan diri dari tRNA tempat perlekatannya semula, dan asam amino pada ujung karboksilnya berikatan dengan asam amino yang dibawa oleh tRNA di tempat A. • Translokasi. TRNA di tempat A, sekarang terikat pada polipeptida yang sedang tumbuh, ditranslokasikan ke tempat P. Saat RNA berpindah tempat, antikodonnya tetap berikatan dengan hidrogen pada kodon mRNA; mRNA bergerak bersama-sama dengan antikodon ini dan membawa kodon berikutnya untuk ditranslasi pada tempat A. Sementara itu, tRNA yang tadinya berada pada tempat P bergerak ke tempat E, dan dari tempat ini keluar dari ribosom. Langkah translokasi membutuhkan energi dari hasil hidrolisis GTP. mRNA bergerak melalui ribosom ke satu arah saja, mulai dari ujung 5’; hal ini sama dengan ribosom yang bergerak 5’ ke 3’ pada 81 mRNA. Hal yang penting di sini adalah ribosom dan mRNA bergerak relatif satu sama lain dengan arah yang sama, kodon demi kodon. Siklus elongasi menghabiskan waktu kurang lebih 1/10 detik dan terus diulang saat tiap asam amino ditambahkan pada rantai hingga polipeptidanya lengkap. Pada saat RNA polimerase bergerak sepanjang DNA cetakan, RNA polimerase terus membuka pilinan DNA heliks ganda tersebut, dan memperlihatkan kira-kira 10-20 basa DNA sekaligus untuk berpasangan dengan nukleotida RNA. Enzim RNA polimerase menambahkan nukleotida ke ujung 3’ dari molekul RNA yang sedang tumbuh. Pada saat sintesis RNA berlangsung, heliks ganda DNA terbentuk kembali dan molekul RNA baru akan lepas dari cetakan DNA nya. Transkripsi berlanjut pada laju kira-kira 60 nukleotida perdetik pada eukariota. 3. Tahap Terminasi Elongasi berlanjut hingga kodon stop mencapai tempat A di ribosom. Triplet basa yang istimewa ini, yaitu UAA, UAG, dan UGA, tidak mengkode asam amino melainkan bertindak sebagai sinyal untuk menghentikan translasi. Suatu protein yang disebut faktor pelepas langsung mengikatkan diri pada kodon stop di tempat A. Faktor pelepas ini menyebabkan penambahan molekul air, bukan asam amino pada rantai polipeptida. Reaksi ini menghidrolisis polipeptida yang sudah selesai dari tRNA yang berada di tempat P, melepaskan p[olipeptida dari ribosom Pada retikulum endoplasma, suatu polipeptida yang ditujukan untuk endomembran atau untuk sekresi dari sel dimulai dengan sinyal peptida, suatu rentangan asam amino yang mengarahkannya ke RE. Tahapan-tahapannya adalah 82 • Sintesis polipeptida dimulai pada ribosom bebas di dalam sitosol . • Partikel pengenal sinyal (SRP) mengikatkan diri pada peptida sinyal. • SRP kemudian mengikatkan diri pada protein reseptor di dalam membran RE. Reseptor ini merupakan bagian dari kompleks protein, disini disebut kompleks translokasi, yang juga mencakup pori-pori membran dan enzim pemotong sinyal. • SRP dilepaskan , dan polipeptida yang sedang tumbuh ditranslokasi melintasi membran. Peptida sinyal tetap melekat pada membran. • Enzim-enzim pemotong sinyal memotong peptida. • Sisa dari polipeptida yang sudah jadi meninggalkan ribosom dan mengalami konfirmasi seperti yang ditunjukkan pada gambar. Setelah gen eukariotik yang mengandung ekson dan intron ditranskripsi, transkrip RNA bergabung dengan ribonukleoprotein protein kecil (snRNP) dan protein lain untuk membentuk kompleks molekul yang disebut spliosom. Di dalam spliosom, RNA dan snRNP tertentu membentuk pasangan basa dengan nukleotida di ujungujung intron. Transkrip RNA dipotong untuk melepaskan intron dan ekson disambung menjadi satu. Spliosom kemudian pecah, melepaskan mRNA yang sekarang hanya mengandung ekson Transkripsi berlangsung hingga RNA polimerase mentranskripsi urutan DNA yang disebut terminator. Terminator yang ditranskripsi, yaitu suatu urutan RNA yang berfungsi sebagai sinyal terminasi sesungguhnya. Pada sel prokariota, transkripsi biasanya berhenti tepat pada akhir sinyal terminasi. Ketika polimerase mencapai titik tersebut, polimerase melepas RNA dan DNA. Pada sel eukariota, polimerase ini terus melewati sinyal terminasi, 83 suatu urutan AAUAAA di dalam pra m-RNA. Pada titik yang lebih jauh kira-kira 10 – 35 nukleotida, pra-mRNA ini dipotong hingga terlepas dari enzim tersebut. Tempat pemotongan pada RNA juga merupakan tempat untuk penambahan ekor poli (A)- salah satu langkah pemrosesan RNA. Modifikasi Transkrip RNA Pada prokariota hasil transkripsi RNA segera dapat digunakan untuk mentranslasi protein. Hal ini berbeda dengan eukariota. Pada eukariota hasil transkripsi awal (RNA primer) mengalami serangkaian modifikasi untuk menghasilkan RNA yang definitif. b. Prosesing r-RNA Hasil transkrip rDNA adalah pre-rRNA 45 S. Pre rRNA mengalami metilasi, dipotong (cleaved) dan ukurannya direduksi menjadi tiga unit yang lebih kecil, yaitu r RNA 18S, rRNA 5,8 S, dan r RNA 28 S. Ribosom eukariota merupakan monomer 80 S yang berdisosiasi menjadi sub unit besar dengan koefisien sedimentasi 80 S dan sub unit kecil dengan koefisien sedimentasi 40 S. 84 Prekuersor r RNA 45 S OH 3.000 nukleotida Pengolahan RNA Daerah urutan nukleotida yang diuraikan rRNA 18 S rRNA 5,8 S rRNA 28 S rRNA 5 S dibuat di tempat lain Ke sub unit kecil ribosom Ke sub unit besar ribosom Gambar: Prosesing r RNA c. Prosesing mRNA Pada sel prokariota terdapat gen dengan kodon yang kontinyu (tanpa interupsi). Tiap gen ditraskripsi menjadi transkrip primer, yaitu mRNA yang panjangnya sama dengan panjang gen dan menentukan urutan asam amino yang akan dirakit menjadi protein. Pada eukariota, terdapat gen dengan urutan kodon yang diskontinyu. Struktur gen seperti itu disebut “split gene” yang dapat dibedakan antara ekson (exon) , yaitu komponen yang sebenarnya, dan intron, yaitu daerah yang tidak mengkode asam amino (daerah non coding atau intervening sequences). 85 7.700 PASANGAN BASA L 1 2 3 4 5 6 7 b A 47 B C D 185 51 129 E 118 F 143 G 156 1043 Gen Ovalbumin, 7700 pasangan basa L 1 2 3 4 5 6 7 b A B C D E F G Transkripsi mRNA primer L 1 5’ 2 3 4 5 6 7 3’ b A B C D E F G Capping dan poliadenilase 86 L 1 2 5’ 3 4 5 6 7 3’ b A B C D E F G Pemotongan dan penyambungan Intron (A - G) L 1 2 3 4 5 6 7 5’ CAP POLI A 3’ 1872 PASANGAN BASA mRNA Ovalbumin matang Gambar: Prosesing mRNA Setiap ujung molekul pre-mRNA dimodifikasi dengan cara tertentu. Ujung 5’, yaitu ujung yang pertama dibentuk segera ditutup dengan bentuk nukleotida guanin (G) yang termodifikasi. Ujung 5’ ini sedikitnya memiliki dua fungsi penting, yaitu: • Melindungi mRNA dari perombakan (degradasi) oleh enzim hidrolitik. • Setelah mRNA mencapai sitoplasma, ujung 5 ini berfungsi sebagai tanda untuk perlekatan ribosom. Ujung lain mRNA, yaitu ujung 3’ juga dimodifikasi sebelum meninggalkan nukleus. Pada ujung 3’ ditambahkan ekor poli A yang terdiri atas 30 – 200 nukleotida adenin. Fungsi poli A adalah untuk menginhibisi degradasi mRNA dan membantu ribosom melekat padanya. Selain itu ekor poli A juga mempermudah ekspor mRNA dari nukleus 87 Bagaimana penyambungan mRNA dilakukan ? Para peneliti telah mempelajari bahwa sinyal-sinyal untuk penyambungan RNA merupakan urutan nukleotida pendek pada ujung-ujung intron. Partikel yang disebut ribonukleoprotein nukleus kecil (snRNP = small nuclear ribonucleoprotein)mengenali tempat-tempat penyambungan ini. SnRNP ditempatkan di dalam nukleus sel dan tersusun atas molekul RNA dan protein. RNA dalam partikel snRNP disebut RNA nukleus kecil (snRNA=small nuclear RNA); setiap molekul panjangnya kira-kira 150 nukleotida. Beberapa snRNP yang berbeda bergabung dengan protein tambahan untuk membentuk susunan yang bahkan lebih besar yang dinamakan spliosom. Spliosom ini berinteraksi dengan tempat-tempat penyambungan pada ujung-ujung intron. Pada tempat-tempat spesifik, spliosom ini terpotong untuk mlepaskan intronnya, kemudian segera bergabung dengan kedua ekson yang mengapit ekson tersebut. Setelah gen eukariotik yang mengandung ekson dan intron ditranskripsi, transkrip RNA bergabung dengan ribonukleoprotein protein kecil (snRNP) dan protein lain untuk membentuk kompleks molekul yang disebut spliosom. Di dalam spliosom, RNA dan snRNP tertentu membentuk pasangan basa dengan nukleotida di ujungujung intron. Transkrip RNA dipotong untuk melepaskan intron dan ekson disambung menjadi satu. Spliosom kemudian pecah, melepaskan mRNA yang sekarang hanya mengandung ekson. d. tRNA Fungsi tRNA adalah mentransfer asam-asam amino ke ribosom dalam urutan yang diarahkan oleh mRNA. Di sini terdapat satu jenis atau lebih tRNA untuk setiap asam amino spesifik Meskipun berbeda spesifitasnya, terhadap 88 asam amino, namun semua molekul tRNA mempunyai sejumlah ciri yang sama, yaitu: • Semua molekul tRNA adalah molekul yang sangat sederhana yang panjangnya kurang lebih 80 nukleotida, ditranskripsi dari kelompok-kelompok berulang dari gen tRNA yang tersebar pada seluruh genom. Dengan demikian transkripsi tRNA menghasilkan suatu molekul prekursor yang besar yang diproses menjadi tRNA yang fungsional. • Semua tRNA memiliki struktur sekunder dan tersier yang sama, meskipun strktur primernya atau urutan nukleotidanya berbeda. • Semua tRNA menandung beberapa modifikasi nukleotida yang khas. Modifikasi post transkripsi dari transkripsi tRNA mengubah banyak nukleosida untuk membentuk residu-residu yang secara umum tidak dijumpai pada tipr RNA lain. Nukleosida-nukleosida yang khas ini meliputi ionin yang mengandung hypoxakitin, rybotimidin, pseudoridin Baik pada prokariota, maupun eukariota, tiap molekul t RNA digunakan berulang kali, mengambil desain asam aminonya di dalam sitosol, membawanya ke ribosom, dan meninggalkan ribosom untuk mengambil asam amino baru. tRNA terdiri atas rantai tunggal yang panjangnya hanya 80 nukleotida yang mengalami pelipatan membentuk molekul dengan struktur tiga dimensi yang diperkuat oleh interaksi antara bagian-bagian yang berbeda dari rantai nukleotida. Basa-basa nukleotida pada daerah tertentu dari rantai tRNA membentuk ikatan hidrogen dengan basa-basa komplementer dari daerah lain. Suatu putaran atau loop dari suatu ujung berbentuk seperti ‘L” mengandung antikodon, yaitu triplet basa terspesialisasi yang komplementer dengan konon mRNA. Molekul tRNA 89 menonjolkan ujung 3’ nya sebagai tempat perlekatan asam amino. 90 BAB IV PEWARISAN SIFAT SEL Kemampuan organisme untuk memproduksi jenisnya merupakan salah satu karakteristik yang paling bisa membedakan antara makhluk hidup dengan benda mati. Semua fungsi biologis, memiliki dasar seluler. Dimana sel yang ada, pasti ada sel pendahulunya, sama seperti hewan yang muncul hanya dari hewan dan tumbuhan muncul hanya dari tumbuhan. Kelangsungan kehidupan didasarkan pada reproduksi sel atau pembelahan sel. Dalam proses pembelahan sel akan diwariskan sifat-sifat dari induk kepada keturunannya. Pada sel yang mampu membelah, siklus sel merupakan periode dari awal satu pembelahan ke awal pembelahan berikutnya. Siklus sel biasanya ditunjukkan dalam diagram seperti suatu lingkaran. Panjang waktu antara dua pembelahan yang berturut-turut ditunjukkan oleh suatu putaran lengkap dari lingkaran yang disebut waktu generasi (T). Waktu generasi bervariasi dalam kisaran yang sangat luas tapi pada sel tumbuhan dan hewan biasanya sepanjang beberapa jam. Sel merupakan satuan dasar struktural, fungsional, dan hereditas makhluk hidup. Untuk pertumbuhan dan perkembangannya setiap organisme hidup tergantung pada pertumbuhan dan penggandaan sel-selnya. Pada organisme uniseluler, pembelahan sel diartikan sebagai reproduksi, dan dengan proses ini dua atau lebih individu baru dibentuk dari sel induk. Pada organisme multiseluler, individuindividu baru berkembang dari satu sel primordial yang dikenal dengan nama zygot, dan selanjutnya tumbuh dan berkembang menjadi individu baru. 91 Umumnya sebelum suatu sel mengalami pembelahan, sel-sel terlebih dahulu mengalami pertumbuhan hingga mencapai ukuran tertentu. Setiap sel mengalami dua periode yang penting dalam siklus hidupnya yaitu periode interfase atau periode non pembelahan dan periode pembelahan. Pada periode pembelahan ini dihasilkan sel-sel baru. Kedua periode tersebut secara umum dikenal dengan nama siklus sel. Pembelahan sel mencakup dua proses utama yakni mitosis dan sitokinesis. Pembelahan sel yang sebenarnya membentuk dua sel disebut sitokinesis. Sebelum sel eukariot membelah nukleusnya harus mengalami mitosis yaitu suatu pembelahan kompleks yang secara tepat menyebarkan kelompok kromosom yang lengkap kepada masing-masing nukleus sel anak. Mitosis menjamin bahwa masing-masing sel yang baru mengandung kromosom dalam jumlah dan jenis yang sama dengan yang terdapat pada sel induk aslinya. Secara umum siklus sel terdiri atas dua periode yaitu (i) interfase, meliputi fase G1, S dan G2. Fase G1 merupakan periode presintesis, fase S merupakan periode sintesis, dan G2 merupakan fase postsintesis (ii) fase pembelahan sel yang terdiri atas fase mitosis dan sitokinesis. Fase mitosis terdiri atas beberapa fase, yaitu fase profase, fase metafase, fase anafase, dan fase telofase. Diantara profase dan meta fase, sebahagian penulis mengemukakan adanya fase prometafase. Fase-fase pembelahan mitosis di atas merupakan fase yang ekstrim. 92 Gambar: Siklus Sel (Campbell, Reece, dan Mitchell, 2000) Selama periode interfase, kromosom tidak tampak disebabkan karena materi kromosom dalam bentuk benangbenang kromatin, dan komponen-komponen makro molekulnya didistribusikan di dalam inti. Selama siklus sel terjadi perubahan-perubahan yang sangat dinamis. Perubahan-perubahan tersebut terutama komponenkomponen kimia dari sel seperti DNA, RNA, dan berbagai jenis protein. Duplikasi DNA berlangsung selama periode khusus interfase yang disebut fase sintesis atau periode S. Periode sintesis didahului oleh periode G1 dan diikuti oleh periode G2. Selama pembelahan sel, inti mengalami serangkaian perubahan-perubahan yang sangat kompleks, terutama perubahan-perubahan kandungan intinya. Pada saat pembelahan sel berlangsung, membran inti dan nukleus menjadi tidak tampak dan subtansi kromatin mengalami kondensasi menjadi kromosom. Dikenal ada tiga tipe pembelahan sel, yaitu amitosis, mitosis dan meiosis. 93 A. AMITOSIS Pembelahan amitosis ( a= tidak; mitosis = pembelahan inti) adalah pembelahan sel yang berlangsung tanpa melibatkan fase-fase tertentu yang umum dijumpai pada pembelahan mitosis dan miosis. Pembelahan amitosis berlangsung relatif spontan dan dijumpai pada sejumlah organisme prokariota, misalnya bakteri, dan algae biru hijau. B. MITOSIS Mitosis atau pembelahan inti merupakan stadium akhir dari siklus sel dan merupakan stadium yang paling pendek, yaitu kurang lebih 10% dari keseluruhan waktu yang dibutuhkan untuk satu kali siklus. Selama pembelahan inti, struktur kromosom tampak mengalami perubahanperubahan secara progresif. 94 Gambar: Pembelahan Mitosis (Sheeler dan Bianchii, 1983) 1. Interfase Sebagian besar waktu hidup sel dilalui pada interfase, yang secara aktif mensintesis bahan-bahan yang dibutuhkan dan pertumbuhan. Istilah interfase (diantara fase) berkenaan dengan kenyataan bahwa tahap siklus hidup sel ini terjadi antara fase mitosis yang berurutan. Kirakira pada tahun 1950 diketahui bahwa kromosom bereplikasi selama interfase, dan secara sederhana terpisah dan tersebar pada nukleus sel anak selama mitosis. Percobaan dengan menggunakan thymidin bertanda tritium (3H), satu precursor DNA, menunjukkan bahwa DNA 95 disintesis selama intefase. Periode replikasi DNA selama interfase disebut fase sintesis atau fase S. Waktu antara mitosis dengan awal replikasi DNA disebut fase G1 atau fase gap pertama. Selama fase G1, sel tumbuh dan proses-proses sel tertentu seperti peningkatan aktivitas enzim yang cukup di dalam sintesis DNA yang terjadi memungkinkan sel memasuki fase S dan melakukan pembelahan sel yang berikutnya. Gambar: Mitosis pada Ascaris Megalocephala: sel menunjukkan fase interfase Setelah menyelesaikan fase S, sel memasuki fase gap kedua, G2. pada waktu ini terdapat peningkatan sintesis protein begitu terjadi tahap akhir persiapan pembelahan sel. Penyelesaian fase G2 ditandai oleh awal mitosis. Sel tubuh manusia yang khas mengandung 46 benang DNA (46 kromosom) dengan panjang total 2 m atau lebih. Seluruh benang ini terisi ke dalam nukleus yang berdiameter 5 μm. Selama proses replikasi yang kompleks dibuat suatu kopi dari masing-masing 46 benang ini. Replikasi tidaklah sederhana bahwa dimulai pada satu 96 ujung dari masing-masing benang dan berjalan sampai ujung yang lain akan tetapi lebih dari itu yakni setiap benang mengalami replikasi pada banyak segmen tergantung pada program yang telah ditentukan. Segmen tidak bereplikasi secara tandem pada satu kromosom, juga satu kromosom menyelesaikan replikasinya sebelum kromosom berikut mulai bereplikasi. Jika segmen terakhir telah berduplikasi, sintesis DNA berhenti dan tidak dimulai lagi sampai fase S siklus berikutnya. 2. Profase Tahap profase dimulai jika benang kromatin mulai memadat dan tampak sebagai kromosom. Pada pembentukan kromosom benang DNA yang panjang memadat dan membentuk koil menjadi berkas yang jauh lebih pendek menyebabkan kromosom memisah dan lewat sampai pada sel anak tanpa mengalami kekusutan. Profase merupakan transisi dari fase G2 ke fase pembelahan inti atau mitosis (M) dari siklus sel. Profase adalah stadium pertama dari mitosis. Kromatin yang menyebar selama interfase secara perlahanlahan terkondensasi menjadi kromosom yang mantap. Jumlah kromatin yang tepat merupakan ciri khas dari setiap species, sekalipun pada species yang berbeda dapat mempunyai jumlah kromatin yang sama. Selain itu pada profase membran inti mulai berdegenerasi dan secara perlahan-lahan inti menjadi tidak tampak, dan terjadilah pembentukan spindel mikrotubul. 97 (A) (B) Gambar: Interfase (A) dan Profase (B) (Campbell, Reece, dan Mitchell, 2000) Sebelum profase masing-masing kromosom mengalami duplikasi selama fase sintesis dari siklus sel. Setiap kromosom terdiri atas dua kromatid sister yang bergabung pada suatu tempat yang disebut sentromer atau 98 kinetockor. Pada awal profase, massa mikrotubul sitoplasma yang merupakan bagian dari sitoskeleton rusak dan membentuk kelompok molekul-molekul tubulin yang besar. Molekul-molekul tubulin digunakan kembali untuk konstruksi komponen utama aparatus mitosis atau spindel mitosis. Spindel mitosis merupakan struktur benang bipolar yang sebagian besar disusun oleh mikrotubul yang mulamula terbentuk di luar nukleus. Pusat pembentukan spindel atau kumparan pada kebanyakan sel hewan ditandai dengan adanya sentriol. Pasangan sentriol pada sel mulamula berduplikasi dengan suatu proses yang dimulai tepat sebelum fase sintesis. Duplikasi menghasilkan dua pasang sentriol. Masing-masing pasangan sentriol sekarang menjadi pusat mitosis yang membentuk pusat bagi susunan mikrotubul radial yang disebut aster. Kedua aster tersebut terletak berdampingan dekat membran inti. Pada profase akhir, berkas-berkas mikrotubul polar berinteraksi di antara dua aster, mula-mula memanjang dan tampak mendorong sentriol ke bagian sepanjang sisi membran inti. Dengan cara ini spindel mitosis bipolar terbentuk. Spindel mitosis terdiri dari mikrotubul dan mikrofilamen yang berasosiasi dengan protein. Berdasarkan perlekatannya, spindel mitosis dibagi menjadi dua yaitu serabut-serabut bipolar yang merentang dari dua kutub spindel ke arah ekuator, dan serabut-serabut kinetokor yang melekat pada sentromer pada setiap kromatid dan merentang ke arah spindel. Begitu profase diteruskan, kromosom menjadi lebih pendek dan lebih tebal dan nampak sebagai bahan yang gelap berbentuk batang di bawah mikroskop cahaya. Kromosom belum seluruhnya terpisah dari duplikatnya dan dianggap sebagai kromatid. Kromatid kembar bergabung pada suatu struktur khusus yang disebut sentromer. 99 Pada awal profase, anggota dari dua pasang sentriol berpisah dan bermigrasi ke arah kutub yang berlawanan dari sel. Sentriol merupakan sifat sel hewan tetapi tidak terdapat di dalam sel tumbuhan kompleks. Mikrotubul terutama tersusun atas protein terbentuk dan mulai terkumpul menjadi suatu spindle mitosis. Pada sel hewan, mikrotubul yang serupa memancar ke seluruh arah dari sentriol; kelompok mikrotubul ini disebut aster. Selama profase membran inti terbongkar menyebabkan isi inti tercampur dengan sitoplasma. Pada akhir profase, nukleolus biasanya berkurang dan bahkan hilang. Pada akhir profase kromatid yang memadat melekat pada serat spindel di sentromernya dan membentang sepanjang akuator sel. Dipertengahan diantara dua kutub dan tegak pada sumbu spindel. 3. Prometafase Prometafase (metafase awal) dimulai secara tiba-tiba dengan rusaknya inti yang pecah menjadi fragmen-fragmen membran yang tidak dapat dibedakan dengan potonganpotongan retikulum endoplasma. Fragmen-fragmen tersebut tetap berada disekitar kumparan atau spindel selama mitosis. Kumparan-kumparan yang terletak di luar inti sekarang dapat masuk ke daerah inti. 100 Gambar: Prometafase (Campbell, Reece, dan Mitchell, 2000) Pada saat prometafase, kromosom-kromosom bermigrasi ke arah pusat spindel. Gerakan tersebut disebabkan karena adanya gerakan yang beragitasi yang disebabkan oleh adanya interaksi antara benang-benang kinetokor dengan komponen-komponen lain dari spindle. 4. Metafase Periode dimana kromatid berjajar disepanjang bidang ekuator sel disebut metafase. Spindel mitosis lengkap tersusun oleh banyak mikrotubul yang memanjang dari setiap kutub ke akuator. Ini semua berakhir dekat sentriol akan tetapi tidak tepat menyentuhnya. Spindel mempunyai kekentalan seperti gel dan bahkan lebih kental dibanding sitoplasma disekitarnya. Selama metafase setiap kromatid memadat secara keseluruhan dan nampak agak tebal dan mempunyai sifat yang tersendiri. Karena kromosom metafase dapat lebih jelas terlihat dibanding tahap lainnya maka kromosom ini dapat 101 difoto dan dipelajari untuk menentukan kemungkinan terdapat kromosom yang abnormal. Selama metafase, sentromer pada setiap kromosom berkumpul pada bagian tengah spindel pada bidang ekuator. Pada tempat-tempat ini, sentromer-sentromer diikat oleh benang-benang spindel yang terpisah, dimana setiap kromatid dilekatkan pada kutub-kutub spindel yang berbeda. Kadang-kadang benang-benang spindel tidak berasosiasi dengan kromosom dan merentang secara langsung dari satu kutub ke kutub yang lain. Pada saat metafase, sentromer-sentromer diduplikasi dan setiap kromatid menjadi kromosom yang independen. Gambar: Metafase (Campbell, Reece, dan Mitchell, 2000) 5. Anafase Anafase dimulai dengan pemisahan sentromer dari pasangan kromatid seluruh kromosom. Masing-masing kromatid kemudian akan menjadi kromosom yang bebas. 102 Kromosom yang terpisah secara perlahan tertarik ke arah kutub yang berlawanan. Kromosom bergerak ke arah kutub dengan sentomer (melekat pada serat spindel) berada di depan sedang lengan kromosom mengikut dibelakangnya. Anafase berakhir jika kelompok kromosom yang lengkap telah tiba pada ujung sel yang berlawanan. Anafase dimulai secara tiba-tiba ketika pasangan kinetokhor pada masing-masing kromatid terdorong secara perlahan-lahan menuju kutub spindel. Jadi anafase ditandai dengan terjadinya pemisahan kromatid sister membentuk anak kromosom yang bergerak menuju kutub spindel yang berlawanan. Gambar: Anafase (Campbell, Reece, dan Mitchell, 2000) 6. Telofase Tahap akhir mitosis, telofase, ditunjukkan oleh kembalinya ke keadaan interfase. Kromosom memanjang melalui pembukaan koil. Membran inti yang baru terbentuk di sekitar kelompok kromosom, dihasilkan dari sebagian komponen lipid dari membran inti yang lama. Nukleolus muncul kembali, sedang serat spindel menghilang. 103 Ketika kromatid-kromatid anakan yang terpisah sampai di kutub, benang-benang kinetokhor lenyap, benangbenang kumparan kembali memanjang dan membran inti yang baru kembali terbentuk disekitar masing-masing kromatid anakan. Kromosom nukleolus tanpak kembali dan mitosis berakhir. Gambar: Telofase dan sitokinesis (Campbell, Reece, dan Mitchell, 2000) 104 Gambar: Mitosis pada hewan Ascaris megalocephala. Sel menunjukkan fase profase, metafase dan anafase. Gambar: Mitosis pada hewan Ascaris megalocephala. Sel menunjukkan fase anafase. 105 Gambar: Mitosis pada hewan Ascaris megalocephala. Sel menunjukkan fase telofase. Sitokinesis adalah pembelahan sitoplasma yang sebenarnya menghasilkan dua sel dan umumnya berlangsung selama telofase. Pembelahan sel hewan diselesaikan dengan cara suatu alur mengelilingi permukaan sel pada bidang akuator. Secara perlahan-lahan alur menjadi lebih dalam dan memisahkan sitoplasma menjadi dua sel anak. Masing-masing mempunyai nukleus yang lengkap. Pada sel tumbuhan pembelahan terjadi melalui pembentukan papan sel yang merupakan sekat yang terbentuk di daerah akuator spindel dan tumbuh secara lateral ke arah dinding sel. Papan sel terbentuk dari vesikula-vesikula yang dikeluarkan oleh RE. masing-masing sel anak kemudian membentuk membran sel pada sisi papan selnya, dan dinding sel selulosa ditambahkan pada salah satu dari sisi papan sel. Sitokinesis Pada Sel Hewan Sitoplasma terbagi oleh suatu proses yang dikenal sebagai cleavage yang biasanya dimulai pada akhir anafase dan telofase. Membran pada bagian tengah sel tertarik ke dalam membentuk alur cleavage yang tegak lurus pada sumbu kumparan di antara nukleus dan secara bertahap menyempit hingga pada akhirnya putus dan membentuk dua sel anak secara terpisah. 106 Gambar: Sitokinesis Sel Hewan (Campbell, Reece, dan Mitchell, 2000) Sitokinesis Pada Sel Tumbuhan Berbeda dengan sel hewan, sel tumbuhan tidak mampu membentuk lekuk cleavage. Hal ini disebabkan karena adanya dinding sel yang kaku. Sitokinesis pada dinding sel tumbuhan tinggi melibatkan vesikula-vesikula yang berasal dari badan golgi dan mikrotubul-miktotubul yang tersusun paralel dan disebut fragmoplas. Vesikulavesikula yang berasal dari badan golgi berasosiasi dengan mikrotubula fragmoplas dan ditranslokasikan sepanjang mikrotubula ke arah daerah ekuatorial. Vesikula-vesikula tersebut selanjutnya terakumulasi pada daerah dimana mikrotubula fragmoplas mengalami overlap. Vesikulavesikula selanjutnya berfusi satu sama lain membentuk lempeng sel (Cell plate). Vesikula-vesikula tadi berisi senyawa-senyawa pembentuk papan sel dan dinding sel seperti pektin, hemiselulosa dan selulosa. 107 Lempeng sel meluas secara lateral hingga mencapai dinding sel semula. Hal tersebut mungkin disebabkan karena mikrotubula-mikrotubula pada fragmoplas awal dirakit dirombak pada bagian perifer dari lempeng sel awal. Di tempat tersebut mereka menarik vesikula-vesikula lain dan kembali berfusi pada bidang ekuator sehingga lempeng sel meluas ke arah tepi. Proses ini berulang hingga lempeng sel mencapai membran plasma, dan dua sel baru terpisah secara sempurna. Pada akhirnya mikrofibril-mikrofibril selulosa ditempatkan pada bagian bawah lempeng sel untuk membentuk dinding sel baru. Gambar: Sitokinesis pada sel tumbuhan (Albert, et al., 1983) 108 Gambar: mitosis pada tumbuhan akar Allium. Sel menunjukkan fase interfase, anafase, dan telofase. Gambar : mitosis pada tumbuhan akar Allium. Sel menunjukkan fase profase dan anafase, dan telofase 109 Signifikansi Mitosis Pengaturan proses pembelahan sel yang luar biasa itu menjamin setiap sel anak akan menerima kromosom dalam jumlah dan jenis yang pasti sama dengan yang dimiliki oleh sel induknya. Kemudian setiap dari organisme multiseluler mempunyai jumlah dan jenis kromosom yang pasti sama dengan sel-sel lainnya. Jika satu sel harus menerima kromosom yang jumlahnya kurang atau lebih banyak dibanding jumlah kromosom yang seharusnya karena suatu kelainan fungsi sel selama proses pembelahan, akan menghasilkan sel yang menunjukkan tanda-tanda abnormal dan kemungkinan tidak mampu hidup. Kenyataan bahwa sel mengandung informasi genetik yang diperlukan bagi setiap sifat dari organisme akan mampu menjelaskan mengapa suatu sel tunggal yang diambil dari tumbuhan dewasa yang telah berdiferensiasi sepenuhnya dan ditanam pada kondisi yang cocok bagi kultur sel, akan mampu berkembang menjadi suatu tumbuhan baru yang lengkap. C. MEIOSIS Fertilisasi menandai dimulainya fase diploid pada hewan dan tumbuhan yang berkembang biak secara seksual. Stadium haploid dari siklus seksual dihasilkan dari proses pembelahan inti yang disebut miosis. Miosis berlangsung pada sel-sel miosit yang terdapat di dalam jaringan reproduksi pada suatu organisme. Seperti halnya dengan mitosis, miosis berlangsung setelah fase G1, S dan G2 dari interfase dan menentukan distribusi kromosom yang tepat ke dalam sel-sel anak. Berbeda dengan mitosis, sebab miosis mencakup dua siklus pembelahan berturut-turut dan menghasilkan 4 sel anak. Pembelahan pertama dari miosis disebut pembelahan reduksi. Miosis pertama mengubah inti dari suatu miosit yang mengandung kromosom diploid menjadi inti haploid 110 yang mengandung kromosom n. Jumlah kromosom direduksi jika pasangan kromosom homolog terpisah. Pembelahan kedua disebut equation devision atau miosis kedua. Miosis kedua mengubah dua hasil dari pembelahan miosis pertama menjadi 4 inti haploid. Pembelahan miosis merupakan suatu bentuk pembelahan inti yang penting pada organisme yang berkembang biak secara seksual. Miosis berlangsung pada organisme eukariota yang mengandung jumlah kromosom diploid (2n). Kedua set kromosom yang berpasangan tersebut dinamakan kromosom homolog. Telah diketahui bahwa manusia m,engandung 46 kromosom atau 23 kromosom homolog (pada manusia n=23). Ke 46 kromosom yang terdapat pada zygot dibentuk pada saat fertilisasi yang diturunkan dari sel sperma dan sel telur dari kedua induknya (paternal dan maternal). Sel sperma dan sel telur mengandung setengah jumlah kromosom induknya dan dinamakan haploid. Gambar: Folikel ovarium kelinci dimana proses pembelahan miosis berlangsung 111 Gambar: proses pembentukan sperma pada tubulus seminiferus testis. 1. Miosis Pertama Profase I Profase pertama merupakan fase yang sangat kompleks dari miosis. Terdiri atas 5 fase yaitu leptonema (leptoten), Zygonema (zygoten), Pachynema (pachyten), diplonema (diploten), dan diakinesis. • Leptonema: Stadium ini ditandai dengan dimulainya kondensasi kromosom., setiap kromosom tanpak terdiri atas dua kromatid. • Zygonema: Stadium ini ditandai dengan adanya kromosom homolog yang berpasangan. Kejadian ini disebut sinapsis. Setiap unit terdiri atas dua synap, dan kromosom homolog yang telah terduplikasi disebut bivalen atau tetrad. Pada fase ini terbentuk kompleks 112 sinaptonema dimana terjadi crossing over. Crossing over dihasilkan dari pembelahan oleh endonuklease dari DNA sesuai posisi dari dua kromatid non sister yang diikuti dengan transposisi dan penggabungan kembali ujungujung bebas dari rantai kromosom homolog. Hasil dari crossing over adalah kombinasi gen-gen baru, dibentuk pada kromosom homolog. • Pachynema: Selama stadium ini, kromatid menjadi sangat jelas sebagai hasil kondensasi yang terus menerus. • Diplonema dan diakinesis: Stadium ini ditandai dengan terjadinya pemisahan kromosom homolog kecuali pada titik dimana chiasmata dibentuk. Metafase I Pada fase ini apparatus spindel terbentuk seperti pada mitosis, dan tetrad berkumpul pada bidang ekuatorial atau bidang pembelahan. Sentromer dari kromosom homolog melekat pada benang-benang spindel yang terbentuk pada kutub sel yang berlawanan. Anafase I Pada tahap ini anggota pasangan kromosom yang homolog bergerak menuju ke kutub sel yang berlawanan. Karena sentromer (kinetokor) yang terdapat pada masingmasing kromosom belum membelah, maka pada setiap kromosom masih tampak dua kromatid yang berlekatan. Telofase I Telofase I diikuti oleh interkinesis (interfase), sifatnya bervariasi. Pada beberapa organisme, tahap ini sama sekali tidak ada, dalam arti tidak ada pembentukan membran nukleus anak, dan miosis terus langsung memasukitahap miosis II. Pada sel yang lain telofase dan interkinesis sangat singkat, padanya terbentuk membran nukleus anak dan 113 kromosom bertambah panjang dan menyebar di dalam nukleus anak. Pada telofase I tidak berlangsung sintesis DNA, keadaan genetic kromosom tidak berubah dan kedua nukleus anak yang terbentuk sebagai hasil miosis I sudah haploid. Karena miosis I berakhir dengan pengurangan jumlah kromosom sampai setengahnya (dari diploid menjadi haploid) maka miosis disebut juga pembelelahan reduksi. Proses selanjutnya yang berlangsung pada miosis II sama dengan pada mitosis sel-sel yang haploid. Karena itu miosis II dinamakan pembelahan ekuasi (equation division) Gambar : Miosis I (Campbell, Reece, dan Mitchell, 2000) 2. Miosis Kedua Profase II Apparatus spindle terbentuk, dan berkembang ke arah lempeng metafase dua. kromosom Metafase II Metafase dua mirip dengan metafase pada pembelahan mitosis. Pasangan kromatid bergerak ke pusat spindel dan melekat pada mikrotubula-mikrotubula. 114 Anafase II Mirip dengan anafase pada pembelahan mitosis. Tetapi berbeda dengan anafase I. Pada anafase II kromatid sister terpisah satu sama lain dan bergerak menuju kutub spindel yang berlawanan. Telofase II Telofase II mirip dengan telofase pada pembelahan mitosis. Kelompok-kelompok kromosom yang telah terpisah kembali dibungkus oleh membran inti yang baru berkembang dan kromosom mulai mengalami dekondensasi. Miosis menghasilkan 4 sel haploid. Umumnya pada hewan dan beberapa tumbuhan tinggi, miosis yang berlangsung pada jaringan reproduksi diiringi oleh pembelahan sitoplasma. Contoh pembelahan miosis adalah pembentukan gamet pada manusia. Gambar: Meiosis II (Campbell, Reece, dan Mitchell, 2000) 115 Tabel Perbandingan meiosis dan mitosis Definisi: Meiosis Suatu jenis reproduksi seluler dimana jumlah dari kromosomnya dikurangi setengahnya melalui pemisahan kromosom homolog, menghasilkan dua sel haploid. Fungsi: reproduksi seksual Jenis Reproduksi: Terjadi pada: Seksual Genetik: Crossing Ov er: Proses pembelahan Jumlah Sel yang dihasilkan: Jumlah Kromosom Langkah- Mitosis Sebuah proses reproduksi aseksual di mana sel membelah dua dengan jumlah dari krom osom yang sama di setiap sel diploid. Reproduksi seluler & pertumbuhan umum dan perbaikan tubuh Aseksual Manusia, hewan, tumbuhan, jamur Berbeda Ya, pencampuran kromosom dapat terjadi. 2 kali semua organisme 4 sel haploid 2 sel diploid Dikurangi setengahnya Tetap sama Langkah-langkah dari Langkah-langkah 116 Identik tidak dapat terjadi. 1 kali langkah: Karyokenesi s: Cytokenesis: Sentromer Berpisah: Tempat berlangsung Ditemukan oleh: meiosis adalah Interphase, Profase I, Metafase I, Anafase I, telofase I, Profase II, Metafase II, Anafase II dan telofase II. Terjadi di Interphase I Terjadi pada telofase I & II Telohpase Sentromer tidak terpisah selama anafase I, tapi selama anafase II Sel kelamin hanya: sel telur atau sel sperma Wanita Pria Oscar Hertwig mitosis adalah Interphase, Profase, Metafase, Anafase, telofase dan Sitokinesis Terjadi di Interphase Terjadi pada telofase Sentromer berpisah selama Anafase Semua sel, selain sel kelamin Walther Flemming B. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Siklus Sel Frekuensi mitosis pada jaringan-jaringan yang berbeda dan pada spesies yang berbeda sangat beragam. Pada kondisi dimana makanan, suhu dan pH optimal maka panjang siklus sel (waktu generasi) dari setiap jenis sel adalah konstan. Pada kondisi yang kurang menguntungkan, siklus sel akan menjadi lambat yaitu waktu generasi lebih panjang. Masih belum mungkin untuk mempercepat siklus sel dan membuat sel tumbuh cepat walaupun itu hanya melalui percobaan. Tampak bahwa panjang siklus sel merupakan waktu yang dibutuhkan oleh sel untuk melangsungkan beberapa program terdiri dari dua bagian yaitu: satu harus melakukan replikasi bahan genetik di 117 dalam kromosom dan yang lainnya adalah penggandaan seluruh penyusun sel yang dibutuhkan dalam pertumbuhannya. Jika kondisi optimal, bakteri dapat membelah setiap 20 menit. Pada sum-sum tulang manusia setiap detik dihasilkan 10 juta sel darah merah yang berarti setiap detik harus terjadi 10 juta mitosis. Sel-sel yang melapisi saluran pencernaan dan sel-sel yang terdapat pada lapisan reproduksi kulit membelah sangat cepat sepanjang hidupnya. Kebalikannya, pembelahan sel pada sistem saraf pusat biasanya berhenti pada beberapa bulan pertama dari hidupnya. Pada hampir semua sel hewan produksi substansi yang mengatur masuknya sel ke fase S atau fase M tergantung pada stimulasi oleh substansi pengatur tumbuh yang terdapat di dalam darah. Faktor pertumbuhan ini merupakan protein yang kecil dan bekerja secara khas pada beberapa jenis sel dan tidak pada sel lain. Seperti misalnya, faktor pertumbuhan saraf dibutuhkan bagi mitosis sel-sel saraf simpatis. Substansi yang menghambat mitosis disebut kalone, yang mengawasi kerja faktor pertumbuhan. Kalone juga sangat khas dan hanya mempengaruhi jenis jaringan dimana substansi itu dihasilkan. Misalnya saja, kalone yang dihasilkan oleh sel-sel kulit menghambat mitosis sel-sel kulit tetangga. Rusaknya sel kulit diperkirakan karena kalone kurang dihasilkan, sehingga sel-sel disekitar kerusakan ini terlepas dari penghambatan ini. Sel-sel mulai membelah menghasilkan jaringan baru untuk menyembuhkan luka. Jika sel-sel yang sehat telah cukup jumlahnya, sel-sel kemudian menghasilkan kalone untuk menghambat mitosis berikutnya dan menghentikan proses penyembuhan luka Siklus sel juga dipengaruhi oleh obat-obatan tertentu. Colchicine merupakan obat yang digunakan untuk menahan 118 pembelahan sel-sel eukariot. Substansi ini berikatan dengan protein mikrotubul dan ikut serta dalam fungsi spindle mitosis yang normal. Kromosom tidak dapat memisah secara tepat dan bergerak ke arah ujung sel yang berlawanan. Hasilnya adalah sel dapat mengakhiri dengan suatu kelompok kromosom yang berlebihan. Sel tumbuhan dapat hidup walaupun diperlakukan dengan colchicines. Nyatanya, tumbuhan mengandung sel-sel dengan kelompok kromosom berlebih cenderung untuk lebih besar dan lebih aktif dari tumbuhan normal. Antibiotik seperti streptomysin dan tetracycline mencegah mitosis secara tidak langsung dengan cara menghambat sintesis protein pada sel-sel prokariot. Hal ini memperpanjang fase G1 dari siklus sel. Beberapa obat yang digunakan dalam pengobatan kanker dapat menahan satu atau beberapa enzim termasuk sintesis DNA dan pembelahan sel. Oleh karena sel-sel kanker membelah jauh lebih cepat dibanding kebanyakan sel tubuh normal lainnya, maka sangat dihambat oleh obat-obatan ini. Untuk melaksanakan berbagai reaksi kimia yang penting bagi kelangsungan hidup, sel harus mampu mempertahankan lingkungan internal yang tepat. Sel harus mampu mengatur komposisinya sendiri, menciptakan kondisi yang konstan walaupun keadaan di luar sel berubah. Hal ini dapat terjadi karena secara fisik, seluruh sel bahkan yang paling sederhana sekalipun, terpisah dari lingkungan luar oleh membran sel yang juga disebut plasma membran. 119 BAB V TEORI KEMUNGKINAN Berbagai istilah seperti kemungkinan keboleh jadian, peluang dan sebagai biasanya dipergunakan untuk membicarakan peristiwa/kejadian yang hasilnya tidak dapat dipastikan. Dapat juga berupa suatu pernyataan yang tidak diketahui akan kebenarannya. Sesungguhnya banyak hal tidak akan terhindar dari adanya kemungkinan yang harus dihadapi, misalnya saudara ingin berpergian sedangkan udaranya mendung tentunya menghadapi kemungkinan akan turun hujan atau tidak, seorang mahasiswa yang menantikan hasil ujiannya tentu menghadapi kemungkinan apakah ia akan lulus atau tidak, seorang mahasiswa yang kos dan peluang dari kuliah tentunya menghadapi kemungkinan akan mendapat telur ataukah tahu dan tempe sebagai lauk pauk, seorang ibu yang hendak melahirkan anak tentunya menghadapi kemungkinan apakah anaknya nanti laki-laki atau perempuan. Masih banyak contoh lainnya semacam itu. Dalam ilmu genetika, kemungkinan ikut mengambil peranan penting. Misalnya mengenai pemindahan gen dari induk orang tua ke gamet-gamet pembuahan sel telur dari sel spermatozoa, berkumpulnya gen dari zigot sehingga dapat terjadi berbagai macam kombinasi. Agar kita lebih memahami teori kemungkinan, ada baiknya apabila kita mengenal dasar-dasar terlebih dahulu. 1. Kemungkinan atas terjadinya sesuatu yang diinginkan ialah sama dengan perbandingan antara sesuatu yang diinginkan itu terhadap keseluruhannya. 120 Singkatnya: K (x) = x / x + y K K(x) mendapat (x) x+y = kemungkinan = besarnya kemungkinan untuk = jumlah keseluruhannya Contoh: Uang logam mempunyai dua sisi, yaitu sisi atas (disebut juga kepala) dan sisi bawah (disebut juga ekor). Jika kita melakukan tos (melempar uang logam ke atas) dengan sebuah uang logam, beberapa kemungkinan kita akan mendapat kepala. Jawabannya: K (kepala) = kepala = 1 / 1+1 = ½ kepala + ekor 2. Kemungkinan terjadinya dua peristiwa atau lebih, yang masing-masing berdiri sendiri ialah sama dengan hasil perkalian dari besarnya kemungkinan untuk peristiwaperistiwa itu. Singkatnya: K (x + y)= k (x) x K(y) Contoh: Jika kita melakukan tos dengan 2 uang logam bersama-sama (satu di tangan kiri dan satunya lagi di tangan kanan), beberapa kemungkinannya akan mendapat kepala pada kedua uang logam itu? 121 Jawabnya: K(kepala) = ½ K(kepala + kepala) = ½ x ½ = ¼ Dapat diartikan bahwa setiap 4 kali melakukan tos dengan dua uang logam bersama-sama, kesempatan untuk mendapat kepala pada dua uang logam itu adalah satu kali saja. Kemungkinan terjadinya dua peristiwa atau lebih, yang saling mempengaruhi ialah sama dengan jumlah dari besarnya kemungkinan untuk peristiwa-peristiwa itu. A. TEORI KEMUNGKINAN Peristiwa-peristiwa persilangan memberikan hasil ratio genotip maupun genotip yang dapat diramalkan melalui perhitungan menurut teori kemungkinan. Misalnya, persilangan antara tanaman yang tinggi homozigot dominan dan tanaman pendek homozigot resesif, akan menghasilkan perbandingan fenotip, ¾ tinggi : ¼ pendek. Nilai ini meramalkan bahwa hasil yang akan diperoleh dari peristiwa fertilisasi tersebut kemungkinan akan mendapatkan tanaman pendek yang adalah ¼. Nilai kemungkinan berkisar antara 0, dimana kemungkinan peristiwa itu tidak terjadi, sampai 1, dimana peristiwa itu mempunyai peluang pasti terjadi. Beberapa hukum yang perlu diketahui untuk meramalkan kemungkinan-kemungkinan terjadinya suatu peristiwa adalah sebagai berikut: Hukum kemungkinan I : kemungkinan terjadinya suatu peristiwa yang diinginkan, sama dengan banyaknya peristiwa tersebut, dibagi seluruh peristiwa. K(A) = A A+ B 122 Contoh : Kemungkinan jenis kelamin anak yang akan dilahirkan dari suatu perkawinan adalah laki-laki atau perempuan (jumlah peristiwa seluruh adalah 2 yaitu, lakilaki dan perempuan). Jadi, kemungkinan seorang ibu akan melahirkan seorang anak perempuan adalah: K(perempuan) = 1 perempuan = =½ 1+1 laki − laki + perempuan Hukum kemungkinan II : apabila dua lebih peristiwa yang tidak saling tergantung, terjadi dalam waktu yang bersamaan atau berurutan, maka kemungkinan peristiwa itu dapat terjadi adalah: K(A, B) = K (A) x K (B) Contoh : Dua orang ibu di suatu klinik bersalin, akan melahirkan pada hari yang bersamaan. Kemungkinan kedua ibu itu melahirkan anak perempuan adalah: K(♀ , ♀) = K. ibu I mempunyai anak ♀ x K. ibu II mempunyai anak ♀ =½x½ =¼ Kemungkinan sebuah keluarga mempunyai 3 orang anak yang mempunyai urutan kelahiran: perempuan, laki-laki, laki-laki, adalah: K(♀,♂,♂) = K. anak I perempuan x K anak II laki-laki x K. anak III laki-laki = ½ x ½ x ½ = 1/8 123 Hukum kemungkinan III : Kemungkinan terjadinya beberapa peristiwa yang saling mempengaruhi adalah jumlah dari kemungkinan masing-masing peristiwa tersebut. K(A atau B) = K (A) + K(A) Contoh : Dua orang ibu di suatu klinik bersalin, akan melahirkan pada hari yang bersamaan. Kemungkinan yang akan lahir anak perempuan dan laki-laki adalah: K (♀♂ atau♀♂) I ♂ dan ibu II ♀) =¼ + ¼ = K( ibu I ♀ dan ibu II ♂ ) + K ( ibu =½ B. TEOREMA BINOMIAL Penggunaan rumus-rumus dalam teori kemungkinan dapat dipakai dalam peristiwa yang jumlahnya tidak banyak. Untuk peristiwa yang besar, penggunaan rumus binomial akan lebih mudah dan cepat. Rumus binomial adalah: (a + b )n = 1 - an, an-1b, an-2b2, an-3b3 ……………., bn - angka-angka koefisien dari rumus binomial dapat diperoleh dengan menggunakan segitiga pascal keterangan: a & b = peristiwa/kejadian yang terpisah n = banyaknya peristiwa 124 Segitiga Pascal: n 1 1 2 3 4 5 6 1 1 1 1 2 3 1 3 1 1 1 1 4 6 4 1 5 10 10 5 1 6 15 20 15 6 1 dst Contoh ; (a + b) 4 = a4 + 4 a3b + 6 a2b2 + 4 a b3 + b4 Contoh soal: Berapa kemungkinan suatu keluarga yang menginginkan 4 orang anak, akan mempunyai 2 anak lakilaki dan 2 anak perempuan? Jawab : a = kemungkinan mempunyai anak laki-laki = ½ b = kemungkinan mempunyai anak perempuan = ½ n = jumlah anak yang diinginkan = 4 Rumus binomial yang dipakai: (a + b )4 a4 + 4 a3b + 6 a2b2 + 4 a b3 + b4 Jadi, kemungkinan mempunyai anak 2 laki-laki dan 2 perempuan = 6 a2 b2 = 6 (1/2)2 (1/2)2 = 6 (1/4) (1/4) = 6/16 = 3/8 Menggunakan faktorial: 125 Kemungkinan = n! as bt ( s!).(t!) Dimana: n = jumlah keseluruhan peristiwa yang terjadi s = jumlah peristiwa a t = jumlah peristiwa b a dan b = kemungkinan dari kejadian yang terpisah Contoh jawaban soal di atas: K (2♀,2♂) = n! 4 .3 . 2 .1 as bt = (1/2)2 (1/2)2 ( s!).(t!) ( 2.1).( 2.1) = 6 ( ¼ ) ( ¼ ) = 6 / 16 = 3 / 8 3. Test X2 (Chi-Square Test) Seringkali percobaan perkawinan yang kita lakukan akan menghasilkan turunan yang tidak sesuai dengan Hukum Mendel. Kejadian ini biasanya menyebabkan kita bersikap ragu-ragu, apakah penyimpangan yang terjadi itu karena kebetulan saja ataukah karena memang ada faktor lain? Berhubung dengan itu perlu diadakan evaluasi terhadap kebenaran atau tidaknya hasil percobaan yang akan kita lakukan dibadingkan dengan keadaan secara teoritis. Perhitungan dengan menggunakan test X2 dipakai dalam menghitung data hasil percobaan, untuk menguji apakah data tersebut bisa dipercaya kebenarannya. Ratio hasil persilangan monohibrid 3:1 dan dihibrid 9:3:3:1, adalah merupakan ramalan yang akan terjadi dari hasil perkawinan, berdasarkan asumsi adanya: 1, alel dominan dan resesif, 2. segresi dari gen, 3. pemisahan gen yang bebas 126 pada saat pembelahan miosis dan pembentukan gamet dan 4. fertilisasi yang berlangsung acak. Ketiga asumsi terakhir dapat berubah-ubah sesuai dengan peristiwa yang terjadi saat itu. Sehingga data hasil percobaan yang diperoleh harus diuji apakah ada penyimpangan antara hasil yang diperoleh dengan yang diharapkan. Jumlah sampel yang digunakan dalam percobaan, akan mempengaruhi perubahan penyimpangan dan akan terlihat pada hasil akhir. Makin besar sampel yang digunakan akan mengurangi pengaruh dari penyimpangan yang terjadi. Rumus yang dipakai dalam test X2 adalah: X2 = (0 − e) 2 ∑ e Keterangan: o = hasil data yang diperoleh e = hasil data yang diharapkan d = penyimpangan = selisih dari data hasil yang diperoleh dengan yang diharapkan ∑ = jumlah dari hasil perhitungan Untuk mengetahui nilai X2 harus diperhatikan juga nilai dari derajat kebebasan, yaitu n-1, dimana n adalah jumlah dari fenotip yang dijumpai. Pada perkawinan tanaman monohibrid yang menghasilkan ratio 3 : 1, berarti ada 2 fenotip dan derajat kebebasannya (dk) adalah = 2 – 1 = 1. pada perkawinan dihibrida, dengan ratio 9 : 3 : 3 : 1, terdapat 4 fenotip, sehingga dk = 4 – 1 = 3. Nilai X2 yang diperoleh dari hasil perhitungan dicari nilai kemungkinannya pada tabel X2. nilai X2 yang terletak di bagian yang gelap dari tabel, yaitu pada kolom di bawah 127 nilai memungkinkan 0,05 ke kiri, menunjukkan bahwa data yang diperoleh baik. Karena tidak ada penyimpangan yang berarti, selain faktor kemungkinan dalam percobaan tersebut. Menurut ahli statistik, batas penyimpangan pada percobaan-percobaan biologi 1 x dalam 20 kali percobaan. Sehingga kemungkinan penyimpangan 1/ 20 (0,05) adalah batas dapat diterima atau ditolaknya data suatu percobaan. Nilai X2 yang terletak pada kolom di bawah nilai kemungkinan 0,01 dan 0,001, menunjukkan bahwa data yang diperoleh sangat jelek. Penyimpangan yang terjadi sangat berarti, dan yang disebabkan oleh faktor-faktor lain di luar faktor kemungkinan. Dari hasil contoh perhitungan di bawah, persilangan monohibrid dengan derajat kebebasan 1, diperoleh nilai X2 = 0,53. pada tabel X2, nilai itu terletak antara kolom nilai kemungkinan 0,30 dan 0,50. berarti percobaan yang diperoleh baik, dan dapat dianggap sesuai dengan ratio 3 : 1 untuk tanaman monohibrid dengan dominansi penuh. Pada persilangan dihibrid, nilai X2 yang diperoleh = 4,16. nilai ini terletak antara kolom nilai kemungkinan 0,10 dan 0,30. berarti data percobaan dihibrid ini baik, dan data hasil percobaan dapat dianggap sesuai dengan ratio 9 : 3 : 3 : 1 Contoh perhitungan dengan test X2 Ratio Hasil Hasil yang Penyimpang d2 d2/e harapan pengamatan diharapkan an (d) = (o-e) = (o) perkawinan Monohibrid ¾ 740 ¾ x 1000 = 750 - 10 100 100/750 = 0,13 ¼ 260 ¼ x 1000 = 250 +10 100 100/250 = 0,40 Total 1000 2 X = 0,53 128 Perkawinan Dihibrid 9/16 587 400 0,71 3/16 197 64 0,34 3/16 168 441 2,33 1/16 56 49 0,78 Total X2 = 4,16 567 +20 189 +8 189 - 21 63 -7 1008 Tabel X2 Der. Kebe basan (dk) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,99 0,90 Kemungkinan 0,70 0,50 0,30 0,10 0,05 0,01 0,001 0,0002 0,02 0,12 0,30 0,55 0,87 1,24 1,65 2,09 2,56 0,016 0,21 0,58 1,06 1,61 2,20 2,83 3,49 4,17 4,87 0,15 0,71 1,42 2,20 3,00 3,83 4,67 5,53 6,39 7,27 3,84 5,99 7,82 9,49 11,07 12,59 14,07 15,51 16,92 18,31 6,64 9,21 11,35 13,28 15,09 16,81 18,48 20,09 21,67 23,21 10,83 13,82 16,27 18,47 20,52 22,46 24,32 26,13 27,88 29,59 0,46 1,39 2,37 3,36 4,35 5,35 6,35 7,34 8,34 9,34 1,07 2,41 3,67 4,88 6,06 7,23 8,38 9,52 10,66 11,78 2,71 4,61 6,25 7,78 9,24 10,65 12,02 13,36 14,68 15,99 Tes X2 untuk dua kelas fenotip Tes X2 untuk dua kelas fenotip Contoh: Misalnya sekarang kita mengadakan percobaan dengan melakukan testcross pada tanaman berbatang tinggi heterozigotik (Tt) itu. Hasilnya misalnya berupa 40 tanaman berbatang tinggi dan 20 tanaman berbatang pendek (sengaja disini dipakai angka-angka yang sama dengan contoh 129 pertama, sekedar untuk perbandingan saja). Apakah data hasil testcross itu dapat dianggap baik dan dipercaya? Jawabnya: Teoritis testcross pada monohibrid (Tt x tt) akan menghasilkan keturunan dengan perbandingan 1 batang tinggi : 1 batang pendek. Tinggi pendek jumlah 0 40 60 e 30 6 d +10 + 9,5 (d – ½ ) Koreksi yates (d – ½ ) e 3.01 3.01 2 X = 3,01 + 3,01 = 6, 02 K [1] antara 0,1 dan 0,05 Karena nilai kemungkinan kurang dari 0,05 (yaitu angka yang dianggap sebagai batas signifikan), maka deviasi cukup berarti. Berhubung dengan itu data hasil pecobaan testcross tersebut tidak baik tidak dapat dipercaya. Tentu ada faktor lain di luar faktor kemungkinan yang berperanan di situ. Tes X2 untuk tiga kelas fenotip atau lebih Contoh: Misalnya kita melakukan percobaan dengan membiarkan suatu tanaman bunga menyerbuk sendiri. Setelah tanaman itu menghasilkan buah dan biji-bijinya ditanam didapatkan keturunan yang terdiri dari 72 tanaman berbunga ungu, 28 tanaman berbunga merah dan 28 tanaman berbunga putih. Menurut dugaan saudara, 130 peristiwa apakah yang berperan di sini dan apakah hasil percobaan itu dapat dianggap benar? Jawabnya: Melihat hasil itu dapat diduga bahwa ada peristiwa epistasi resesip, yang secara teoritis seharusnya menunjukkan perbandingan fenotip 9:3:4. Ungu merah putih jumlah 0 72 28 28 128 e 72 24 32 128 d 0 +4 -4 d − 0,67 e 0,50 X2 0,67 + 0,50 = 1,17 K (2) = antara 0,50 dan 0,70 Karena nilai kemungkinan disini jauh lebih besar daripada 0,05 maka tidak ada faktor lain yang mempengaruhi hasil tersebut, kecuali faktor kemungkinan. Jadi adanya deviasi itu hanya karena kebetulan saja, dan deviasi itu sendiri tidak berarti. Maka hasil percobaan tersebut baik dan dapat dianggap benar. 131 BAB VI BERANGKAI DAN PINDAH SILANG A. BERANGKAI (LINKAGE) Teori kromosom dari T. Boveri dan W.S. Sutton (1903) menyatakan bahwa kromosom adalah bagian dari sel yang membawa gen. Gen-gen ini selama meiosis mempunyai kelakuan berdasarkan prinsip-prinsip Mendel, yaitu memisah secara bebas. Akan tetapi prinsip Mendel ini hanya berlaku apabila gen-gen letaknya lepas satu sama lain dalam kromosom. A a A B a b b Gambar : gen-gen A,a,B,b letaknya lepas satu sama lain dalam kromosom (I) Gen A terangkai dengan gen B pada satu kromosom yang sama, sedangkan alelnya a dan b terangkai pada kromosom homolognya Pada lalat buah Drosophila sampai sekarang telah diketahui kira-kira 5000 gen, sedangkan lalat ini hanya memiliki 4 pasang kromosom saja, yang terpasang bahkan kecil sekali menyerupai dua buah titik. Berhubung dengan itu, maka pada sebuah kromosom tidak terdapat sebuah gen, melainkan puluhan atau bahkan ratusan gen-gen. Peristiwa bahwa beberapa gen bukan alel terdapat pada satu kromosom yang sama dinamakan berangkai (dalam bahasa Inggris: “linkage”). Gen-gennya dinamakan gen-gen terangkai. 132 Orang kedua yang sangat berjasa dalam ilmu Genetika setelah Mendel adalah Thomas Hunt Morgan (1866 – 1945). Morgan dan kawan-kawan lama sekali mengadakan penelitian pada lalat Drosophilia dan akhirnya dinyatakan bahwa gen-gen bersama alel-alelnya terletak pada sepasang kromosom homolog berkelompok, yang dinamakan kelompok berangkai (dalam bahasa Inggris: “lingkage group”) dari kesimpulan bahwa banyaknya kelompok berangkai pada suatu individu itu ekuivalen dengan jumlah kromosom haploid dari individu yang bersangkutan. Misalnya pada jagung (Zea mays, n=10) terdapat 10 kelompok berangkai, pada lalat Drosphila (n=4) terdapat 4 kelompok berangkai, pada manusia (n= 23) terdapat 23 kelompok berangkai. Peristiwa berangkai pada tumbuh-tumbuhan untuk pertama kali diketahui oleh G.H Collins dan J.H Kempton dalam tahun 1911 pada tanaman jagung. Dikatakan bahwa gen (wxa) untuk endosperm berlilin terangkai dengan (c) untuk warna aleuron (lapisan sel terluar dari endosperm) kemudian diketahui bahwa pada makhluk lain termasuk manusia dijumpai adanya peristiwa berangkai. Untuk membedakan apakah gen-gen letaknya terpisah ataukah terangkai pada kromosom yang sama, maka diadakan perbedaan dalam penulisan genotip suatu individu. Marilah kita ambil sebagai contoh suatu dihibrid dengan menggunakan pasangan gen A dengan a dan B dengan b. Apabila gen-gen tersebut letaknya berpisah (artinya tidak terangkai) hingga memisah secara bebas diwaktu miosis, maka genotip dihibrid ditulis seperti yang lazim kita kenal, yaitu AaBb. Kemungkinan gen-gen tersebut terangkai 133 1. gen-gen dominan terangkai pada suatu kromosom, sedangkan alel-alelnya resesif terangkai pada kromosom homolognya. Penulisan genotipnya : (AB) (Ab), AB/ab, AB : ab, AB, AB ab ab gen ini takkan terangkai dalam keadaan coupling phase atau gen-gen mempunyai susunan sis 2. Gen dominan terangkai dengan gen resesif yang bukan alelnya pada satu kromosom, sedangkan alel resesif dari gen pertama dan alel dominan dari gen kedua terangkai pada kromosom homolognya Penulisan genotip : (Ab(aB), Ab/aB, Ab : aB, Ab, Ab aB aB gen-gen ini dikatakan terangkai dalam keadaan repulsion phase atau gen-gen mempunyai susunan trans Rangkai Sempurna Apabila gen-gen yang terangkai letaknya amat berdekatan, selama meiosis gen-gen itu tidak mengalami perubahan letak, sehingga gen-gen itu bersama menuju gamet. Contoh : Cu = gen untuk sayap normal Cu = gen untuk sayap keriput (lalat tidak dapat terbang) Sr = gen untuk dada polos (normal) sr = gen untuk dada bergaris Lalat dihidbrid dengan fenotip sayap dan dada normal mempunyai 2 kemungkinan genotip (gen-gen terangkai dalam susunan sis) Cu Sr cu sr Cu sr cu Sr (gen-gen terangkai dalam susunan trans) 134 Gen–gen terangkai sempurna dalam susunan sis P ♀ Cu Sr X P ♂ Cu Sr cu Sr Cu Sr Sayap keriput sayap normal Dada bergaris dada polos F1 Cu Sr cu sr Sayap normal Dada normal F2 ♂ ♀ CuSr cu sr CuSr cusr Cu Sr Cu Sr Sayap normal Dada normal Cu Sr cu sr Sayap normal Dada normal Cu Sr cu sr Sayap normal Dada normal cu sr cu sr Sayap normal Dada normal Keterangan : Sayap normal, dada normal (3) Sayap keriput dada bergaris (1) 3. Gen-gen terangkai sempurna dalam susunan trans P ♀ cu Sr X ♂ Cu Sr cu Sr Cu Sr Sayap keriput sayap normal Dada normal dada bergaris Cu Sr cu Sr sayap normal, dada normal 135 Rangkai Tidak Sempurna Gen-gen yang tidak terangkai pada suatu kromosom biasanya letaknya tidak berdekatan satu dengan yang lainnya, sehingga gen-gen itu dapat mengalami perubahan letak disebabkan karena ada penukaran segmen dari kromatid pada sepasang kromosom homolog, peristiwa mana disebut pindah silang. Contoh pada tanaman ercis dikenal gen-gen rangkai adalah + ( = pengganti huruf besar M) = gen untuk warna ungu pada bunga m = gen untuk warna merah pada bunga + (= penganti hurufd besar B) = gen untuk serbuk sari panjang b = gen untuk serbuk sari bulat tanaman ercis dihibrid tentunya mempunyai dua kemungkinan genotip (gen-gen terangkai sis) = bunga ungu, serbuk sari + + panjang Mb + b (gen-gen terangkai trans) = bunga ungu, serbuk sari panjang m+ F2 ♂ ♀ Cu sr cu Sr CuSr cusr Cu Sr Cu sr sayap normal dada bergaris Cu sr cu Sr sayap normal dada normal cu Sr Cu sr sayap normal dada normal cu Sr cu Sr sayap keriput dada normal 136 Keterangan : Sayap normal, dada normal (2) Sayap keriput dada bergaris (1) Sayap keriput, dada normal (1) Gen-gen terangkai tidak sempurna dalam susunan sis P ♀ ++ X ♂ mb ++ mb ungu panjang merah bulat ++ mb ungu, panjang Apabila F1 diuji silang (test cross) didapatkan sekumpulan tanaman yang terdiri atas : 192 tanaman berbunga ungu, serbuk sari panjang 23 tanaman berbunga ungu, serbuk sari panjang 30 tanbaman berbunga merah, serbuk sari panjang 182 tanaman berbunga merah, serbuk sari buah Hasil ujian silang tidak melihat perbandingan 1 : 1 : 1 : 1 seperti uji silang dihibrid. Ini disebabkan karena adanya pindah silang gen-gen tanaman dihibrid tersebut. Gamet yang tidak mengalami pindah silang gen-gennya (++ dan mb), dan dibentuk paling banyak. Uji silang: Gen-gen terangkai tidak sempurna dalam susunan sis X ♂ mb P ♀ ++ ++ mb ungu panjang merah bulat 137 F2 : Genotip Fenotip Banyaknya Freukensi Tipe ++ Ungu, 19+2 0,4496 Parental mb panjang +b Ungu, 23 0,0538 Rekombin mb bulat asi m + merah, 30 0,0792 Rekombin m b panjang asi m b merah, 182 0,4262 Parental m b bulat Jumlah 427 1,000 Hasil ujian silang : n : 1: 1 : n Persentasi tipe rekombinasi = 23 + 30 /427 x 100 % = 12, 41 % Persentase tipe parental = 100% - 12,41 % = 87,59 % 4. gen-gen tidak sempurna dalam susunan trans X ♂ mb P♀+b m+ m b ungu panjang merah bulat F2 : Genoti p ++ mb +b mb m + m b m b m b Jumlah Fenotip Ungu, panjang Ungu, bulat merah, panjang merah, bulat Banyak Freuken Tipe nya si 14 0,4496 Parental 178 0,0538 160 0,0792 18 0,4262 370 1,000 138 Rekombin asi Rekombin asi Parental Hasil ujian silang = 1 ; n : n : 1 Persentase tipe rekombinasi = 14 + 18 x 100 % = 8,65 % 370 Persentase tipe parental = 100 % - 8,65 % = 91, 35 % PINDAH SILANG (CROSSING OVER) Yang dimaksud dengan pindah silang (bahasa Inggris) crossing over ialah proses penukaran segmen dari kromatid-kromatid bukan kakak beradik (bahasa Inggris : nonsister chromatic) dari sepasang kromosom homolog. Peristiwa pindah silang umum terjadi pada setiap gametogenesis pada kebanyakan makhluk seperti tumbuhtumbuhan, hewan dan manusia, pindah silang terjadi ketika meiosis 1 A (akhir profase 1 atau permulaan metafase 1) yaitu pada saat kromosom telah mengganda menjadi dua kromatid. Pada waktu kromosom hendak memisah yaitu pada anafase I, kromatid yang bersilang itu melekat dan putus di bagian kiasma kemudian tiap potongan itu melekat pada kromatid sebelahnya secara timbal balik. Berhubung dengan itu gen-gen yang terletak pada bagian yang pindah itu akan berpindah pula tempatnya kromatid sebelah. Sebagai konsekuensi dari pemilihan kromosom secara independen selama meiosis, kita masing-masing menghasilkan koleksi games yang kombinasi kromosomnya berbeda sekali dengan kromosom yang kita warisi dari kedua orang tua kita tetapi dari apa yangtelah anda pelajari sejauh ini, mungkin sakan terlihat bahwa masing-masing kromosom di dalam sebuah gamet mamiliki asal-usul maternal dan paternal yang eksklusif artinya kromosom tersendiri dari DNAS yang berasal dari ibu atau bapak kita, tetapi bukan dari keduanya. Dalam kenyataan hal ini bukanlah suatu masalah. Suatu proses yang dinamakan pindah silang (crossing over) menghasilkan kromosom 139 individual yang menggabungkan gen-gen yang diwarisi dari kedua orang tua kita. Pindah silang terjadi selama profase meiosis ketika kromosom homolog pertama kali muncul sebagai pasangan selama profase I, suatu perlengkapan protein yang dinamakan kompleks sinaptonemal menggabungkan kromosom sehingga terikat kuat satu dengan yang lainnya fungsinya mirip sebuah risleting. Pemasangan berlangsung secara cermat, penataan yang homolog satu sama lain gen demi gen. Pindah silang terjadi ketika porsi homolog dua kromatid bukan saudara bertukar tempat. Dalam kasus manusia rata-rata dua atau tiga kejadian pindah silang seperti itu terjadi untuk setiap satu pasangan kromosom. Lokasi pertukaran genetik ini nampak pada mikroskop cahaya sebagai kiasmata, diperlihatkan oleh gambar. Yang penting dipahami bahwa pindah silang dengan mengkombinasikan DNA yang diwarisi dari kedua orangtua menjadi sebuah kromosom tungga merupakan sumber variasi genetik yang penting dalam siklus hidup seksual. 140 Pembagian pindah silang A B A B kromatid kakak beradik a A b sepasang kromosom homolog dalam zigot a B kromatid bukan kakak beradik b kromatid kakak beradik Kiasma A A B a terbentuk 4 kromatid A B a b a b b B Gamet Parental A b a B Gamet rekombinasi Gamet rekombinasi Gamet Parental terjadinya pindah silang a b 1. Pindah silang tunggal Dengan terjadinya pindah silang itu akan terbentuk 4 macam gamet. Dua macam memiliki gamet memiliki gen yang sama dengan gen yang dimiliki induk (parental), maka dinamakan gamet tipe parental. Dua gamet lainnya merupakan gamet baru yang terjadi sebagai akibat adanya pindah silang. Gamet ini dinamakan gamet tipe rekombinasi. Gamet tipe parental dibentuk jauh lebih banyak dibandingkan dengan gamet tipe rekombinasi. 2. Pindah silang ganda Pindah silang yang terjadi pada dua tempat. Jika pindah silang ganda dalam bahasa Inggris berlangsung diantara dua buah gen yang terangkai, maka terjadinya pindah silang ganda itu tidak akan nampak dalam fenotip, sebab gamet yang dibentuk hanya dari tipe parental dan tipe 141 rekombinasi akibat pindah silang tunggal. Akan tetapi andaikata diantara gen A dan B masih ada GEN KE TIGA misalnya gen A dan B akan nampak. Faktor-faktor yang mempengaruhi pindah silang 1. Temperatur, temperatur yang melebihi atau kurang dari temperatur normal. 2. Umur, makin tua satu individu makin kurang mengalami pindah silang 3. Zat kimia, zat-zat kimia tertentu 4. Penyinaran dengan sinar x 5. Jarak antara gen-gen terangkai. Makin jauh, makin besar kemungkinan pindah silang 6. Jenis kelamin. Umumnya pindah silang terjadi pada individu jantan maupun betina. Nilai Persentase Pindah Silang Telah diketahui bahwa dengan adanya peristiwa pindah silang dalam keturunan dibedakan tipe parental (tipe orang tua) dan tipe rekombinasi (kombinasi baru) adapun tipe yang dimaksud dengan nilai pindah silang (nps) ialah angka yang menunjukkan besarnya persentase kombinasi baru yang dihasilkan akibat terjadinya pindah silang Nps = jumlah tipe rekombinasi x 100 % Jumlah seluruh individu Nps pada contoh dimuka = 16 x 22 x 100 % = 4, 90 % 773 Ini berarti bahwa kekuatan pindah silang antara gengen yang terangkai itu ialah 4, 90 %. Tipe parental 100% -4,90 % = 95,10 % Tentunya nilai pindah silang tidak akan melebihi 50 %, biasanya bahkan kurang dari 50 %, karena: 142 a. hanya dua dari empat kromatid saja ikut mengambil bagian pada peristiwa pindah silang b. pindah silang ganda akan mengurangi banyaknya tipe rekombinasi yang dihasilkan. Rekombinasi Gen terpaut pindah silang Gen-gen terpaut tidak memilah secara indenpenden karena gen berada pada kromosom yang sama dan cenderung bergerak bersama-sama meiosis dan fertilisasi kita tidak mengharapkan gen-gen terpaut berkombinasi menjadi pilahan alel yang tidak ditemukan pada induknya, tetapi kenyataannya rekombinasi antara gen terpaut memang terjadi untuk melihat bagaimana hal ini bisa terjadi mari kita kembali pada ruang lalat. Bagaimana kita dapat menjelaskan hasil dari persilangan Drosophila keturunan dari test cross untuk warna tubuh dan bentuk sayap tidak sesuai dengan rasio fenotipnya 1 : 1 ; 1 : 1. Sebagaimana kita perkirakan seandainya gen untuk kedua karakter ini berada pada kromoson yang berbeda dan memilah secara independen. Tetapi seandainya kedua gen ini terpaut secara utuh karena lokus mereka berbeda pada kromosom yang sama maka kita akan mendapatkan rasio 1 : 1 dimana hanya fenotip. Induk saja yang dinyatakan pada keturunannya. Hasil yang sesungguhnya tidak sesuai dengan perkiraan yang diharapkan. Kebanyakan keturunan mempunyai fenotip induk menyiratkan ada pautan antara kedua gen. Namun sekitar 17 % dari lalat tersebut meskipun terdapat pautan ini tidak sempurna Morgan mengemukakan bahwa mekanisme tertentu yang mempertukarkan segmen antara kromosom homolog seseekali harus meutuskan pautan antara kedua gen. Eksperimen berikutnya telah menunjukkan bahwa pertukaran pindah silang semacam itu adalah penyebab terjadinya rekombinasi gen terpaut. Sementara kromosom homolog berpasangan di dalam 143 sinapsis selama profase meiosis I. Kromatid non saudara bisa putus pada titik tertentu dan bertukar fragmen. Pindah silang antara kromosom yang homolog membentuk kromosom rekombinan yang bisa membuat alel-alel berkumpul bersama dalam kombinasi baru. Fase selanjutnya pada meiosis mendistribusikan kromosom rekombinasi ke gamet. 144 BAB VII FENOTIPE DAN PERUBAHAN GENETIK Fenotipe adalah suatu karakteristik (baik struktural, biokimiawi, fisiologis, dan perilaku) yang dapat diamati dari suatu organisme yang diatur oleh genotipe dan lingkungan serta interaksi keduanya. Mutasi adalah perubahan yang terjadi pada bahan genetik (DNA maupun RNA), baik pada taraf urutan gen (disebut mutasi titik) maupun pada taraf kromosom. Mutasi pada tingkat kromosomal biasanya disebut aberasi. Mutasi pada gen dapat mengarah pada munculnya alel baru dan menjadi dasar bagi kalangan pendukung evolusi mengenai munculnya variasi-variasi baru pada spesies. Individu yang memperlihatkan perubahan sifat (fenotipe) akibat mutasi disebut mutan. Dalam kajian genetik, mutan biasa dibandingkan dengan individu yang tidak mengalami perubahan sifat. Meskipun istilah-istilah mutan dan mutasi lazimnya digunakan bagi perubahan yang merugikan, namun sebenarnya keberadaan suatu spesies sepenuhnya bergantung pada kemampuannya untuk bermutasi. Sebab itulah mahasiswa biologi terutama mahasiswa genetika perlu mempelajari tipe-tipe mutasi terutama yang berhubungan dengan kepentingannya bagi organisme hidup. Selanjutnya dalam makalah ini akan dibahas lebih terperinci mengenai mutasi titik, aberasi dan mutan. A. FENOTIPE Pengertian fenotipe mencakup berbagai tingkat dalam ekspresi gen dari suatu organisme. Pada tingkat organisme, fenotipe adalah sesuatu yang dapat 145 dilihat/diamati/diukur, sesuatu sifat atau karakter. Dalam tingkatan ini, contoh fenotipe misalnya warna mata, berat badan, atau ketahanan terhadap suatu penyakit tertentu. Pada tingkat biokimiawi, fenotipe dapat berupa kandungan substansi kimiawi tertentu di dalam tubuh. Sebagai misal, kadar gula darah atau kandungan protein dalam beras. Pada taraf molekular, fenotipe dapat berupa jumlah RNA yang diproduksi atau terdeteksinya pita DNA atau RNA pada elektroforesis. Fenotipe ditentukan sebagian oleh genotipe individu, sebagian oleh lingkungan tempat individu itu hidup, waktu, dan, pada sejumlah sifat, interaksi antara genotipe dan lingkungan. Waktu biasanya digolongkan sebagai aspek lingkungan (hidup) pula. Ide ini biasa ditulis sebagai: P = G + E + GE, Dengan P berarti fenotipe, G berarti genotipe, E berarti lingkungan, dan GE berarti interaksi antara genotipe dan lingkungan bersama-sama (yang berbeda dari pengaruh G dan E sendiri-sendiri. Pengamatan fenotipe dapat sederhana (misalnya warna bunga) atau sangat rumit hingga memerlukan alat dan metode khusus. Namun demikian, karena ekspresi genetik suatu genotipe bertahap dari tingkat molekular hingga tingkat individu, seringkali ditemukan keterkaitan antara sejumlah fenotipe dalam berbagai tingkatan yang berbeda-beda. Fenotipe, khususnya yang bersifat kuantitatif, seringkali diatur oleh banyak gen. Cabang genetika yang membahas sifat-sifat dengan tabiat seperti ini dikenal sebagai genetika kuantitatif. B. PERUBAHAN GENETIK (MUTASI) Biasanya yang dimaksud dengan mutasi adalah 146 perubahan dalam genotipe suatu individu yang terjadi secara tiba-tiba dan secara random. Perubahan ini nsebenarnya menyangkut perubahan pada bahan genetik. Mutasi merupakan perubahan yang dapat diwariskan dalam urutan atau nomor nukleotida dalam genom. Mutasi terjadi pada frekuensi rendah di alam, biasanya lebih rendah daripada 1:10.000 individu. Mutasi di alam dapat terjadi akibat zat pembangkit mutasi (mutagen, termasuk karsinogen), radiasi surya maupun radioaktif, serta loncatan energi listrik seperti petir. Pada umumnya, mutasi itu merugikan, mutannya bersifat letal dan homozigot resesif. Namun mutasi juga menguntungkan, diantaranya, melalui mutasi, dapat dibuat tumbuhan poliploid yang sifatnya unggul. Contohnya, semangka tanpa biji, jeruk tanpa biji, buah stroberi yang be sar,dll. Terbentuknya tumbuhan poliploid ini menguntungkan bagi manusia, namun merugikan bagi tumbuhan yang mengalami mutasi, karena tumbuhan tersebut menjadi tidak bisa berkembang biak secara generatif. 1. Macam-macam mutasi berdasarkan sel; yang bermutasi Mutasi somatik adalah mutasi yang terjadi pada sel somatik. mutasi ini tidak akan diwariskan pada keturunannya. Mutasi Gametik adalah mutasi yang terjadi pada sel gamet. Karena terjadinya di sel gamet, maka akan diwariskan oleh keturunannya. 2. Bahan-bahan yang menyebabkan terjadinya mutasi disebut mutagen. Mutagen dibagi menjadi 3, yaitu: Mutagen bahan Kimia, contohnya adalah kolkisin dan zat digitonin. Kolkisin adalah zat yang dapat menghalangi terbentuknya benang-benang spindel pada proses anafase dan dapat menghambat pembelahan 147 sel pada anafase. Mutagen bahan fisika, contohnya sinar ultraviolet, sinar radioaktif,dll. Sinar ultraviolet dapat menyebabkan kanker kulit. Mutagen bahan biologi, diduga virus dan bakteri dapat menyebabkan terjadinya mutasi. Tidak kurang dari 20 macam virus dapat menimbulkan kerusakan kromosom. Bagian virus yang dapat menyebabkan terjadinya mutasi adalah asam nukleatnya yaitu DNA-nya. 3. Macam-macam mutasi berdasarkan bagian yang bermutasi a. Mutasi titik (mutasi gen) Mutasi titik merupakan perubahan pada basa N dari DNA atau RNA. Mutasi titik relatif sering terjadi namun efeknya dapat dikurangi oleh mekanisme pemulihan gen. Mutasi titik dapat berakibat berubahnya urutan asam amino pada protein, dan dapat mengakibatkan berkurangnya, berubahnya atau hilangnya fungsi enzim. Teknologi saat ini menggunakan mutasi titik sebagai marker (disebut SNP) untuk mengkaji perubahan yang terjadi pada gen dan dikaitkan dengan perubahan fenotipe yang terjadi. Contoh mutasi gen adalah reaksi asam nitrit dengan adenin menjadi zat hipoxanthine. Zat ini akan menempati tempat adenin asli dan berpasangan dengan sitosin, bukan lagi dengan timin. b. Aberasi (mutasi kromosom) Mutasi kromosom,sering juga disebut dengan mutasi besar/gross mutation atau aberasi kromosom adalah perubahan jumlah kromosom dan susunan atau urutan gen dalam kromosom yang menyebabkan perubahan sifat individu. Perubahan struktur kromosom biasanya terjadi 148 akibat penggunaan sinar yang cukup kuat, seperti sinar-X, sinar ultra violet (UV) atau dengan radiasi ionisasi. Akibat perlakuan dengan sinar yang kuat, maka kromosom akan patah. Dibagian yang patah itu terjadi luka, sehingga bagian yang luka itu tidak mempunyai telomer. Karena telomer yang fungsinya biasanya menghalang-halangi kromosomkromosom bersambungan pada ujungnya, tidak ada, maka potongan kromosom yang patah tadi kini dapat bersambungan dengan potongan kromosom lainnya. Lagi pula potongan kromosom biasanya labil sehingga selalu berusaha untuk memperbaiki luka dengan cara bersambungan dengan potongan kromosom lain. Akibatnya terjadilah bmutasi kromosom pada individu. Dengan patahnya kromosom, yang mengakibatkan hilangnya bagian yang patah itu, atau dengan bersambungnya potongan kromosom, maka struktur kromosom berubah, berarti bahwa susunan bahan genetiknyapun mengalami perubahan. Beberapa peristiwa yang menyebabkan struktur kromosom berubah adalah: 1. Defisiensi atau Delesi Yaitu peristiwa hilangnya sebagian dari kromosom normal karena patah. 2. Duplikasi Yaitu peristiwa penambahan bahan kromosom pada kromosom normal sehingga suatu bagian kromosom terdapat dua kali atau lebih dalam satu sel diploid yang normal. 3. Inversi Yaitu peristiwa patahnya sebuah kromosom di dua tempat, yang diikuti oleh penyisipan kembali gen-gen tetapi dengan urutan terbalik. 4. Translokasi Yaitu peristiwa pindahnya potongan dari sebuah 149 kromosom lain yang bukan homolognya. Aberasi dapat dibedakan menjadi: a. Aneuploidi Aneuploidi (perubahan set) adalah perubahan pada jumlah n-nya, atau keadaan dimana individu mempunyai kekurangan atau kelebihan kromosom tunggal dibandingkan dengan individu diploid normal. Aneuploidi biasanya diperoleh karena adanya nondisjungtion dari satu pasang kromosom homolog. Akibatnya pembagian kromosom ke gamet-gamet tidak sama. Keadaan aneuploidi pada hewan dan tumbuhan banyak ditemui pada hewan invertebrata dan tanaman perdu, tomat, jeruk, apel dan bit gula. Menurut kejadiannya aneuploidi dapat dibedakan menjadi dua: ¾ Autoploidi, yaitu genom (n) mengganda sendiri. Hal ini, dapat terjadi karena gangguan meiosis. ¾ Allopoliploidi, terjadi karena hibrid antara spesies yang set kromosomnya berbeda. Yang termasuk aneuploidi adalah monoploid (n), triploid (3n), tetraploid (4n). Individu dengan 3n atau lebih biasa disebut poliploid. b. Aneusomi Pada umumnya sel somatik memiliki 2n kromosom. Namun tidak sedikit organisme yang mempunyai susunan kromosom yang pergandaannya tidak benar, sehingga jumlah kromosomnya menjadi lebih atau kurang dari jumlah normal. Contoh: 9 Nulisomik 2n-2 9 Monosomik 2n-1 9 Trisomik 2n+1 9 Tetrasomik 2n+2 Aneusomi dapat terjadi karena beberapa hal, diantaranya: 150 1. Anafase lag, yaitu peristiwa tidak melekatnya benangbenang spindel ke sentromer pada proses anafase meiosis I. 2. Non disjunction yaitu peristiwa gagal berpisahnya kromosom homolog pada proses anafase dari meiosis. Makhluk aneusomi dapat hidup sehat sampai dewasa, jika kromosom yang kurang atau lebih tidak begitu besar peranannya dan tidak mengandung gen yang berperan vital, atau fungsi gen tersebut dapat digantikan oleh gen yang lain pada kromosom lain. Aneusomi pada manusia dapat menyebabkan: Sindrom Turner, dengan kariotipe (22AA+X0). Jumlah kromosomnya 45 dan kehilangan 1 kromosom kelamin. Penderita Sindrom Turner berjenis kelamin wanita, namun ovumnya tidak berkembang (ovaricular disgenesis). Sindrom Klinefelter, kariotipe (22 AA+XXY), mengalami trisomik pada kromosom gonosom. Penderita Sindrom Klinefelter berjenis kelamin laki-laki, namun testisnya tidak berkembang (testicular disgenesis) sehingga tidak bisa menghasilkan sperma (aspermia) dan mandul (gynaecomastis) serta payudaranya tumbuh. Sindrom Jacobs, kariotipe (22AA+XYY), trisomik pada kromosom gonosom. Penderita sindrom ini umumnya berwajah kriminal, suka menusuk-nusuk mata dengan benda tajam, seperti pensil dan juga sering berbuat kriminal. Penelitian di luar negeri mengatakan bahwa sebagian besar orang-orang yang masuk penjara adalah orang-orang yang menderita Sindrom Jacobs. Sindrom Patau, kariotipe (45A+XX/XY), trisomik pada kromosom autosom. kromosom autosomnya mengalami kelainan pada kromosom nomor 13, 14, atau 15. Sindrom Edward, kariotipe (45A+XX/XY), trisomik pada autosom. Autosom mengalami kelainan pada kromosom 151 nomor 16,17, atau 18. Penderita sindrom ini mempunyai tengkorak lonjong, bahu lebar pendek, telinga agak ke bawah dan tidak wajar. Sindom Down, kariotipe (45A + XX/XY), trisomi pada autosom. Autosom mengalami kelainan pada kromosom nomor 21. penderita penyakit ini disebut mongolisme karena bermata sipit, kaki pendek, dan berjalan agak lambat. C. PERUBAHAN JUMLAH KROMOSOM Dalam keadaan normal, bahan genetik setiap makhluk hidup itu tetap. Akan tetapi karena pengaruh luar atau di dalam sel sendiri, maka dapat terjadi perubahan genetik. Pada umumnya bila terjadi perubahan bahan genetik, dikatakan bahwa makhluk atau sel itu mengalami mutasi. Mutasi dibedakan atas mutasi sel yang sitologis tampak di dalam inti sel sebagai perubahan struktur ataupun jumlah kromosom, dan mutasi gen yang sitologis tidak tampak namun memperlihatkan pengaruhnya pada fenotip suatu makhluk hidup. Perubahan jumlah kromosom pada organisme dapat dibedakan menjadi dua yaitu euploidi dan aneuploidi. Euploidi Euploidi adalah keadaan dimana jumlah kromosom yang dimiliki organisme merupakan kelipatan dari kromosom dasarnya (kromosom haploidnya). Satu set kromosom haploid dinamakan genom. Individu euploid ditandai dengan dimilikinya set kromosom (genom) yang lengkap. Individu monoploid memiliki satu genom (n), diploid memiliki genom (2n), triploid memiliki tiga genom (3n) dan seterusnya. Variasi euploid dapat dilihat pada tabel berikut ini. 152 Tabel variasi dalam euploidi Tipe Euploid Monoploid Diploid Poliploid: a. Triploid b. Tetraploid c. Pentaploid d. Heksaploid e. Septaploid f. Oktoploid g. Dsb. Jumlah Genom (n) Satu (n) Dua (2n) Lebih dari 2n Tiga (3n) Empat (4n) Lima (5n) Enam (6n) Tujuh (7n) Delapan (8n) Komplemen Kromosom (A B C merupakan satu genom) ABC AA BB CC AAA BBB CCC AAAA BBBB CCCC AAAAA BBBBB CCCCC AAAAAA BBBBBB CCCCCC AAAAAAA BBBBBBB CCCCCCC AAAAAAAA BBBBBBBB CCCCCCCC Monoploidi Individu monoplid hanya memiliki satu genom, lebih umum digunakan istilah haploid. Namun sesungguhnya istilah haploid menggambarkan sifat gamet yang dibentuk oleh individu diploid, sedangkan istilah monoploid menggambarkan sifat suatu individu. Contoh individu monoploid adalah: 1. Ganggang hijau biru (Cyanophyta), bakteri (Bacteria), cendawan (Fungi) dan virus biasanya monoploid. 2. Lumut Hati (Hepaticeae) dan Lumut Daun (Bryophyta), yang bersifat haploid adalah bentuk utama yang kita lihat (yaitu gametofitnya). 3. Lebah madu jantan, jenis kumbang tertentu dan sawflies (serangga Hymenoptera), karena serangga tersebut terjadi secara partenogenesis. Sifat tanaman monoploid tampak lebih kerdil, kurang tahan terhadap serangan hama dan penyakit serta 153 perubahan lingkungan dibandingkan dengan diploid. Sterilitas tinggi, karena meiosis tidak teratur. Kromosom tidak dapat berpasangan karena tidak ada kromosom homolog. Kromosom memisah secara rampang selama anafase I dari meiosis. Keuntungan tanaman monoploid adalah tidak ada kemungkinan heterozigot. Monoploid tidak mengadakan segregasi. Diploidi Individu diploid memiliki dua genom (2n). Kromosom berpasangan karena memiliki kromosom hololog. Poliploidi Poliploidi adalah keadaan bahwa individu memiliki lebih dari dua genom. Poliploid lebih banyak dijumpai pada tanaman. Kurang lebih setengah dari semua jenis tanaman yang dikenal adalah poliploid, dan kira-kira dua pertiga dari semua rumput-rumputan adalah poliploid. Salah satu sebab mengapa pada hewan jarang dijumpai poliploid adalah karena hewan memiliki kromosom kelamin, sehingga poliploid menyebabkan terjadinya kelainan pada keseimbangan seks. Sifat umum tanaman poliploid biasanya adalah tanaman kelihatan lebih kekar, sehingga bagian-bagian tanaman menjadi lebih besar, (akar, batang, daun, dan buah), sel-selnya (tampak jelas pada sel-sel epidermis) lebih besar, inti sel lebih besar, buluh-buluh pengangkutan diameternya lebih besar, stomata lebih besar. Dengan bertambahnya jumlah kromosom, kandungan protein dan vitamin bertambah, tekanan osmotik sel berkurang, pembelahan sel bertambah, masa vegetatif lebih panjang, fertilitas berkurang tanaman kurang tahan terhadap hama/penyakit serta perubahan lingkungan. 154 Kemungkinan terjadinya poliploid pada tumbuhan adalah: 1. Poliploidi terjadi di alam. Poliploid dapat terjadi dari tanaman diploid, ialah: a. Kelipatan somatis. Sel-sel kadang-kadang mengalami pemisahan tidak teratur selama mitosis, sehingga menghasilkan sel-sel meristematis yang menyebabkan kelipatan jumlah kromosomnya tetap berada dalam generasi baru dari tanaman itu. b. Sel-sel reproduktif dapat mengalami reduksi yang tidak teratur atau mengalami pembelahan sel yang tidak teratur sehingga kromosom-kromosomnya tidak memisah secara sempurna ke kutub-kutub sel diwaktu anafase. Dengan demikian jumlah kromosom dalam gamet menjadi lipat dua. 2. Poliploidi yang sengaja dibuat (secara induksi). Untuk keperluan ini digunakan zat-zat kimia tertentu seperti asenaften, kloralhidrat, sulfanilamid, etil-merkuri-klorid, heksaklorosikloheksan, dan kolkhisin. Kolkhisin paling banyak digunakan dan efektif karena mudah larut dala air. Kolkhisin (C22H25O6N) merupakan suatu alkaloid yang berasal dari umbi dan biji tanaman Colchicum autumnale Linn. Termasuk dalam Familia Liliaceae. Kolkhisin bersifat racun, pada tanaman memperlihatkan pengaruhnya pada nukleus yang sedang membelah. Larutan kolkhisin dengan konsentrasi kritis mencegah terbentuknya benang-benang plasma dari gelendong inti (spindel) sehingga pemisahan kromosom pada anafase dari mitosis tidak berlangsung dan menyebabkan penggandaan kromosom tanpa pembentukan dinding sel. Proses mitosis mengalami modifikasi, dinamakan C-mitosis. Kromosom tetap tinggal berserakan dalam sitoplasma (pada stadium C-metafase). Pada stadium ini kromosom-kromosom memperlihatkan gambaran yang 155 khas, yaitu seperti tanda silang. Kromosom dapat memisahkan diri pada sentromernya (C-anafase). Selanjutnya terbentuk dinding nukleus sehingga nukleus restitusi (nukleus perbaikan) mengandung jumlah kromosom lipat dua. Apabila pengaruh kolkhisin telah memudar, sel poliploid yang baru dapat membentuk spindel pada kedua kutubnya, membentuk nukleus anakan poliploid seperti pada telofase pembelahan mitosis biasa. Bila konsentrasi larutan kolkhisin yang kritis dibiarkan berlanjut, maka pertambahan genom mengikuti deret ukur, 4n, 8n, 16n dan seterusnya. Pada umumnya kolkhisin bekerja efektif pada konsentrasi 0,01 – 1,00%, lama perlakuan antara 1 – 24 jam. Setiap jenis tanaman mempunyai respon yang berbeda tergantung bahan yang diberi perlakuan. Jika konsentrasi larutan kolkhisin dan lama waktu perlakuan kurang, maka poliploid belum dapat diperoleh. Jika konsentrasi terlalu tinggi dan lama waktu perlakuan terlalu lama, maka kolkhisin akan memperlihatkan pengaruh negatif , yaitu penampilan tanaman menjadi lebih jelek, sel-sel banyak yang rusak, kromosom menjadi berkerut, dan bahkan menyebabkan kematian tanaman. Cara menggunakan kolkhisin untuk perlakuan kecuali dengan melarutkan kolkhisin dalam air, dapat juga dicampur dengan agar atau lanolin. Kolkhisin tidak boleh dilarutkan dalam air panas, karena komposisi kolkhisin akan rusak. Bagian-bagian tanaman yang dapat diberi perlakuan dengan kolkhisin misalnya: 1. Benih, dengan merendam dalam larutan kolkhisin. 2. Primordial (mata kuncup) tunas atau bunga, dengan memberikan laruatan kolkhisin dalam bentuk tetesan berilang-ulang. 3. Benih yang telah berkecambah, dengan merendam dalam larutan kolkhisin. 156 4. Akar tanaman, dengan merendam seluruh akar. Aneuploidi Pada umumnya dalam individu normal diploid, dua anggota dari sepasang kromosom homolog mengadakan segregasi secara teratur selama miosis, sehingga dalam gamet atau spora dihasilkan set kromosom haploid. Pada mitosis dihasilkan dua sel yang masing-masing mempunyai konstitusi kromosom sama. Kadang-kadang dalam pembelahan sel itu menghasilkan sel atau organisme yang kekurangan atau kelebihan kromosom tertentu. Peristiwa bahwa suatu sel atau individu kekurangan atau kelebihan kromosom tertentu dibandingkan dengan yang normal diploid disebut aneuploidi. Individunya disebut aneuploid. Berbagai kemungkinan variasi dalam aneuploidi dapat diikuti dalam tabel berikut ini: Tabel. Berbagai kemungkinan variasi dalam aneuploidi. Komplemen kromosom dengan Tipe Formula (ABC) sebagai set haploid kromosom Disomi (normal) 2n (ABC)(ABC) Aneuploi: a. Monosomi 2n-1 (ABC)(AB) b. Nullisomi 2n-2 (AB) (AB) Polisomi: a. Trisomi 2n +1 (ABC)(ABC)(C) b. Dobel trisomi 2n +1 +1 (ABC)(ABC)(B)(C) 2n + 2 (ABC)(ABC)(C)(C) c. Tetrasomi d. Pentasomi 2n + 3 (ABC)(ABC)(C)(C)(C) Aneuploidi dapat terjadi karena salah satu dari gangguan di bawah ini: 157 1. Hilangnya kromosom dalam sel-sel hasil mitosis atau miosis, disebabkan terlambatnya kromosom datang ke kutub sel saat anafase. 2. Nondisjunction (gagal berpisah) kromosom-kromosom atau kromatid-kromatid selama mitosis atau miosis. Karena hilangnya kromosom atau kromatid, maka distribusi kromosom atau kromatid ke kutub-kutub sel yang berlawanan tidak sama, sehingga menghasilkan kromosom hipoploid (2n-1, 4n-1) atau hiperploid (2n + 1, 4n + 1). 3. Distribusi kromosom yang tidak teratur selama miosis pada poliploid dengan genom ganjil (misal triploid, pentapolid). Beberapa kromosom seringkali terdapat sebagai univalen. Kromosom-kromosom itu dibagi ke tiap-tiap kutub sel atau dapat hilang dalam anafase I atau anafase II. 4. Terdapat mitosis multipolar sehingga pembagian kromosom tidak teratur dalam anafase. Aneuploidi multiform demikian itu dapat terjadi aneuploid dengan berbagai jumlah kromosom, sehingga menyebabkan terbentuknya jaringan dengan kromosom mosaik. Kelainan kromosom yang khas untuk aneuploidi pada umumnya merupakan hasil dari suatu peristiwa yang dikenal sebagai nondisjunction pada meiosis selama gametogenesis. Nondisjunction meiosis adalah tidak adanya kemampuan dari pasangan kromosom untuk memisah selama miosis. Nondisjunction meiosis dapat berlangsung baik dalam miosis I maupun meiosis II. Bila berlangsung pada anafase I semua hasil meiosis adalah abnormal, yaitu dua mempunyai kromosom n + 1 dan dua mempunyai kromosom n – 1. Apabila gamet-gamet abnormal ini bersatu dengan gamet-gamet normal selama fertilisasi, maka akan dihasilkan keturunan trisomi dan monosomi. Sebaliknya bila nondisjuction berlangsung dalam anafase II, maka hanya 158 dua hasil miosis akan abnormal. Dua hasil abnormal itu akan menjadi gamet n + 1 dan n – 1. 159 BAB VIII ALEL GANDA DAN GEN GANDA A. ALEL Alel berasal dari kata Allelon yang berarti bentuk lain. Disebut juga versi alternatif gen yang menjelaskan adanya variasi dan pewarisan suatu sifat. Alel adalah gen – gen yang terletak pada lokus yang sama (bersesuaian) dalam kromosom homolog. Bila dilihat dari pengaruh gen pada fenotipe, alel ialah anggota dari sepasang gen yang memiliki pengaruh berlawanan. Jadi alel adalah gen – gen yang terletak pada lokus yang sama dan memiliki pekerjaan yang sama atau hampir sama. Alel merupakan bentuk alternatif suatu gen yang terdapat pada lokus (tempat) tertentu. Pada individu homozigot, pasangan kedua alel mempunyai symbol yang sama persis; misalnya AA, BB. Sedangkan genotipe heterozigot pasangan kedua alel mempunyai simbol yang tidak sama misal Aa, Bb. Namun Ab dan aB bukan alelnya. Individu dengan genotipe AA dikatakan mempunyai alel A, sedang individu aa mempunyai alel a. Demikian pula individu Aa memiliki dua macam alel, yaitu A dan a. Jadi, lokus A dapat ditempati oleh sepasang (dua buah) alel, yaitu AA, Aa atau aa, bergantung kepada genotipe individu yang bersangkutan. Namun, kenyataan yang sebenarnya lebih umum dijumpai adalah bahwa pada suatu lokus tertentu dimungkinkan munculnya lebih dari hanya dua macam alel, sehingga lokus tersebut dikatakan memiliki sederetan alel. Fenomena semacam ini disebut sebagai alel ganda (multiple alleles). 160 B. ALEL GANDA Bila dalam satu lokus terdapat lebih dari satu pasang alel maka disebut alel ganda, misalnya warna bulu pada kelinci dan golongan darah sistem A B O pada manusia Meskipun demikian, pada individu diploid, yaitu individu yang tiap kromosomnya terdiri atas sepasang kromosom homolog, betapapun banyaknya alel yang ada pada suatu lokus, yang muncul hanyalah sepasang (dua buah). Katakanlah pada lokus X terdapat alel X1, X2, X3, X4, X5. Maka, genotipe individu diploid yang mungkin akan muncul antara lain X1X1, X1X2, X1X3, X2X2 dan seterusnya. Sebuah gen dapat memiliki lebih dari sebuah alel. Alel-alelnya disebut alel ganda (multiple allele). Sedangkan peristiwa dimana sebuah gen dapat mempunyai lebih dari satu alel disebut ; multiple allelomorphi. Berikut beberapa hal yang berhubungan dengan alel ganda adalah: 1. Merupakan fenomena adanya tiga atau lebih alel pada satu gen 2. Pada umumnya satu gen memiliki dua alel alternatifnya 3. Alel ganda dapat terjadi sebagai akibat dari mutasi DNA 4. Mutasi dapat menghasilkan banyak variasi alel, misalnya gen A bermutasi menjadi ,a1, a2 dan a3 yang masing-masing menimbulkan fenotipe yang berbeda. 5. Dengan demikian, mutasi gen A dapat menghasilkan 4 varian yaitu A, a1,a2, dan a3 Pada alel ganda ada dua gambaran yang perlu dicatat, yaitu: 1. Pada jenis kedua pada diagram perkawinan homozigot dan heterozigot, terdapat kemungkinan lain dari perkawinan. Ini adalah seseorang yang 161 homozigot untuk dua yang lain. Masih terdapat macam anak tetapi tidak seperti contoh-contoh yang menyangkut sepasang gen tunggal, keduanya adalah heterozigot. 2. Pada jenis ketiga dari diagram lagi-lagi terdapat satu kemungkinan lebih lanjut. Perkawinan dua orang heterozigot apabila ketiga gen terlibat, maka akan menghasilkan empat macam anak dan bukan tiga anak, pasangan ditengah tidak lagi sama, dan rasionya adalah 1:1:1:1. Dengan tiga alel, satu dari empat anak adalah homozigot, dan lainnya adalah heterozigot tetapi akan terlihat dengan mudah bahwa dengan serangkaian dari 4 atau lebih alel, apabila 4 gen pada orang tuanya berbeda, maka semua anaknya tentu akan heterozigot. Contoh sifat/karakter yang dipengaruhi oleh alel ganda : 1. Pigmentasi bulu kelinci (kelinci Chinchilla) 2. Pigmentasi bulu kucing (Kucing Himalaya) 3. Pola warna bulu kuda 4. Pola warna sapi 5. Warna bulu srigala 6. Pola warna tikus (warna agauti) 7. Warna bulu burung dara 8. Sifat bertanduk pada domba 9. Warna mata Drosophila 10. Golongan darah pada manusia Contoh alel ganda yaitu: pada kelinci : gen asli yang normal = bulu berwarna abuc+ abu 162 cch : bulu berwarna abu-abu muda, karena ada campuran bulu berwarna hitam dan putih. Kelinci ini dinamakan kelinci chinchilla h c : bulu berwarna putih, dengan warna hitam pada ujung-ujung hidung, telinga berwarna putih, kaki dan ekor. Kelinci demikian disebut kelinci Himalaya. c : alel yang tidak membentuk pigmen sama sekali. Kelinci berwarna putih, disebut kelinci albino Dominansi alel-alel tersebut mempunyai urutan sbb.: c+ > cch > ch > c Fenotip & Genotip untuk Alel Ganda lokus c pada kelinci. Fenotip Abu-abu (normal) Chinchilla Kemungkinan Genotip c+ c+ c+ cch c+ ch c+c ch ch ch h c c c c cchc 163 Himalaya Albino ch ch Cc chc Contoh persilangan: P : ♀ c+c+ x ♂ cc (abu-abu) (albino) F1 : c +c (abu-abu) F2 : F1 x F1 c+ c+ (1) c +c (2) cc (1) abu-abu abu-abu albino Pada tumbuhan : Pada tumbuhan tinggi sering terdapat sari alel ganda, yang seringkali menyebabkan inkompatibilitas, yaitu kegagalan tanaman untuk fertilisasi setelah menyerbuk sendiri atau persilangan. Peristiwa inkompatibilitas ini disebabkan alel pada tepung sari sama dengan alel pada sel telur, sehingga tepung sari yang terdapat pada kepala putik tidak dapat membentuk buluh tepung sari. Tepung sari demikian dikatakan abortip. Sari alel ganda pada tanaman itu adalah : S1, S2, S3, S4 dst. Adanya inkompatibilitas antara alel ganda yang terdapat di dalam serbuk sari dan sel telur maka perkawinan resiprok dari tanaman ini menghasilkan keturunan yang berlainan. P : ♀ S1S3 S2S3 x Perkawinan resiprok ♀ S2S3 x ♂ P : S1S3 164 ♂ F1 zigot S1S3 Endosperm S1S1 S2 Zigot S2S3 Endosperm S2S3S3 Zigot S1S2 Endosperm S1S2S2 zigot S1S3 endosperm S1S3 S3 Alel ganda pada Drosophila Pada drosophila diketahui bahwa warna mata normal berwarna merah yang di tentukan gen dominan W atau gen + atau w+ di samping itu dikenal pula sifat mutan, yaitu mata berwarna putih yang di tentukan oleh gen w lalat ini memeiliki banyak variasi tentang warna mata. Variasi ini berdegradasi mulai merah terang sampai menjadi putih ditentukan oleh dominasi dari alel-alel, pada Drosophila ini ternyata di tentukan 165 dari merah gelap, yang kesemuanya variasi warna mata oleh suatu seri alel ganda, alel yang paling dominan adalah w+, sedangkan yang paling resesif adalah w. Alel Ganda pada Golongan Darah Manusia Darah itu terdiri dari dua komponen, yaitu sel-sel (antara lain eritrosit dan leukosit) dan cairan (plasma). Plasma dikurangi fibrinogen (protein untuk pembekuan darah) merupakan serum. Pada abad 18 pada waktu mulai dilakukan transfusi darah terjadilah kematian pada resipien tanpa diketahi sebab-sebabnya. Akan tetapi Dr. Karl Landsteiner dalam tahun 1901 yang bekerja di laboratorium di Wina menemukan bahwa sel darah merah (eritrosit) dari beberapa individu akan menggumpal (beraglutinasi) dalam kelompok-kelompok yang dapat dilihat dengan mata telanjang, apabila dicampur dengan serum dari beberapa orang, tetapi tidak dengan semua orang. Kemudian diketahui bahwa dasar dari menggumpalnya eritrosit tadi ialah adanya reaksi antigen-antibodi. Apabila suatu substansi asing (disebut antigen) disuntikan ke dalam aliran darah dari seekor hewan akan mengakibatkan terbentuknya antibodi tertentu yang akan bereaksi dengan antigen. Suatu antibodi itu sangat spesifik untuk antigen tertentu. Terbentuknya antibodi demikian itu tergantung dari masuknya antigen asing. Selain dengan cara demikian, antibodi itu tidak akan dibentuk. Sistem demikian merupakan dasar dari imunisasi maupun untuk reaksi alergi. Sebaliknya ada pula antibodi yang dibentuk secara alamiah di dalam darah, meskipun demikian antigen yang bersangkutan tidak ada. Antibodi alamiah inilah yang mengambil peranan dalam golongan darah manusia, terutama dalam golongan darah A, B, AB dan O yang amat penting. Antigen juga protein. Istilah gen dalam antigen 166 bukan bermakna bahwa dia lawan dari gen (penyandi protein) tapi antigen adalah zat penyusun dasar. Ada beberapa macam sistem penggolongan darah pada manusia, diantaranya adalah golongan darah sistem ABO, MNSs dan Rh Golongan darah ABO Golongan Darah Fenotip Genotip O A B AB Antigen dalam eristrosit I oI o atau IAIo B B I I atau IBIo IAIB A B A dan B IAIA 167 Zat anti dalam serum /plasma darah Anti-A dan anti-B Anti-B Anti-A - Orang yang memiliki antigen A tidak memiliki anti – A melainkan anti –B. orang yang memiliki antigen B tidak memiliki anti-B melainkan anti-A. Jika antigen A bertemu dengan anti –A, demikian pula antigen B bertemu dengan anti –B, sel-sel darah merah menggumpal (beraglutinasi) dan mengakibatkan kematian. Orang yang tidak memiliki antigen A maupun antigen B dalam eritrositnya dinyatakan bergolongan darah O dan serum darahnya mengandung anti –A dan anti -B. sebaliknya bila serum darah tidak mengandung antibodi sama sekali, maka eritrosit mengandung antigen A dan antigen B. orang demikian dinyatakan termasuk golongan darah AB. Karena golongan darah O tidak mempunyai antigen sama sekali maka golongan darah O disebut sebagai pendonor universal. Sementara golongan darah AB karena dia tidak memiliki antibodi dalam serumnya maka golongan darah AB disebut juga sebagai resipien universal. Namun dalam ilmu kedokteran sekarang hal itu tidak lagi berlaku karena kurang aman, alasannya selalu terjadi adanya aglutinasi ringan. Golongan darah manusia ABO ditentukan oleh alelalel Io, IA dan IB. Alel Io resesif terhadap IA dan IB. Alel IA dan IB bersifat kodomain, sehingga IB tidak dominan terhadap IA dan sebaliknya IA tidak dominan terhadap IB. Interaksi antara alel Io, IA dan IB menghasilkan 4 fenotip golongan darah, yaitu O, A, B dan AB. Gen I menghasilkan suatu molekul protein yang disebut Isoaglutinin yang terdapat pada permukaan sel darah merah. Orang dengan alel IA dapat membentuk aglutinogen atau antigen yang disebut antigen-A dalam eritrosit yang kemudian dapat bereaksi dengan antibodi atau aglutinin atau anti-B yang terdapat di dalam serum atau plasma darah. Orang dengan alel IB dapat membentuk antigen-B dalam eritrosit, dan zat anti-A dalam serum darah. 168 Orang dengan golongan darah O, mempunyai alel tidak dapat membentuk antigen-A maupun antigen-B, tetapi mempunyai zat anti-A dan zat anti-B. Apabila antigenA bertemu dengan zat anti-A, demikian juga antigen-B bertemu dengan zat anti-B, maka darah akan menggumpal. Sehingga dalam melakukan transfusi darah, baik donor (pemberi) maupun resipien (penerima) harus diperiksa terlebih dahulu golongan darahnya berdasarkan sistem ABO. (lihat tabel). I oI o, Gol. Darah Resipien O A B AB Gol. (anti A & B) (anti B) (Anti A) ( - ) Darah Donor O (tidak ada antigen) V V V V A (Antigen-A) X V X V B (Antigen-B) X X V V AB (Antigen A & B) X X X V Keterangan : V = Tidak terjadi penggumpalan X = Terjadi penggumpalan Cara menurunnya golongan darah A, B, AB dan O Telah diketahui bahwa golongan darah seseorang ditetapkan berdasarkan macamnya antigen dalam eritrosit yang dimilikinya. Dari hasil penelitian Bermstein dalam tahun 1925 menegaskan bahwa antigen-antigen itu diwariskan oleh suatu seri alel ganda. Alel itu diberi symbol I (berasal dari kata Isoaglutinin, suatu protein yang terdapat pada permukaan sel eritrosit). Orang yang mampu membentuk antigen A memiliki alel IAdalam kromosom, yang mampu membentuk antigen B memiliki alel IB, yang memiliki alel IA dan IB dapat membentuk antigen A dan 169 antigen B, sedangkan yang tidak mampu membentuk entigen sama sekali memiliki alel resesif I. Interaksi antara alel-alel IA, IB dan I menyebabkan terjadinya 4 fenotip (golongan darah) A, B, AB dan O. Golongan darah MN dan Golongan darah MNSs Golongan darah MN dikemukakan oleh K. Landsteiner dan Levine pada tahun 1927, setelah mereka menemukan antigen baru yang disebut antigen-M dan antigen-N di dalam sel darah. Mereka berpendapat bahwa sel darah merah seseorang dapat memiliki salah satu atau kedua macam antigen tersebut. Jika dilakukan tes dengan antiserum yang mengandung anti-M tampak adanya agglutinasi sedangkan anti-N tidak maka orang itu termasuk golongan M. jika anti serumnya mengandung anti-N terjadi agglutinasi sedangkan anti-M tidak maka orang itu dinyatakan sebagai orang bergolongan darah N. akan tetapi jika tes dilakukan dengan anti-M dan anti-N menunjukkan terjadinya agglutinasi, maka orang itu masuk golongan MN. Landsteiner dan Levin mengemukakan bahwa terbentuknnya antigen-M di dalam eritrosit itu ditentukan oleh alel LM sedangkan antigen-N oleh alel LN. pada alel-alel ini tidak dikenal dominasi, sebab alel LM dan LNmerupakan alel kodominan. Dengan demikian genotip LM LN tidak memperlihatkan ekspresi intermedier, melainkan menunjukkan fenotip baru. Fenotip Genotip Antigen dalam eritrosit M N MN LM LM LNLN LM LN M N M dan N Golongan Darah 170 Reaksi dengan antiserum Anti-M Anti-N X V X V X X Keterangan : V = Tidak terjadi penggumpalan eritrosit X = Terjadi penggumpalan eritrosit Dalam sistem golongan darah MN, plasma darah atau serum seseorang tidak mengandung zat anti-M maupun zat anti-N. Sehingga golongan darah ini tidak penting dalam transfusi, karena tidak menyebabkan terjadinya penggumpalan darah. Penggolongan darah MN dapat diketahui dengan cara sebagai berikut : a. Eritrosit seseorang yang mengandung antigen-M ke dalam tubuh kelinci. b. Darah kelinci akan membentuk zat anti-M c. Apabila anti serum kelinci yang mengandung zat anti ini disuntikkan dan digunakan untuk menguji darah seseorang dengan antigen-M, akan terjadi penggumpalan darah. d. Berarti orang tersebut mempunyai golongan darah M. kalau tidak terjadi penggumpalan darah berarti mempunyai golongan darah N. (lihat tabel di atas). Demikian seterusnya, sehingga diperoleh golongan darah M, N dan MN. Selain golongan darah MN diketahui juga golongan darah MNSs, yang dikemukakan oleh R. R. Race dan R. Sanger pada tahun 1947. menurut kedua peneliti ini, selain gen M dan N terdapat gen lainnya yang menentukan fenotip M dan N (lihat tabel di bawah). Sistem MN (Menurut Landsteiner) Gen : LM LN Fenotip Genotip M LM LM Sistem MNSs (Menurut Race – Sanger) Gen : LMS LMs LNS LNs Fenotip Genotip MS, Ms LMSLMS, LMSLMs atau LMsLMs 171 N LNLN NS, Ns LNSLNS, LNSLNs, atau LNsLNs MN LM LN MNS, LMSLNS, LMSLNs, Ms NS MNs L L , atau LMsLNs Keterangan : Alel S dominan terhadap s, LM dan LN merupakan alel kodominan Golongan Darah Sistem Rh Golongan darah ini dikemukakan setelah ditemukannya faktor Rhesus (faktor Rh), suatu antigen baru dalam eritrosit dalam penelitian-penelitian darah orang dengan menggunakan kera Rhesus di India. K. Landsteiner dan A. S. Wiener (1940) mempunyai zat anti yang menyebabkan sel darah kera Rhesus menggumpal. Antiserum kelinci yang terbentuk setelah disuntikkan sel darah merah kera tadi, kemudian digunakan untuk menguji darah manusia (lihat tabel di bawah). Test dengan antiserum yang mengandung antiRh Rh + RR atau Ada Eritrosit Rh Tidak ada Rr menggumpal Rr Eritrosit tidak menggumpal Keterangan : Alel R dominan terhadap alel r. Fenotip Genotip Ada/tidak antigen dalam eritrosit Dari penelitian selanjutnya, Wiener mengemukakan bahwa golongan darah Rh ditentukan oleh suatu alel ganda yang terdiri atas 8 alel. Sedangkan R. R. Race dan R. A. Fisher, mengatakan bahwa golongan darah Rh ditentukan 172 oleh 3 pasang gen, yaitu C, D dan E yang bersifat dominan terhadap pasangan alelnya c, d dan e. Orang termasuk golongan darah Rh + apabila mempunyai gen D. jika tidak ada gen D, maka fenotipnya adalah Rh – (lihat tabel di bawah). Landsteiner Gen R R Race & Fisher Gen CDE CDe cDE cDe CdE Cde cdE cde Wiener Gen RZ R1 R2 R0 ry r’ r” r Tipe RhZ Rh1 Rh2 Rh0 rhy rh’ rh” rh Fenotip dari genotip pada populasi orang kulit putih Jarang 41% 14% 3% Sangat jarang 1% 1% 39% Dalam serum darah manusia biasanya tidak terdapat zat anti-Rh. Zat anti-Rh dapat terbentuk melalui : a) Transfusi darah Seseorang yang mempunyai Rh-, apabila menerima darah donor Rh+, yang mengandung antigen-Rh, maka serum darah orang tersebut akan membentuk anti-Rh. Apabila transfusi serupa dilakukan berulang kali, maka zat anti-Rh yang terbentuk akan bertambah banyak. Sehingga orang dengan Rh- harus menerima donor darah dari orang yang Rh- juga, supaya tidak terjadi penggumpalan eritrosit. b) Perkawinan Orang perempuan dengan Rh- (rr), kawin dengan laki-laki Rh+ (RR), apabila hamil, janin yang masih di dalam kandungan akan mempunyai darah dengan Rh+ (R r). darah janin masuk ke tubuh ibu melalui plasenta membawa eritrosit yang mengandung antigen –Rh. Serum darah ibu 173 dirangsang untuk membentuk zat anti-Rh. Darah ibu yang masuk kembali ke tubuh janin mengandung zat anti-Rh. Sehingga sel darah merah janin rusak (hemolisa), yang menyebabkan anemia. Biasanya bayi pertama yang dilahirkan dari pasangan ini masih bisa diselamatkan. Tetapi pada kehamilan-kehamilan berikutnya zat anti-Rh yang terbentuk pada serum dan plasma ibu makin banyak, sehingga berbahaya bagi janin, karena dapat menyebabkan kematian dalam kandungan. Keadaan seperti ini disebut Eritroblastosis fetalis. Gambar contoh perkawinan golongan darah sistem Rh Pengaruh faktor Rh dan Pencegahan pembentukan antibodi anti-Rh Faktor Rh menggambarkan adanya partikel protein (antigen D) di dalam sel darah seseorang. Bagi yang ber-Rh negatif berarti ia kekurangan faktor protein dalam sel darah merahnya. Sedangkan yang ber-Rh positif memiliki protein yang cukup. Bila seorang wanita dengan rhesus negatif mengandung bayi dari pasangan yang mempunyai rhesus 174 positif, maka ada kemungkinan sang bayi mewarisi rhesus sang ayah yang positif. Dengan demikian akan terjadi kehamilan rhesus negatif dengan bayi rhesus positif. Hal ini disebut kehamilan dengan ketidak cocokan rhesus (rhesus inkontabilita). Kehadiran janin sendiri di tubuh ibu merupakan benda asing, apalagi jika Rh janin tak sama dengan Rh ibu. Secara alamiah tubuh bereaksi dengan merangsang sel darah merah (eristrosit) membentuk daya tahan atau antibodi berupa zat anti Rh untuk melindungi tubuh ibu sekaligus melawan ‘benda asing’ tersebut. Inilah yang menimbulkan ancaman pada janin yang dikandung. Efek ketidakcocokan bisa mengakibatkan kerusakan besar-besaran pada sel darah merah bayi yang disebut erytroblastosis foetalis dan hemolisis. Bila belum tercipta antibodi, maka pada usia kehamilan 28 minggu dan dalam 72 jam setelah persalinan akan diberikan injeksi anti-D (Rho) immunoglobulin, atau biasa juga disebut RhoGam. Proses terbentuknya zat anti dalam tubuh ibu sendiri sangat cepat sehingga akan lebih baik lagi jika setelah 48 jam melahirkan langsung diberi suntikan RhoGAM agar manfaatnya lebih terasa. Sayangnya, perlindungan RhoGAM hanya berlangsung 12 minggu. Setelah lewat batas waktu, suntikan harus diulang setiap kehamilan berikutnya. Bila dalam diri ibu telah tercipta antibodi, maka maka akan dilakukan penanganan khusus terhadap janin yang dikandung, yaitu dengan monitoring secara reguler dengan scanner ultrasonografi. Dokter akan memantau masalah pada pernafasan dan peredaran darah, cairan paruparu, atau pembesaran hati, yang merupakan gejala-gejala penderitaan bayi akibat rendahnya sel darah merah. Bila memang ada zat anti-Rh dalam tubuh ibu hamil, sebaiknya dilakukan pemeriksaan jenis darah janin melalui 175 pengambilan cairan ketuban (amniosentesis). Dapat juga melalui pengambilan cairan dari tulang belakang Chorionic Villi Sampling (CVS), dan pengambilan contoh darah dari tali pusat janin (kordosentesis).. Pada kasus janin belum cukup kuat untuk dibesarkan diluar, maka perlu dilakukan transfusi darah terhadap janin yang masih dalam kandungan. Biasanya bila usia kandungan belum mencapai 30 minggu. Setelah bayi lahir, ia akan mendapat beberapa pemerikasaan darah secara teratur untuk memantau kadar bilirubin dalam darahnya. Bila kadar bilirubin benar-benar berbahaya akan dilakukan penggantian darah dengan transfusi. Kadar cairan dalam paru-paru dan jantungnya juga akan diawasi dengan ketat, demikian juga dengan kemungkinan anemia. Perbedaan Rh ibu dan janin tak terlalu berbahaya pada kehamilan pertama. Sebab, kemungkinan terbentuknya zat anti-Rh pada kehamilan pertama sangat kecil. Kalaupun sampai terbentuk, jumlahnya tidak banyak. Sehingga, bayi pertama dapat lahir sehat. Pembentukan zat anti Rh baru benar-benar dimulai pada saat proses persalinan (atau keguguran) pada kehamilan pertama. Saat plasenta lepas, pembuluh-pembuluh darah yang menghubungkan dinding rahim dengan plasenta juga putus. Akibatnya, sel-sel darah merah bayi dapat masuk ke dalam peredaran darah ibu dalam jumlah yang lebih besar. Peristiwa ini disebut transfusi feto-maternal. Selanjutnya, 48-72 jam setelah persalinan atau keguguran, tubuh ibu dirangsang lagi untuk memproduksi zat anti-Rh lebih banyak lagi. Demikian seterusnya. Saat ibu mengandung lagi bayi kedua dan selanjutnya, barulah zat anti-Rh di tubuh ibu akan menembus plasenta dan menyerang sel darah merah janin. Sementara itu bagi ibu perbedaan rhesus ibu dan janin sama sekali tidak mengganggu dan mempengaruhi kesehatan ibu. 176 C. GEN GANDA Pewarisan suatu sifat seringkali tidak hanya dapat dibedakan menjadi dua sifat saja, seperti panjang dan pendek, warna dan tidak berwarna dan sebagainya. Tetapi seringkali ada variasi diantara dua sifat tersebut, yang disebabkan oleh gen-gen ganda. Adanya variasi yang diturunkan ini diamati oleh J. Kolreuter pada tanaman tembakau pada tahun 1760, sebelum ada percobaan-percobaan yang dilakukan oleh Mendel. Dalam percobaan persilangan antara dua tanaman dengan satu sifat beda, Kolreuter mendapatkan hasil F1 yang intermedier, dan pada F2 diperoleh keturunan yang mempunyai sifat bervariasi antara kedua induknya. Gen ganda adalah suatu seri gen yang menentukan pewarisan secara kuantitatif. Beberapa sifat pada manusia, hewan maupun tumbuhan seringkali ditentukan oleh adanya gen ganda. Misalnya, tinggi badan manusia, pigmentasi kulit, panjang tongkol jagung dan sebagainya. Biasanya suatu kelas fenotif mudah dibedakan dengan kelas fenotif yang lain, misalnya tanaman tinggi dan pendek, dst. Tetapi ternyata sifat keturunan tidak dapat dipisahkan semudah itu, sebab misalnya warna merah pada bunga masih terdapat variasinya diantara merah tersebut. Penelitian menunjukkan bahwa timbulnya berbagai variasi dalam sifat keturunan ttt, disebabkan oleh gen-gen ganda. Contoh : Persilangan antara tanaman gandum dengan biji merah (RRCC) dengan biji putih (rrcc) menghasilkan keturunan F1 RrCc yang warna bijinya seragam, yaitu medium. Persilangan antara F1 menurunkan tanaman-tanaman F2 dengan warna biji dengan perbandingan 1 merah : 4 kelam : 6 medium : 4 muda : 1 putih. P : ♀ RRCC x ♂ rrcc (biji merah) (putih) 177 F1 : F2 : F1 x F1 9R-C- 3r-cc 3 rrC1 rrcc RrCc (1) (2) (2) (4) (1) (2) (1) (2) (1) RRCC RRCc RrCC RrCc RRcc Rrcc rrCC rrCc rrcc merah kelam kelam medium medium muda medium muda putih Hubungan antara banyaknya gen ganda, kelas genotif dan fenotif dalam F2. Tinggi badan pada manusia, ditentukan oleh 4 pasang gen yang dibedakan oleh adanya gen-gen dasar (yang menentukan tinggi dasar dari orang), dinyatakan dengan simbol a, b, c, d dan gen-gen ganda (memberikan tambahan pada tinggi dasar), dinyatakan dengan simbol T (tinggi) dan t (tidak ada tambahan tinggi). Apabila tinggi normal orang Indonesia 150 cm, dan setiap alel T memberikan tambahan tinggi 6 cm, alel t memberikan tambahan tinggi pada tinggi dasar manusia. 178 Orang laki-laki dengan genotip aT aT bT bT ct ct dt dt mempunyai tinggi 150 cm + (4 x 6 cm) = 174 cm. Orang perempuan dengan genotip aT at bt bt ct ct dt dt, mempunyai ukuran tinggi 150 cm + (1 x 6 cm) = 156 cm. Bila kedua orang tersebut menikah akan menghasilkan keturunan dengan tinggi yang berbeda. P : ♀ aT at bt bt ct ct dt dt x ♂ aT aT bT bT ct ct dt dt (156 cm) (174 cm) aT bT ct dt ♂ ♀ aT bT ct dt at bt ct dt aT aT bT bt ct ct dt dt aT at bT bt ct ct dt dt 179 =168 cm = 162 cm BAB IX RANGKAIAN KELAMIN DAN PENENTUAN JENIS KELAMIN A. RANGKAI KELAMIN Gen-gen yang terletak pada kromosom kelamin dinamakan gen rangkai kelamin (sex-linked genes) sementara fenomena yang melibatkan pewarisan gengen ini disebut peristiwa rangkai kelamin (linkage). Adapun gen berangkai yang dibicarakan adalah gen-gen yang terletak pada kromosom selain kromosom kelamin, yaitu kromosom yang pada individu jantan dan betina sama strukturnya sehingga tidak dapat digunakan untuk membedakan jenis kelamin. Kromosom semacam ini dinamakan autosom. Seperti halnya gen berangkai (autosomal), gen-gen rangkai kelamin tidak mengalami segregasi dan penggabungan secara acak di dalam gamet-gamet yang terbentuk. Akibatnya, individu-individu yang dihasilkan melalui kombinasi gamet tersebut memperlihatkan nisbah fenotipe dan genotipe yang menyimpang dari hukum Mendel. Selain itu, jika pada percobaan Mendel perkawinan resiprok (genotipe tetua jantan dan betina dipertukarkan) menghasilkan keturunan yang sama, tidak demikian halnya untuk sifat-sifat yang diatur oleh gen rangkai kelamin. Gen rangkai kelamin dapat dikelompokkelompokkan berdasarkan atas macam kromosom kelamin tempatnya berada. Oleh karena kromosom kelamin pada umumnya dapat dibedakan menjadi kromosom X dan Y, maka gen rangkai kelamin dapat menjadi gen rangkai X (Xlinked genes)dan gen rangkai Y (Y-linked genes). Di samping itu, ada pula beberapa gen yang terletak pada kromosom X 180 tetapi memiliki pasangan pada kromosom Y. Gen semacam ini dinamakan gen rangkai kelamin tak sempurna (incompletely sex-linked genes). Gen-gen yang terdapat pada kromosom kelamin, disebut gen-gen terangkai kelamin. Peristiwanya disebut rangkai kelamin (sex linkage). Gen-gen yang Terdapat pada Kromosom X Percobaan yang pertama kali mengungkapkan adanya peristiwa rangkai kelamin dilakukan oleh T.H Morgan pada tahun 1910. Dia menyilangkan lalat Drosophila melanogaster jantan bermata putih dengan betina bermata merah. Lalat bermata merah lazim dianggap sebagai lalat normal atau tipe alami (wild type), sedang gen pengatur tipe alami, misalnya pengatur warna mata merah ini, dapat dilambangkan dengan tanda +. Biasanya, meskipun tidak selalu, gen tipe alami bersifat dominan terhadap alel mutannya. Hasil persilangan Morgan tersebut, khususnya pada generasi F1, ternyata berbeda jika tetua jantan yang digunakan adalah tipe alami (bermata merah) dan tetua betinanya bermata putih. Dengan perkataan lain, perkawinan resiprok menghasilkan keturunan yang berbeda. Persilangan resiprok dengan hasil yang berbeda ini memberikan petunjuk bahwa pewarisan warna mata padaDrosophila ada hubungannya dengan jenis kelamin, dan ternyata kemudian memang diketahui bahwa gen yang mengatur warna mata pada Drosophila terletak pada kromosom kelamin, dalam hal ini kromosom X. Oleh karena itu, gen pengatur warna mata ini dikatakan sebagai gen rangkai X. 1) Disebabkan oleh gen dominan Contoh pada manusia: 181 Gigi yang berwarna coklat dan muda rusak karena kekurangan email, disebabkan oleh dominan b yang terdapat pada kromosom X. alelnya gen b, menentukan gigi normal. P : ♀ bb x ♂ B— (gigi normal) gigi coklat Gamet: b gamet : B,— F1 : Bb (♀) : gigi coklat b— (♂) : gigi normal 2) Disebabkan oleh gen resesif Contoh pada manusia : Buta warna terhadap warna merah dan hijau, disebabkan oleh gen resesif c. Alel dominannya C, menentukan tidak buta warna (normal). Seorang perempuan normal homozigot bila kawin dengan laki-laki yang buta warna, akan mempunyai keturunan yang semuanya normal, tetapi yang perempuan membawa gen buta warna. Seorang wanita normal heterozigot ( membawa gen buta warna), bila kawin dengan laki-laki normal akan mempunyai anak dengan kemungkinan, anak perempuan normal homozigot (normal), anak perempuan heterozigot (normal, tetapi membawa gen buta warna), anak laki-laki normal dan lakilaki buta warna. Bagaimana mekanisme pewarisannya dapat dilihat seperti berikut: P : ♀ CC (XX) normal ovum: C (X) 182 x ♂ c— (XY) buta warna spermatozoa: c, — (X)(Y) F1 : P : F1 : Cc (♀) , normal (XX) C— (♂) , normal (XY) ♀ Cc x (XX) normal carier ovum: C, c (X) ♂ C— (XY) normal spermatozoa: C, — (X)(Y) Cc (♀) , normal Cc (♀) , normal, carier C— (♂) , normal c— (♂) , buta warna Anodontia Penderita kekurangan jumlah gigi (antara 1 sd 6 atau lebih dari 6) dari jumlah gigi normal. Ditentukan oleh gen resesif a yang terdapat pada kromosom-X. Alelnya dominan A menentukan gigi normal. Pada umumnya, penderita anodontia memiliki ciri-ciri mempunyai rambut yang tipis, bahkan hampir tidak mempunyai rambut dan rahang tidak berkembang selayaknya orang normal, tidak memiliki benih gigi pada rahangnya. Hemofilia Hemofilia merupakan kelainan perdarahan yang diturunkan yang disebabkan adanya kekurangan faktor pembekuan darah Dikenal 2 macam penyakit hemofilia, yaitu hemofilia A dan B (penyakit ‘christmas’) Hemofilia A timbul jika ada efek gen yang menyebabkan kurangnya faktor pembekuan VIII (Faktor anti hemofilia) sedangkan hemofilia B disebabkan kurangnya faktor pembekuan IX (Plasma tromboplastin komponen). Hemofilia A dan B tidak 183 dibedakan karena mempunyai tampilan klinis yang mirip dan pola pewarisan gen yang serupa. Hemofilia tipe A lebih banyak dijumpai daripada hemophilia B. Hemofilia Ditentukan oleh gen resesif h yang terdapat pada kromosom-X Alelnya dominan H menentukan seseorang memiliki faktor anti hemofilia sehingga darah dapat membeku secara normal. Anak perempuan hemofila boleh dikatakan tidak pernah dijumpai karena genotip hh biasanya letal. Contoh pada kucing : Warna bulu pada kucing ditentukan oleh suatu gen rangkai X. Dalam keadaan heterozigot gen ini menyebabkan warna bulu yang dikenal dengan istilah tortoise shell. Oleh karena genotipe heterozigot untuk gen rangkai X hanya dapat dijumpai pada individu betina, maka kucing berbulu tortoise shell hanya terdapat pada jenis kelamin betina. Sementara itu, individu homozigot dominan (betina) dan homozigot dominan (jantan) mempunyai bulu berwarna hitam. Individu homozigot resesif (betina) dan hemizigot resesif (jantan) akan berbulu kuning. Istilah homozigot digunakan untuk menyebutkan genotipe individu dengan sebuah kromosom X. Individu dengan gen dominan yang terdapat pada satu-satunya kromosom X dikatakan homozigot dominan. Sebaliknya, jika gen tersebut resesif, individu yang memilikinya disebut homozigot resesif. B = gen untuk warna bulu hitam b = gen untuk warna bulu coklat muda (kuning) Bb = genotip kucing belang tiga (hitam, kuning, putih, yang disebut dengan kucing Calico. P : ♀ bb x ♂ B— (kuning) (hitam) Gamet: b gamet : B,— 184 F1 : Bb (♀) : kucing belang 3 (kucing calico) b— (♂) : kucing kuning Bila terjadi nondisjunction, tetapi ini sangat jarang ditemui, dapat terbentuk kucing Calico jantan. Kucing ini steril. P : ♀ bb x ♂ B— (kuning) (hitam) Gamet: b Nondisjunction gamet : B—, O F1 : Bb (♂) : kucing belang 3 (kucing calico) (XXY) b— (♀) : kucing kuning (XO) Rangkai Z pada ayam Pada dasarnya pola pewarisan sifat rangkai Z sama dengan pewarisan sifat rangkai X. Hanya saja, kalau pada rangkai X individu homogametik berjenis kelamin pria/jantan sementara individu heterogametik berjenis kelamin wanita/betina, pada rangkai Z justru terjadi sebaliknya. Individu homogametik (ZZ) adalah jantan, sedang individu heterogametik (ZW) adalah betina. Contoh gen rangkai Z yang lazim dikemukakan adalah gen resesif br yang menyebabkan pemerataan pigmentasi bulu secara normal pada ayam. Alelnya, Br, menyebabkan bulu ayam menjadi burik. Jadi, pada kasus ini alel resesif justru dianggap sebagai tipe alami atau normal (dilambangkan dengan +), sedang alel dominannya merupakan alel mutan. 185 Gen dalam Kromosom Y Pada umumnya kromosom Y hanya sedikit sekali mengandung gen yang aktif. Jumlah yang sangat sedikit ini mungkin disebabkan oleh sulitnya menemukan alel mutan bagi gen rangkai Y yang dapat menghasilkan fenotipe abnormal. Biasanya suatu gen/alel dapat dideteksi keberadaannya apabila fenotipe yang dihasilkannya adalah abnormal. Oleh karena fenotipe abnormal yang disebabkan oleh gen rangkai Y jumlahnya sangat sedikit, maka gen rangkai Y diduga merupakan gen yang sangat stabil. Gen rangkai Y jelas tidak mungkin diekspresikan pada individu betina/wanita sehingga gen ini disebut juga gen holandrik. Contoh gen holandrik pada manusia adalah Hg dengan alelnya hg yang menyebabkan bulu kasar dan panjang, Ht dengan alelnya ht yang menyebabkan pertumbuhan bulu panjang di sekitar telinga, dan Wt dengan alelnya wt yang menyebabkan abnormalitas kulit pada jari. Karena kromosom Y hanya terdapat pada pria, maka sifat keturunannya juga diwariskan hanya pada keturunan pria saja. Contoh : bulu-bulu pada tepi daun telinga, disebabkan oleh gen resesif h P : ♀ XX normal F1 : Xh x ♂ Xh hypertrichosis XX (♀) : normal (♂) : hypertrichosis Pewarisan Rangkai Kelamin Tak Sempurna Meskipun dari uraian di atas secara tersirat dapat ditafsirkan bahwa kromosom X tidak homolog dengan 186 kromosom Y, ternyata ada bagian atau segmen tertentu pada kedua kromosom tersebut yang homolog satu sama lain. Dengan perkataan lain, ada beberapa gen pada kromosom X yang mempunyai alel pada kromosom Y. Pewarisan sifat yang diatur oleh gen semacam ini dapat dikatakan tidak dipengaruhi oleh jenis kelamin, dan berlangsung seperti halnya pewarisan gen autosomal. Oleh karena itu, gen-gen pada segmen kromosom X dan Y yang homolog ini disebut juga gen rangkai kelamin tak sempurna. Pada D. melanogaster terdapat gen rangkai kelamin tak sempurna yang menyebabkan pertumbuhan bulu pendek. B. PENENTUAN JENIS KELAMIN Penelitian awal tentang adanya hubungan antara kromosom dengan perbedaan jenis kelamin dilakukan oleh H. Henking, biologiwan Jerman, pada tahun 1891. Ia menemukan adanya struktur tertentu dalam nukleus beberapa serangga melalui spermatogenesis -> badan X. Jadi ada sperma yang memiliki badan X dan ada yang tidak memiliki badan X. Tahun 1902, C.E. McClung membenarkan penemuan Henking. Penentuan jenis kelamin atau determinasi seks adalah penentuan jenis kelamin suatu organisme yang ditentukan oleh kromosom seks (GONOSOM). Perbedaan seks pada makhluk hidup biasanya dipengaruhi oleh dua faktor: a) Faktor lingkungan, yang biasanya ditentukan oleh fisiologis. Apabila kadar hormon kelamin dalam tubuh tidak seimbang penghasilan atau peredarannya, maka pernyataan fenotip mengenai kelaminnya dari suatu makhluk dapat berubah. b) Faktor genetik, yang ditentukan oleh komposisi kromosomnya, karena bahan genetik terdapatnya di dalam kromosom. 187 Ada beberapa tipe penentuan jenis kelamin: a. Tipe XY 1) pada lalat Drosophila melanogaster pada selnya terdapat 8 buah kromosom, yang dibedakan : a) Tiga pasang (6 kromosom), yang pada lalat jantan maupun betina bentuknya sama. Kromosom ini disebut kromosom tubuh (autosom) disingkat dengan huruf A. b) Satu pasang (2 buah) kromosom, yang disebut kromosom kelamin (sex-kromosom). Dibedakan : - Kromosom X : yang berbentuk batang lurus. Lalat betina mempunyai 2 kromsom X - Kromosom Y : yang pendek daripada kromosom X dan sedikit membengkak pada salah satu ujungnya. Lalat jantan mempunyai sebuah kromosom X dan sebuah kromosom Y. Formula kromosom untuk lalat buah Drosophila adalah sebagai berikut: - Lalat betina ialah : 3 AAXX (3 pasang autosom + 1 pasang kromosom X) - Lalat jantan : 3 AAXY ( 3 pasang autosom + 1 kromosom X + 1 kromosom Y). Terjadinya anak lalat betina dan jantan 188 3 AA P : x ♀ XX 3A X 3A X 3 AA XY ♂ 3A X 3A Y Ovum Sperma 3 AA XY 3 AA XX 3 AA XY (anak lalat ♀) 3 AA XY (anak lalat ♂) 2) Pada manusia dan mamalia Kromosom diploid manusia adalah 46, terdiri atas: - 44 (22 pasang) autosom - 2 (1 pasang) kromosom perempuan XX, laki-laki XY Formula kromosom pada manusia : Lama Baru Individu (Denver, USA, 1958) (Paris, Eropa, 1971) Perempuan 22 AA XX 46, XX Laki-laki 22 AA XY 46, XY Terjadinya anak perempuan dan laki-laki P : ♀ x ♂ 46 46 XX Ovum sperma 23 X XY 23 X 23 X 46 XX 46, XX 189 23 Y 46 XY 46, XY (anak perempuan) (anak laki-laki) b. Tipe XO (pada belalang) ♂ : XO (Yang jantan hanya mempunyai 1 sex kromosom) ♀ : XX c. Tipe ZW (pada kupu-kupu, beberapa jenis burung, ikan, amphibian dan reptilian) ♀ : ZW (ayau XY) ---) heterogametic ♂ : ZZ ( atau XX) ---) homogametik d. Tipe ZO (pada unggas) ♂ : ZZ (atau XX) ♀ : ZO (atau XO) e. Tipe ploidi (pada lebah) Seks tidak ditentukan oleh kromosom kelamin, tetapi oleh sifat ploidi dari individu. Lebah madu jantan, terjadi karena parthenogenesis (terbentuknya makhluk dari sel telur tanpa didahului pembuahan). Dengan demikian, maka lebah madu jantan bersifat haploid, yang memiliki 16 kromosom. Sel telur yang dibuahi spermatozoa akan menghasilkan lebah madu betina (lebah ratu) dan pekerja, masing-masing bersifat diploid dan memiliki 32 kromosom. Karena perbedaan tempat dan makanan, maka lebah ratu subur (fertil), sedangkan lebah pekerja mandul (steril). Pada tumbuhan: Kebanyakan tumbuhan mempunyai bunga hermaprodit, dimana alat kelamin jantan (stamen) dan alat kelamin betina (pistilum) terdapat pada satu bunga, sehingga tidak ada perbedaan seks. Pada tanaman berumah dua, dimana terdapat bunga jantan terpisah dari bunga betina (misal pada salak), maka penentuan seks mengikuti tipe XY (tanaman jantan : XY, tanaman betina : XX). Partenogenesis 190 Pada beberapa spesies Hymenoptera seperti semut, lebah, dan tawon, individu jantan berkembang dengan cara partenogenesis, yaitu melalui telur yang tidak dibuahi. Oleh karena itu, individu jantan ini hanya memiliki sebuah genom atau perangkat kromosomnya haploid. Sementara itu, individu betina dan golongan pekerja, khususnya pada lebah, berkembang dari telur yang dibuahi sehingga perangkat kromosomnya adalah diploid. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa partenogenesis merupakan sistem penentuan jenis kelamin yang tidak ada sangkut pautnya sama sekali dengan kromosom kelamin tetapi hanya bergantung kepada jumlah genom (perangkat kromosom). Penentuan Jenis Kelamin Karena Faktor Pengaruh lingkungan Sistem penentuan jenis kelamin bahkan ada pula yang bersifat nongenetik. Hal ini misalnya dijumpai pada cacing laut Bonellia, yang jenis kelaminnya semata-mata ditentukan oleh faktor lingkungan.. F. Baltzer menemukan bahwa cacing Bonellia yang berasal dari sebuah telur yang diisolasi akan berkembang menjadi individu betina. Sebaliknya, cacing yang hidup di lingkungan betina dewasa akan mendekati dan memasuki saluran reproduksi cacing betina dewasa tersebut untuk kemudian berkembang menjadi individu jantan yang parasitik. Kromatin Kelamin Seorang ahli genetika dari Kanada, M.L. Barr, pada tahun 1949 menemukan adanya struktur tertentu yang dapat memperlihatkan reaksi pewarnaan di dalam nukleus sel syaraf kucing betina. Struktur semacam ini ternyata tidak dijumpai pada sel-sel kucing jantan. Pada manusia dilaporkan pula bahwa sel-sel somatis pria, misalnya sel 191 epitel selaput lendir mulut, dapat dibedakan dengan sel somatis wanita atas dasar ada tidaknya struktur tertentu yang kemudian dikenal dengan nama kromatin kelamin atau badan Barr. Pada sel somatis wanita terdapat sebuah kromatin kelamin sementara sel somatis pria tidak memilikinya. Selanjutnya diketahui bahwa banyaknya kromatin kelamin ternyata sama dengan banyaknya kromosom X dikurangi satu. Jadi, wanita normal mempunyai sebuah kromatin kelamin karena kromosom X-nya ada dua. Demikian pula, pria normal tidak mempunyai kromatin kelamin karena kromosom X-nya hanya satu. Dewasa ini keberadaan kromatin kelamin sering kali digunakan untuk menentukan jenis kelamin serta mendiagnosis berbagai kelainan kromosom kelamin pada janin melalui pengambilan cairan amnion embrio (amniosentesis). Pria dengan kelainan kromosom kelamin, misalnya penderita sindrom Klinefelter (XXY), mempunyai sebuah kromatin kelamin yang seharusnya tidak dimiliki oleh seorang pria normal. Sebaliknya, wanita penderita sindrom Turner (XO) tidak mempunyai kromatin kelamin yang seharusnya ada pada wanita normal. Mary F. Lyon, seorang ahli genetika dari Inggris mengajukan hipotesis bahwa kromatin kelamin merupakan kromosom X yang mengalami kondensasi atau heterokromatinisasi, sehingga secara genetik menjadi inaktif. Hipotesis ini dilandasi hasil pengamatannya atas ekspresi gen rangkai X yang mengatur warna bulu pada mencit. Individu betina heterozigot memperlihatkan fenotipe mozaik yang jelas berbeda dengan ekspresi gen semidominan (warna antara yang seragam). Hal ini menunjukkan bahwa hanya ada satu kromosom X yang aktif di antara kedua kromosom X pada individu betina. Kromosom X yang aktif pada suatu sel mungkin membawa 192 gen dominan sementara pada sel yang lain mungkin justru membawa gen resesif. Hipotesis Lyon juga menjelaskan adanya mekanisme kompensasi dosis pada mamalia. Mekanisme kompensasi dosis diusulkan karena adanya fenomena bahwa suatu gen rangkai X akan mempunyai dosis efektif yang sama pada kedua jenis kelamin. Dengan perkataan lain, gen rangkai X pada individu homozigot akan diekspesikan sama kuat dengan gen rangkai X pada individu homozigot. Hormon dan Diferensiasi Kelamin Dari penjelasan mengenai berbagai sistem penentuan jenis kelamin organisme diketahui bahwa faktor genetis memegang peranan utama dalam ekspresi sifat kelamin primer. Selanjutnya, sistem hormon akan mengatur kondisi fisiologi dalam tubuh individu sehingga mempengaruhi perkembangan sifat kelamin sekunder. Pada hewan tingkat tinggi dan manusia hormon kelamin disintesis oleh ovarium, testis, dan kelenjar adrenalin. Ovarium dan testis masing-masing mempunyai fungsi ganda, yaitu sebagai penghasil sel kelamin (gamet) dan sebagai penghasil hormon kelamin. Sementara itu, kelenjar adrenalin menghasilkan steroid yang secara kimia berhubungan erat dengan gonad. Gen terpengaruh kelamin Gen terpengaruh kelamin (sex influenced genes) ialah gen yang memperlihatkan perbedaan ekspresi antara individu jantan dan betina akibat pengaruh hormon kelamin. Sebagai contoh, gen autosomal H yang mengatur pembentukan tanduk pada domba akan bersifat dominan pada individu jantan tetapi resesif pada individu betina. Sebaliknya, alelnya h, bersifat dominan pada domba betina 193 tetapi resesif pada domba jantan. Oleh karena itu, untuk dapat bertanduk domba betina harus mempunyai dua gen H (homozigot) sementara domba jantan cukup dengan satu gen H (heterozigot). Tabel . Ekspresi gen terpengaruh kelamin pada domba Domba jantan Domba betina Genotipe HH Bertanduk bertanduk Hh Bertanduk tidak bertanduk Hh tidak bertanduk tidak bertanduk Contoh lain gen terpengaruh kelamin adalah gen autosomal B yang mengatur kebotakan pada manusia. Gen B dominan pada pria tetapi resesif pada wanita. Sebaliknya, gen b dominan pada wanita tetapi resesif pada pria. Akibatnya, pria heterozigot akan mengalami kebotakan, sedang wanita heterozigot akan normal. Untuk dapat mengalami kebotakan seorang wanita harus mempunyai gen B dalam keadaan homozigot. Gen terbatasi kelamin Selain mempengaruhi perbedaan ekspresi gen di antara jenis kelamin, hormon kelamin juga dapat membatasi ekspresi gen pada salah satu jenis kelamin. Gen yang hanya dapat diekspresikan pada salah satu jenis kelamin dinamakan gen terbatasi kelamin (sex limited genes).Contoh gen semacam ini adalah gen yang mengatur produksi susu pada sapi perah, yang dengan sendirinya hanya dapat diekspresikan pada individu betina. Namun, individu jantan dengan genotipe tertentu sebenarnya juga mempunyai potensi untuk menghasilkan keturunan dengan produksi susu yang tinggi sehingga keberadaannya sangat diperlukan dalam upaya pemuliaan ternak tersebut. 194 195 BAB X REKAYASA GENETIKA Rasa ingin tahu manusia dan keinginan untuk selalu mendapatkan yang terbaik dalam memecahkan semua masalah kehidupan membawa manusia untuk berfantasi dan mengembangkan imajinasinya. Hal inilah yang dialami oleh para ilmuwan di bidang biologi ketika mereka dihadapkan pada masalah kesehatan dan biologi. Mereka berimajinasi dan berandai-andai adanya suatu mahluk hidup yang merupakan perpaduan dari sifat-sifat positif makhluk hidup yang sudah ada. Percobaan-percobaan yang mereka lakukan akhirnya menemukan teknik yang dinamakan rekayasa genetika. Perkembangan di bidang rekayasa genetika terutama dengan ditemukannya alat instrumentasi dan didukung oleh perkembangan di bidang ilmu biologi molekuler dimulailah revolusi life sciences. Dalam pengembangan ilmu pengetahuan pada tiga dasawarsa terakhir, landasan kemampuan proses dan kelangsungan hidup dipahami melalui pendekatan hirarki Organisasi Materi, yang menunjukan bahwa pada hirarki paling dasar terdapat lebih banyak kesamaan antara jenis makhluk hidup dan makin keatas menunjukkan lebih banyak keanekaragaman. Dengan pemahaman ini didapat peluang besar untuk memanfaatkan kesamaan guna mengembangkan rekayasa gen melalui teknik rekombinasi DNA. Dengan teknik ini, DNA suatu makhluk hidup dapat dipindahkan ke makhluk yang lain jenis, bahkan yang sangat jauh hubungan kekerabatannya. Makhluk rekombinan kemudian memiliki kemampuan baru dalam melangsungkan proses hidup dan bersaing dengan makhluk hidup lain. Teknik rekombinasi DNA merupakan tulang 196 punggung pengembangan bioteknologi baru. Dengan demikian bioteknologi diartikan sebagai penggunaan organisme atau sistem hidup untuk memecahkan suatu masalah atau untuk menghasilkan produk yang berguna. Atau dapat juga dikatakan bahwa bioteknologi adalah seperangkat teknik yang memanfaatkan organisme hidup atau bagian dari organisme hidup, untuk menghasilkan atau memodifikasi produk, meningkatkan kemampuan tumbuhan dan hewan, mengembangkan mikroorganisme untuk penggunaan khusus yang berguna bagi kehidupan manusia. Rekayasa genetika yang sering kali sinonim dengan teknologi DNA rekombinan merupakan tulang punggung dan pemicu lahirnya bioteknologi molekuler yang merupakan suatu bidang studi yang sangat dinamis dan kompetitif. DNA rekombinan dikonstruksi dengan menggabungkan materi genetika dari dua atau lebih sumber yang berbeda atau melakukan perubahan secara terarah pada suatu materi genetika tertentu. Istilah teknologi DNA rekombinan atau rekayasa genetika secara ringkas dapat diartikan sebagai teknik molekuler yang dengan tepat mampu mengubah suatu molekul DNA, atau menggabungkan molekul DNA tertentu dari sumber-sumber yang berbeda. Rekombinasi DNA dilakukan dengan enzim (enzim restriksi dan ligase) yang dapat melakukan pemotongan dan penyambungan molekul DNA dengan tepat dan dapat diprediksi. DNA rekombinan selanjutnya dimasukkan ke dalam organisme sasaran melalui introduksi langsung (transformasi), melalui virus, atau bakteri. Oleh karena itu, dalam melakukan rekombinasi genetika, seorang pemulia selain dapat melakukannya melalui penggabungan sel telur dan sperma (atau serbuk sari dan putik pada tanaman) pada metode pemuliaan selektif, dia dapat pula melakukan rekombinasi bahan 197 genetika dengan ketelitian yang lebih tinggi dengan melakukannya di taraf molekuler. Sehingga sebelumnya, kita menggunakan suatu organisme utuh untuk seleksi bahan genetik unggul, tetapi sekarang kita menggunakan sel-sel dan molekul organisme tersebut. Sebelumnya kita melakukan manipulasi tanpa mengetahui mekanisme yang mendasari manipulasi tersebut, sehingga sulit diprediksi hasilnya. Tetapi sekarang kita mengerti manipulasi yang kita lakukan pada taraf yang paling mendasar, yaitu taraf molekuler. Oleh karena itu, kita dapat memprediksi pengaruh manipulasi yang dilakukan dan mengarahkan perubahan yang diinginkan dengan tingkat ketepatan yang jauh lebih tinggi. Rekayasa genetika atau pencangkokan gen atau DNA rekombinan, sesungguhnya merupakan penerapan prinsifprinsif genetika dalam revolusi ilmiah yang dimaksudkan untuk meningkatkan kesejahteraan umat manusia. Pengertian ini dianggap terlalu luas karena berarti kegiatan penyilangan hewan atau tanaman untuk mendapatkan bentuk-bentuk baru yang lebih bernilai dapat dengan mudah dimasukkan, meskipun rekayasa yang dilakukan adalah rekayasa populasi (melalui seleksi). Batasan yang lebih sempit adalah penerapan genetika molekuler (atau paling tidak melibatkan teknik genetika molekuler) dalam kehidupan manusia. Rekayasa genetika mendapatkan titik berat dalam dunia kedokteran dan farmasi modern. Namun demikian, bidang gizi, veteriner, peternakan,s erta agronomi juga telah melibatkan ilmu ini untuk mengembangkan bidang masingmasing. Pada awalnya, proses rekayasa genetika ditemukan oleh Crick dan Watson pada tahun 1953. Rekayasa genetika merupakan suatu rangkaian metode yang canggih dalam perincian akan tetapi sederhana dalam hal prinsip yang 198 memungkinkan untuk dilakukan pengambilan gen atau sekelompok gen dari sebuah dan mencangkokkan gen atau sekelompok gen tersebut pada sel lain di mana gen atau sekelompok gen tersebut mengikat diri mereka dengan gen atau sekelompok gen yang sudah ada dan bersama-sama menanggung reaksi biokimiawi penerima. Prinsip dasar rekayasa genetika baru dikembangkan pada dasawarsa yang lalu, dan sejak itu telah terjadi kemajuan pesat yang memberikan kepada kita seperangkat metodologi yang ampuh dan canggih. Rekayasa genetika melibatkan penyisipan informasi genetik baru ke dalam organisme yang biasanya adalah bakteri untuk memberi kemampuan baru. Pemilihan metode bergantung pada gen mana yang akan dipindahkan dan jenis organisme mana yang akan menerima informasi baru. Pada tahun 1940 ahli genetika Amerika Barbara Mc Clintock (1902 – 1993) menemukan keganjilan sewaktu menyelidiki jagung yang mempunyai bonggol berbagai warna. Ia menemukan bahwa variasi berbagai warna hanya dapat dijelaskan dengan adanya bagian-bagian DNA yang dapat dipindahkan yang dikenal sebagai Transposon. Karyanya adalah petunjuk awal bahwa gen dapat berpindah tempat meskipun pada waktu itu kurang dipedulikan. 40 tahun kemudian, kegunaannya baru disadari dan Barbara Mc Clintock memperoleh hadiah nobel. Dalam setiap bonggol jagung ini butirannya berwarna terang atau gelap. Warna gelap dihasilkan oleh gen yang ada pada setiap sel, tetapi dalam sel dari beberapa butiran suatu transposon pindah ke gen berikutnya dan melumpuhkannya. Hasilnya adalah berwarna terang. Transposon ditemukan pada banyak organisme lain, termasuk bakteri dan lalat buah, sebuah transposon dapat 199 membuat salinan sebelum “melompat’’ hingga banyak salinan terbentuk. A. SEJARAH PERKEMBANGAN BIOTEKNOLOGI MOLEKULER Pada tiga dasawarsa terakhir ini ilmu biologi dikaji secara gigih pada molekul. Dengan pengkajian ilmu biologi molekuler yang terus berkembang ini dan kemajuan masingmasing disiplin ilmu yang menyangkut kehidupan, menghasilkan revolusi industri yang sangat memukau yaitu Bioteknologi. Ilmu biologi molekuler merupakan paduan dari bidang-bidang ilmu yang dulunya terpisah. Bidangbidang ilmu yang dimaksud adalah ilmu biokimia, ilmu biologi sel, dan genetika. Ketiga ilmu tersebut semula berdiri sendiri-sendiri, namun saat ini ketiganya terjalin merupakan ilmu yang tidak dapat dipisahkan dan membentuk bidang ilmu yang disebut Biologi molekuler. Perkembangan bioteknologi secara drastis terjadi sejak ditemukannya struktur heliks ganda DNA dan teknologi DNA rekombinan di awal tahun 1950-an. Ilmu pengetahuan telah sampai pada suatu titik yang memungkinkan orang untuk memanipulasi suatu organisme di taraf seluler dan molekuler. Bioteknologi mampu melakukan perbaikan galur dengan cepat dan dapat diprediksi, juga dapat merancang galur dengan bahan genetika tambahan yang tidak pernah ada pada galur asalnya. Memanipulasi organisme hidup untuk kepentingan manusia bukan merupakan hal yang baru. Bioteknologi molekuler menawarkan cara baru untuk memanipulasi organisme hidup. Perkembangan teknologi mutakhir diiringi dengan perkembangan dibidang biokimia dan biologi molekuler melahirkan teknologi enzim dan rekayasa genetika. Rekayasa genetika menandai dimulainya era bioteknologi modern. 200 Penemuan struktur double heliks DNA (gambar 1) oleh Watson dan Cricks (1953) telah membuka jalan lahirnya bioteknologi modern dalam bidang rekayasa genetika yang merupakan prosedur dasar dalam menghasilkan suatu produk bioteknologi. Tahap-tahap penting berikutnya adalah serangkaian penemuan enzim restriksi (pemotong) DNA, regulasi (pengaturan ekspresi) gen (diawali dari penemuan operon laktosa pada prokariota), perakitan teknik PCR, transformasi genetik, teknik peredaman gen (termasuk interferensi RNA), dan teknik mutasi terarah. Setelah penemuan ulang karya Mendel, genetika berkembang sangat pesat. Perkembangan genetika sering kali menjadi contoh klasik mengenai penggunaan metode ilmiah dalam ilmu pengetahuan atau sains. Tahapan-tahapan perkembangan rekayasa genetika dapat dilihat dalam Tabel. Tabel . Tahapan-tahapan perkembangan bioteknologi No Tahun Perkembangan/Penemuan 1. 1917 Karl Ereky memperkenalkan istilah bioteknologi 2. 1943 Penisilin diproduksi dalam skala industri 3. 1944 Avery, MacLeod, McCarty mendemonstrasikan bahwa DNA adalah bahan genetik 4. 1955 Watson & Crick menentukan struktur DNA 5. 1961 Jurnal Biotechnology and Bioengineering ditetapkan 6. 1961-1966 Seluruh sandi genetik terungkapkan 7. 1970 Enzim restriksi endonuklease pertama kali diisolasi 8. 1972 Khorana dan kawan-kawan berhasil mensintesa secara kimiawi seluruh gen 201 9. 1973 10. 1975 11. 1976 12. 1978 13. 1980 14. 1981 15. 1981 16. 1982 17. 1983 18. 1988 19. 1988 20. 1990 21. 1997 22. 2000 tRNA Boyer dan Cohen memaparkan teknologi DNA rekombinan Kohler dan Milstein menjabarkan produksi antibodi monoklonal Perkembangan teknik-teknik untuk menentukan urutan DNA Genetech menghasilkan insulin manusia dalam E.coli US Supreme Court: Mikroba hasil manipulasi dapat dipatenkan Untuk pertama kalinya automated DNA synthesizersdijual secara komersial Untuk pertama kalinya kit diagnostik berdasar antibodi disetujui untuk dipakai di Amerika Serikat Untuk pertama kalinya vaksin hewan hasil teknologi DNA rekombinan disetujui pemakaiannya di Eropa Plasmid Ti hasil rekayasa genetik dipakai untuk transformasi tanaman US Patent diberikan untuk mencit hasil rekayasa genetik sehingga rentan terhadap kanker (untuk penelitian tumor) Metode Polymerase Chain Reaction dipubliikasi USA: Telah disetujui percobaan Terapi gen sel somatik pada manusia Kloning hewan (domba Dolly) dari sel dewasa (sel kambing) Pro dan kontra tanaman transgenik di Indonesia. Kapas transgenik ditanam di Sulawesi Selatan 202 23. 2001 Konstruksi monyet transgenik (ANDi) yang mengandung gen GFP dari sejenis uburubur. B. KLONING Kloning merupakan teknik penggandaan gen yang menghasilkan turunan yang sama sifat baik dari segi hereditas maupun penampakannya. Gambaran umum bagaimana bioteknologi menggunakan plasmid bakteri untuk mengklon gen (Campbell, at al. 2002). 203 Peristiwa yang Berhubungan dengan Kloning 1. Para ilmuwan Korea Selatan mengumumkan keberhasilannya pada tanggal 27 Maret 2007 dalam mengkloning serigala langka. Mereka merupakan tim peneliti yang sebelumnya berhasil mengkloning anjing jenis afgan dan pudel. 2. Tim yang dipimpin Lee Byung-Chun dan Shin NamShik, para profesor ilmu kedokteran hewan dari Universitas Nasional Singapura (SNU) berhasil mengkloning dua ekor serigala betina yang lahir pada 18 dan 26 Oktober 2005. Masing-masing diberi nama Snuwolf dan Snuwolfy yang merupakan kependekan dari Seoul National University wolf. 3. Pada bulan November 2007, dunia dikejutkan oleh para ilmuwan Oregon yang menyatakan berhasil mengkloning embrio kera dan mengekstraknya dalam sel induk, yang sangat potensial untuk penelitian kloning manusia. Kesuksesan ini dilaporkan oleh ilmuwan Australia Soukhrat Mitalipov dari Pusat Penelitian Primata Nasional Oregon di Portland. 4. Seperti dikutip dari USA Today, para ilmuwan Oregon itu telah mencoba selama beberapa tahun untuk mengkloning embrio kera dan mengekstraksinya menjadi sel induk karena kera dianggap paling mirip dengan manusia. Lahirnya Kloning Gen Kira-kira satu abad yang lalu Gregor Mandel telah merumuskan aturan-aturan untuk menerangkan pewarisan sifat-sifat biologis. Sifat-sifat organisme yang dapat diwariskan diatur oleh suatu faktor yang disebut gen, yaitu suatu partikel yang berada di suatu di dalam sel tepatnya di dalam kromosom. Gen menjadi dasar dalam pengembangan penelitian genetika meliputi pemetaan gen, menganalisis 204 posisi gen pada kromosom. Hasil penelitian telah berkembang baik diketahuinya DNA sebagai material genetik beserta strukturnya, kode-kode genetik serta proses transkripsi dan translasi dapat dijabarkan. Suatu penelitian yang merupakan revolusi dalam Biologi medern adalah setelah munculnya metode teknologi DNA rekombinasi atau rekayasa genetika yang inti prosesnya adalah kloning gen yaitu suatu prosedur untuk memperoleh replika yang dapat sama dari sel atau organisme tunggal. Langkah-langkah Dasar Kloning Gen Teknik rekayasa genetika biasanya menggunakan plasmid mikroorganisme. Plasmid digunakan sebagai vektor atau pemindah gen ke dalam sel target. Plasmid adalah lingkaran DNA kecil yang terdapat di dalam sel bakteri atau ragi di luar kromosomnya.Sifat-sifat plasmid, antara lain: (1) merupakan molekul DNA yang mengandung gen tertentu, (2) dapat beraplikasi diri, (3), dapat berpindah ke sel bakteri lain, dan (4) sifat plasmid pada keturunan bakteri sama dengan plasmid induk. Penggunakan plasmid dapat dilihat pada Gambar berikut. A 205 B C Gambar : Rekayasa gen menggunakan plasmid (A). Plasmid bakteri (B). Teknik fusi menggunakan plasmid (C) Teknologi plasmid. 206 Teknik rekayasa genetika atau Rekombinasi DNA adalah proses penggabungan DNA-DNA dari sumber yang berbeda. Tujuannya adalah untuk menyambungkan gen yang ada di dalamnya. Oleh karena itu, rekombinasi DNA disebut juga rekombinasi gen. Ada beberapa langkah dasar dalam Kloning Gen yaitu sebagai berikut : 1. Suatu frakmen DNA yang mengandung gen yang akan diklon diinsersikan pada molekul DNA sirkular yang di sebut sektor untuk menghasilkan chimoera atau molekul DNA rekombiner. 2. Vektor bertindak sebagai wahana yang membawa gen masuk kedalam sel tuan rumah ( host ) yang biasanya berupa bakteri, walaupun sel-sel jenis lain dapat di gunakan. 3. Didalam sel host, vektor mengadakan replikasi menghasilkan banyak kopi atau turunan yang identik, baik vektornya sendiri maupun gen yang dibawanya. 4. Ketika sel host membelah, kopi molekul DNA rekombinasi diwariskan pada progeni dan terjadi replikasi vektor selanjutnya. 5. Setelah terjadi sejumlah besar pembelahan sel, maka dihasilkan koloni atau klonsel host yang identik Tiaptiap sel dalam klon mengandung satu kopi atau lebih molekul DNA rekombinasi dengan demikian dikatakan bahwa gen yang dibawa oleh molekul rekombinasi telah diklon. Wahana dan Keterampilan Dasar untuk Kloning Gen Komponen penting dalam eksperimen kloning gen adalah wahana yang membawa gen masuk sel tuan rumah dan bertanggung jawab atas replikasinya. Untuk dapat bertindak sebagai wahana suatu molekul DNA harus mampu memasuki sel tuan rumah serta dapat mengadakan 207 replikasi untuk menghasilkan kopi dalam jumlah besar. Dua jenis molekul DNA alamiah yang memenuhi persyaratan tersebut adalah : 1. Plasmid, merupakan molekul DNA sirkuler yang terdapat dalam bakteri dan berbagai organisme lain. Plasmid dapat melakukan replikasi dengan tidak tergantung pada kromosom sel tuan rumah. 2. Krimosom virus, terutama bakteriofag, yaitu virus yang harus menginfeksi bakteri pada waktu infeksi molekul DNA bakteriofag diinfeksikan ke dalam sel tuan rumah, dan kemudian DNA ini mengalami replikasi. Molekul DNA plasmid dan bakteriofag mempunyai sifat-sifat dasar yang ditentukan sebagai wahana kloning, namun sifat ini tidak berguna tanpa adanya tehnik-tehnik eksperimen untuk manipulasi molekul DNA di dalam laboratorium. Ketrampilan dasar untuk melakukan kloning secara sederhana adalah : 1. Preparasi sampel DNA murni 2. Pemotongan DNA murni 3. Analisis ukuran fragmen DNA 4. Penggolongan molekul DNA 5. Memasukan molekul DNA ke dalam sel tuan rumah 6. Identifikasi sel yang mengandung molekul DNA rekombinasi. Teknik-teknik Kloning Gen Pengklonan c DNA sebagian besar, metode-metode yang digunakan oleh perusahaan-perusahaan pengklonan gen untuk memperoleh DNA rekombinan yang terdiri dari gen yang diinginkan dalam vektor ekspresi, adalah sama yang digunakan dalam laboratorium-laboratorium penelitian. Karena banyak protein yang bernilai komersil hanya terdapat dalam jumlah kecil dalam sel-sel dan jaringan hewan, dan karena ekspresi gen flon itu sangat penting, maka banyak pekerjaan komersial itu terpusat pada pengklonan c DNA dari mRNA-mRNA yang terdapat dalam jumlah sangat kecil didalam sel. Pendekatan lain yang digunakan untuk memperoleh insulin manusia, adalah 208 sintesis kimia dari suatu gen. Hampir setiap molekul mRNA eukariot pada ujung 3’-nya mempunyai rangkaian residu nukleotida adenin yang disebut ekor poli-A. Apapun fungsinya, poli-A itu memberikan jalan yang mudah untuk mensintesis suatu untaian DNA yang komplementer terhadap mRNA-nya. Jika rantai-rantai pendek dari oligo – dT dicampur dengan mRNA, rantai tersebut berhibridisasi ke ekor poli-A untuk memberikan suatu primer untuk aksinya enzim transfriptase balik. Enzim ini, yang disolasikan dari virus-virus tumor RNA tertentu dapat menggunakan RNA sebagai cetakan untuk mensintesis suatu untaian DNA. Hasil reaksinya adalah suatu hibrida RNA-DNA, untaian DNA yang baru itu mempunyai lingkaran tusuk konde pada ujungnya, tampaknya sebagai hasil dari enzim “ memutari sudut “ dan mulai mengkopi dirinya sendiri. Lingkaran tusuk konde itu mungkin merupakan suatu artefak ( sesuatu yang buatan ) ‘in vitro’ tetapi ia memang memberikan suatu primer yang sangat mudah untuk pembuatan untaian DNA yang kedua. cDNA ( DNA komplementer ) berantaian ganda yang dihasilkan mempunyai lingkaran tusuk konde yang utuh ini dapat dibelah oleh S1 nuklease, yaitu suatu nuklease spesifik yang beruntaian tunggal. Molekul cDNA yang beruntaian ganda yang diperoleh dengan cara tersebut, lalu disiapkan untuk disisipkan kedalam pBR 322, dengan jalan pemberi ekor dengan terminal transferase atau dengan menambahkan tempat-tempat enzim restriksi buatan pada ujung-ujung cDNA-nya. Tempat-tempat restriksi ini yang kita sebut ‘penyambung” ( “linker”) adalah oligunekloitidaoligunekloitida dari 8 sampai 10 pasangan basa yang dibuat secara kimia.Penyambung-penyambung itu ditambahkan pada cDNA beruntaian ganda dengan menggunakan DNA ligase, lalu penyambung-penyambung itu digunting hingga terbuka dengan enzim restriksi, dan cDNA-nya, yang 209 sekarang mengandung ujung-ujung lekat yang dihasilkan oleh enzim tadi, dimasukkan ke dalam pBR 322 yang telah di belah dengan enzim yang sama. Kemudian plasmid rekombinan yang mengandung cDNA yang di hasilkan itu, dimasukkan ke dalam strain “ E. coli “ yang sesuai dan dikembangbiakkan. Gen pengklonan : DNA rekombinan Bakteri merupakan mesin-mesin efesien untuk untuk menciptakan turunan identik DNA bakterifag dalam jumlah. Begitu masuk dalam sel imangnya. DNA fag tersebut berlipat ganda berkali-kali, turunan dikemas kedalam partikel-partikel berdaya tulang, baru dilepas dari sel inangnya sehingga siap mengulangi daur infeksi tersebut. Jika kita dapat menempelkan gen eukariotik kepada molekul DNA fag seperti itu, maka dapat direflikasi dengan cara yang sama sekali lagi endonukliase retriksi memungkinkan muslihat itu. Ekori adalah endonuklease resttriksi yang dihasilkan oleh “E. coli”. enzim ini membelah DNA hanya ditempat yang meliputi rangkaiannya. Setiap utusan pilihan ganda itu dipotong diantara guanin dan adenin. Setiap kali hal ini terjadi ujung-ujung belahan filamen ganda itu membawa panjang tambahan empat nukleotida. DNA yang berpasangan (berhelai tunggal), yang dinamai ujung “lengket” karena mampu berpasangan dengan molekul DNA yang manapun mengandung ujung lengket pelengkap. Gagasannya adalah memperlakukan kedua DNA eukariotik dan DNA bakteriofag dengan endonuklease retriksi yang sama sehingga tercipta ujung-ujung pelengkap pada masingmasing. Dalam keadaan yang sesuai, sekali bercampur molekul-molekul DNA eukariotik akan menempel dengan ujung-ujungnya masing-masing. Kemudian DNA ligase dapat dipakai untuk mengaitkan secara kovalen molekulmolekul itu bersama. Beberapa dari hibrid atau molekul- 210 molekul rekombinan ini akan tetap berdaya infeksi pada inang bakteriofagnya (E.coli) sebagaimana bakteriofag yang normal. Hal ini dapat dideteksi dengan membiarkan E.coli terbuka bagi campuran molekul DNA rekombinan dan selanjutnya menabur sel-sel pada cawan petri berisi agar. Sel-sel bakteri itu mulai berkembang biak, membentuk selaput sel-sel dipermukaan agar. Akan tetapi, setiap sel yang secara berhasil diinfeksi oleh molekul-molekul DNA rekombinan akan membentuk banyak turunan baru DNA rekombinan tersebut sebelum dibunuh dan dilisis. Molekulmolekul yang infektif dilepas, menginfeksi sel-sel terdekat, dan proses itu diulang. Akibatnya segera nampak pada mata dengan mata telanjang sebagai zona atau plak sikular yang jernih pada “padang” sel-sel. Setiap plak merupakan suatu “flon” molekul-molekul DNA dan dapat diriakkan secara tak terbatas dengan menginfeksi lebih banyak sel E.coli. Walau setiap plak (plague) menghasilkan ikon unit molekulmolekul DNA rekombinan, potongan “dari DNA” eukariotik yang ada pada plak tertentu merupakan kebetulan semata-mata. Pencernaan semua DNA dalam selsel organisme eukariotik seperti mencit atau tikus oleh oleh endonuklease retriksi menghasilkan kumpulan fragmen DNA yang sangat beragam. Fragmen-fragmen ini tergabung pada DNA bakteriofag secara acak semata-mata. Pengklonan fragmen yang merupakan seluruh genom suatu organisme dinamakan pengklonan “senapan”. Kini masalahnya adalah salah satu temuan dari satu atau lebih plag (mungkin dari beberapa ribu ) yang mengandung gen eukariotik yang menarik perhatian kita. Untuk ini diperlukan suatu “tolok”. Misalnya kita mencari DNA kelinci yang menjadikan lantailantai hemoglobinnya. Sebagaimana kita ketahui, RNA pesuruh untuk rantai-rantai ini dapat diisolasi dari prekursor sel-sel darah merah kelinci. Pesuruh-pesuruh ini dapat diisolasi dari prekursor dan dapat diberi label isotop 211 radio aktif dan digunakan untuk mencari plak-plak yang mengandung rangkaian DNA pelengkap, yaitu rangkaian DNA yang dari pada pesuruh-pesuruh hemoglobin ini ditranskripsi. Inilah prosedurnya, sehelai kertas saring yang dibuat dari nitro selulosa secara perlahan ditekan pada permukaan lempengan agar yang berplak. Beberapa dari DNA pada setiap plak diserap oleh kertas saring tadi. DNA yang terserap itu kemudian diubah sifatnya menjadi pelayan tunggal, dan kertas saring yang dicelupkan ke dalam kedalam larutan yang berisikan molekul-molekul DNA rekombinan yang menyatakan rangkaiannya yang dicari itu. Karena plak-plak asal tidak menjadi rusak karena prosedur ini, maka molekul-molekul tambahan sampel khusus DNA rekombinan itu dapat dibiakkan dalam sel-sel “coli” tambahan untuk memproduksi sebanyak turunan sampelnya yang diinginkan. Maka inilah satu cara (namun bukan satu-satunya cara) untuk mencapai tujuan terdekatnya yaitu sampel murni suatu gen eukariotik. Prosesnya mungkin tanpak rumit, tetapi sungguh sangat langsung dan akhirnya tujuan dapat diacapai. Pengklonan Individu Kromosom Karena sekarang terdapat kemungkinan untuk menyortir kromosom-kromosom manusia secara fisik kedalam klas-klas ukuran yang terpisah dengan suatu prosedur yang dikenal sebagai sortasi sel yang teraktifasi fluoresens (FACS : fluoresende-activa-ted celsorting). Maka terbukti kemungkinan untuk mengklon DNA dari individu kromosom. Misalnya, mulai dengan suatu galur sel manusia dengan kariotipe yang abnormal (empat kromosom X) terdapat kemungkinan mensortir cukup banyak kromosom X manusia yang bebas dari autosom untuk dapat membuat suatu perpustakaan fag X dari DNA kromosom X itu. Bersama-sama, pag-pag rekombinan dalam perpustakaan itu 212 mempunyai sebagian besar, jika tidak dapat dikatakan semua, DNA kromosom X. Maka dari itu semua tehnik yang telah dilukiskan dari itu semua tehnik yang dilukiskan sebelumnya dapat digunakan untuk menganalisis DNA kromosom X, memetakan tempat-tempat restriksi, mengidentifikasi rangkaian-rangkaian yang berulang, dan mancari gen-gen yang diketahui akan terbawa pada kromosom X tersebut. Satu tugas yang sekarang dapat dilakukan adalah mencari polimorpisme tempat restriksi untuk menentukan adakah yang terpaut erat dengan salah satu penyakit genetik yang terpeta kadar kromosom X. jika, misalnya dapat ditunjukkan bahwa suatu pola tertentu dari tempat-tempat enzim restriksi terpaut erat pada distropi otot Duchenne dan tidak terdapat pada individu-individu normal, maka ada kemungkinan besar untuk mendiagnosis penyakit, genetik yang umum dan letal ini, bahkan sebelum kita mengetahui gen termutasi dimana yang bertanggung jawab untuk hal itu. Pengklonan Onkogen Manusia Sekarang ini 3 onkogen manusia yang diduga telah diklon dengan menggunakan teknik penyaringan atau dan teknik bantuan tRNA. Sudah empat laboratorium yang berlainan yang secara sendiri-sendiri telah mengklon gengen kangker kandung kemih. Semua gen ini tampak sama (berukuran mendekati 5,4 kb), tetapi kesamaan ini mungkin mencerminkan kenyataan, bahwa galur-galur sel yang dianggap berlainan ini mempunyai sumber yang sama. Gen neuroblastoma sekarang juga telah diklon secara lengkap dengan menggunakan metode bantuan TRNA yang memperlihatkan gen mendekati 13,5 kb mengklon gen kangker kolon (paru-paru) terbukti lebih sukar mencapai, karena ia teralu besar untuk diklon dalam sepotong fag. 35 macam fag, yang masing-masing mengandung rangkaian- 213 rangkaian varsail yang tumpang tindih, mula-mula diisolasi lalu dianalisis denganmenggunakan tehnik-tehnik penyaring Alu dan homologi pada rangkaian gen ras virus sarcoma Kirsten, prosedur gen ini berkembang yang kemudian digunakan untuk menentukan struktur gen 45 kb. Meskipun variasi ukurannya besar, namun gen-gen kanker kandung kemih, neuroblastoma, dan kanker kolon ( paruparu ) mempunyai susunan dasar exon intron yang sama, dengan empat exon yang digunakan untuk mengkode protein yang serupa tetapi berlainan dengan berat molekul masing-masing sekitar 21.000 (p21). Protein-protein p21 itu ditemukan terikat dalam jumlah kecil pada membran plasma di luar sel-sel kanker, dan mereka secara homolog erat dengan produk dari gen-gen kanker yang ditemukan sebelumnya pada retrovirus onkogen. Gen kanker kandung kemih manusia sangat serupa dengan ras onkogen virus sarkoma Harvey, sedangkan gen kanker paru-paru sangat mirip dengan ras onkogen virus sarkomi Kirsten. Seperti onkogen-onkogen retro virus, gen-gen kanker manusia ini mempunyai ekuivalen sel normal mereka, memang gen-gen kanker itu diduga berasal dari ekuivalen-ekuivalen sel normal mereka melalui mutasi yang dengan cara tertentu membawa onkogen yang potensial kepada produk-produk proteinnya. Langkah berikutnya yang masuk akal adalah merangkai onkogen-onkogen manusia maupun ekuivalenekuivalen normal mereka. Hasil pertama semacam itu menunjukkan bahwa gen kanker pada sel-sel tarsinoma kandung kemih manusia berbeda dari imbangannya dalam sel-sel normal dalam satu mutasi titik tunggal. Mutasi itu mengubah sisa glesin pada posisi 12 dalam produk protein normal (protein p12) menjadi paling dalam protein sel-sel carcinoma tersebut. Akan tetapi, pada saat ini belum ada bukti bahwa perubahan sederhana ini merupakan satusatunya penyebab carcinoma kandung kemih, dan kita juga 214 tidak mengetahui peranan protein p12 itu dalam keadaan normal maupun keadaan mutasi. Pengklonan hewan Klon-klon yang ditangani oleh para ahli biologi molekular, biasanya klon-klon dari bakteri atau organisme lain, sel-sel dalam kultur jaringan dan akhir-akhir ini molekul-molekul DNA. Para ahli taman dan pemulia tanaman sebaiknya, secara teratur menangani dan memproduksi organisme-organisme lebih tinggi yang diklon, tanaman-tanaman yang mereka biakkan dengan pemangkasan, enten, pembelahan umbi dan rhizoma (akar rimang) dan sebagainya. Tumbuhan tinggi memberi kemungkinan untuk reproduksi aseksual dan klon; untuk banyak spesies liar, pembiakan aseksual lebih penting daripada pembiakan seksual. Sebaiknya hewan-hewan tingkat alami tidak bereproduksi secara aseksual. Untuk mengklon seekor binatang perlu untuk mengambil nukleus dalam telur yang telah dibuahi, baik melalui pembedahan, maupun menonaktifkannya secara total dengan radiasi dan menggantikannya dengan nukleus yang diambil dari individu lain. Ini memerlukan transplantasi suatu nukleus utuh yang tidak rusak dan mampu untuk berkembang. Demikianlah, nukleus-nukleus yang dicangkokkan dari selsel embrio katak yang sangat muda, yang masih totipoten, dapat melahirkan katak-katak dewasa. Sebaliknya, nukleusnukleus yang ditransplantasi dari katak ‘dewasa’ sampai kini sekian jauh belum pernah mampu meningkatkan perkembangan hewan dewasa ; proses perkembangannya selalu gagal pada tahap embrional atau larva tertentu. Transplantasi nukleus dengan telur-telur katak pertama kali dicapai dalam tahun 1952, tetapi tentu saja akan lebih menarik untuk membiakkan mamalia secara aseksual daripada katak. Masalah-masalah teknis dari reproduksi 215 mamalia dengan transplantasi nukleus, sebaliknya adalah jauh lebih besar karena sangat sukar untuk memanipulasi telur-telur mamalia tanpa merusaknya. Pada tahun 1981, serangkaian percobaan semacam itu dengan tikus, telah dilaporkan, tetapi belum diulangi dan diperbuat secara bebas. Sebelum metode-metode itu dapat direproduksi, mereka tidak akan memberi sumbangan yang berarti pada pengertian kita tentang perkembangan mamalia. Dalam masa dekat hanya terdapat kemungkinan kecil bahwa transplantasi nukleus dicoba pada spesies mamalia lain. Jika efisiensi dan reproduksibilitasnya dapat ditingkatkan, maka mungkin metode itu akan mendapat tempat di bidang penangkaran hewan. Dalam teori ia dapat dicoba pada telurtelur sel embrio manusia, tetapi untuk alasan apa? Tidak ada penerapan praktis. Dan perlu ditekankan bahwa belum terbukti ada kemungkinan bahwa dengan katak sekalipun untuk menghasilkan suatu individu dewasa yang diklon melalui pencangkokan nukleus sel dewasa ke dalam sebuah telur. Komplotan jutawan tua golongan gothik yang membujuk para dokter untuk mengklon beberapa kopi dari dirinya sendiri dengan pencangkokan nukleus-nukleus selnya kedalam telur-telur yang dibuahi dan kemudian menanamkannya pada wanita, tetapi merupakan fantasi murni, untuk katak tua sekali pun, hal itu tidak dapat dilakukan. Spesies yang berhasil diklon • • • • • • • Kecebong (1952) Ikan (1963) Domba (1996) Monyet Anak sapi Kucing Kuda 216 • • • Anjing Serigala Kodok C. PRODUK-PRODUK REKAYASA GENETIKA Hewan Transgenik Hewan transgenik adalah hewan yang direkayasa genetiknya sehingga menghasilkan seekor hewan dengan performan seperti yang diharapkan. Ini dilakukan dengan cara pemindahan fragmen DNA yang mengandung kode genetik tertentu ke dalam sel telur yang mengalami pembuahan. 1. Ikan zebra ( Brachydanio rerio ) dikembangkan oleh Zhiyuang Gong dari National university of Singapura untuk membantu menanggulangi polusi lingkungan, dirancang sebagai detektor adanya racun-racun yang ada di alam. Ikan yang kini disebut Glofish biasanya berwarna perak dengan garis-garis hitam keunguan. Dengan rekayasa genetis, ikan ini dapat memendarkan warna hijau atau merah dari tubuhnya. Warna merah atau hijau yang bersinar itu diambil dari warna uburubur yang dimasukkan ke telur-telur ikan zebra. Dengan gen ubur-ubur itu,tubuh ikan zebra dapat memancarkan cahaya.Kemudian agar bisa digunakan sebagai indikator polusi ditambahkan gen pemicu yang akan mengaktifkan pancaran cahaya pada ikan bila ikan berada dalam lingkungan yang mengandung zat tertentu. 2. Telah banyak dilakukan pengubahan susunan gen embrio kambing, babi, dan tikus dengan gen manusia sehingga dapat diproduksi protein atau obat-obatan untuk penyembuhan penyakit kanker dan yang lain. Genzyme Transgenics Corp., memelihara kambing 217 yang menghasilkan air susu yang mengandung protein anticlotting manusia yang sangat dibutuhkan pada pasien yang mengalami operasi jantung. PPL Therapautik juga telah menternakkan sapi (salah satunya dinamai Rosie) yang air susunya berisi protein manusia alphalactalbumin. Protein ini berisi semua asam amino yang dibutuhkan bayi yang baru lahir. Kemudia protein spesifik dari air susu Rosie tersebut dimurnikan dan dijual dalam bentuk bubuk (powder) untuk selanjutnya diperuntukkan bayi yang lahir premature yang belum dapat disusui ibunya. Pabrik farmasi lain misalnya Alexion bekerja untuk mendapatkan babi yang mempunyai jantung dan ginjal yang tidak akan ditolak jika ditransplantasikan pada manusia. Di negeri Belanda juga telah dihasilkan kelinci yang dapat memproduksi Alphaglukosidase yang dibutuhkan oleh penderita penyakit tertentu. Bioreaktor Memanfaatkan organisme mahluk hidup untuk memproduksi protein terapeutik atau bahan obat-obatan, atau sebagai alat yang mampu melakukan bioproses seperti fermenter. Pada awalnya produksi protein terapeutik rekombinan melalui rekayasa genetika dilakukan pada bakteri melalui rekayasa genetika diawali oleh Cohen dan Boyer(1975), maka bioreaktor bisa juga didefinisikan sebagai sebuah peralatan yang menjamin kondisi yang dibutuhkan oleh mikroorganisme misalnya ragi dan bakteri untuk melakukan reproduksi. Kini istilah bioreaktor juga telah melekat pada organisme tingkat tinggi, seperti ikan (termasuk telur ikan), serangga, babi, dan sapi, yang bisa memproduksi protein asing menggunakan teknologi rekombinan protein. Rekombinan protein telah dikembangkan dengan tujuan terapi, dan beberapa sistem 218 (organisme yang digunakan) seperti disebutkan di atas telah diteliti untuk memperbaiki tingkat produksinya. Namun demikian,setiap sistem tersebut memiliki kelebihan dan juga kelemahan. Bakteri dapat ditumbuhkan dengan mudah dalam berbagai skala produksi, tetapi folding protein target sering tidak tepat. Meskipun serangga bisa melakukan modifikasi lanjut setelah proses translasi (post-translational modification, PTM) dan menghasilkan protein rikombinan yang relatif banyak, tetapi memiliki pola glikosilasi yang khas yang berbeda dengan hewan bertulang belakang (vertebrata), sehingga protein rikombinan mungkin tidak berfungsi secara penuh. Sementara itu, sel mamalia dapat melakukan PTM walaupun prosesnya kompleks, tetapi penggunaan sistem ini relatif mahal dan secara umum tidak bisa memproduksi protein dalam jumlah yang banyak. Dengan demikian diperlukan pemilihan sistem yang optimal untuk setiap target protein. Berikut adalah contoh-contoh bioreaktor yang telah dilakukan selama ini; 1. Escherichia coli sebagai bioreaktor dalam produksi vaksin hepatitis dan insulin 2. E.coli sebagai bioreaktor dalam produksi hormon pertumbuhan manusia (HGH=Human Growth Hormone). HGH adalah suatu rantai polipeptida tunggal yang mempunyai 191 asam amino dan diproduksi dalam kelenjar pituitari. Hormon pertumbuhan mengendalikan pertumbuhan tubuh, tubuh kecil orang kerdil disebabkan karena kekurangan hormon pertumbuhan. Gen pembentuk hormon tumbuh manusia dipindahkan ke sel prokariotik seperti E.coli untuk kemudian dipelihara dalam suatu medium untuk menghasilkan hormon HGH seperti layaknya “fermentasi” alkohol. Dengan demikian HGH dapat dihasilkan dalam jumlah besar-besaran dengan biaya yang jauh lebih murah. Perusahaan Swedia Kabri 219 3. Vitrum bekerja sama dengan perusahaan Amerika Genentech telah berhasil melakukan produksi HGH dengan tangki sebesar 450 liter dapat dihasilkan HGH yang jumlahnya ekivalen dengan jumlah HGH yang diperoleh dari 60.000 kelenjar pituitari hewan. Molecular Farming (pertanian molekuler) yaitu tanaman digunakan sebagai wahana untuk memproduksi protein yang memiliki nilai industri seperti enzim, atau bahan obatobatan/pengobatan(terapeutik) melalui teknologi transgenik; Produksi human recombinan Erythropoietin (hEPO) oleh tim dari Kyoto University menggunakan kultur sel tembakau pada tahun 1995 dan dipatenkan di Jepang oleh Snow Brand Milk Products Co (paten nomor JP6153930). EPO adalah sitokin utama yang mengatur fisiologi dari peredaran sel darah merah. EPO digunakan untuk pengobatan penyakit anemia karena berfungsi untuk menstimulasi pembuatan sel darah merah baru. ProdiGene Inc. of College station, Texas, menjadi perusahaan pertama yang berhasil memodifikasi tanaman untuk menghasilkan protein tertentu yang berfungsi sebagai obat. Produknya adalah trypsin, insulin, dan obat penting lainnya pada jagung. Para peneliti sedang mengujinya pada kentang, tomat, dan wortel untuk menghasilkan vaksin hepatitis B. Para peneliti tersebut memodifikasi tomat, bayam dan melon untuk menghasilkan vaksin rabies. Tomat yang diuji tersebut telah melewati tahap awal pengujian sebagai vaksin untuk virus syncytal pernafasan yang mengakibatkan penyakit pada bayi dan orang dewasa. Kedelai Biotek muncul menjadi obat untuk penyakit herpes, sementara sawi sedang diuji untuk perawatan hepatitis B dan C. Sebuah tim ilmuwan dari Purdue University dan 220 Departemen Pertanian Amerika Serikat(USDA) telah mengembangkan tomat yang tiga setengah kali lebih banyak mengandung lycopene dan antioxidant untuk melawan kanker dibandingkan varietas-varietas tomat yang ada sekarang ini. Saat mengembangkan tomat untuk makanan yang memiliki kualitas lebih tinggi dan kematangan yang dapat ditunda, tim ini juga menemukan bahwa tomat tersebut memiliki lebih banyak antioxidant dibandingkan varietas-varietas tomat yang ada sekarang. 4. Ternak transgenik. Saat ini ada dua protein terapeutik yang diproduksi melalui ternak transgenik. Produk pertama adalah GTC’s recombinant human antithrombin III yang telah berhasil melalui uji kelayakan hingga uji klinis pada manusia dan telah dipasarkan pada akhir tahun 1999. Produk kedua adalah alpha-antitrypsin. 5. Pemanfaatan ikan dengan menggunakan telur ikan sebagai bioreaktor untuk memproduksi bahan-bahan yang berguna untuk manusia. Terdapat beberapa keuntungan menggunakan telur ikan sebagai inang dibandingkan dengan sistem lainnya; o Jumlah telur ikan berlimpah, o Pembuahan (frtilisasi) eksternal dan hal ini memudahkan untuk mengintroduksi gen asing pengkode protein target, o Embrio ikan dapat dipelihara di air tanpa membutuhkan suplemen karena berkembang menggunakan nutrien dari kuning telur, o Suatu gen asing pengkode protein target (transgen) mulai terekspresi pada fase mid-blastula embrio oleh karena itu protein rikombinan dapat diproduksi dalam waktu yang relatif singkat. Morita dan kolega melaporkan bahwa transfer gen dapat dilakukan 221 o o o o o dengan cepat ke telur ikan dalam jumlah yamg banyak. Sebagai contoh, mikroinjeksi transgen dapat dilakukan pada 60 buah telur dalam waktu 1 jam, dan waktu dibutuhkan untuk ekspresi protein hanya 4-5 hari. Juga, penggunaan metode transfer gen lainnya yaitu elektroforasi dan metode partikel-gun memungkinkan produksi embrio transgenik secara massal dan cepat. Dapat menurunkan biaya produksi. Pada penelitian menggunakan ikan trout, tingkat produksi rekombinan hormon luteinizing hormone (LH) sama dengan yang diperoleh pada sistem sel mamalia. Tetapi, sistem sel mamalia membutuhkan media dan bahan suplemen yang harganya mahal, sehingga biaya produksinya menjadi mahal. Dapat memproduksi protein yang membutuhkan PTM, seperti yang dibuktikan dengan keberhasilan produksi hormon LH yang membutuhkan proses PTM untuk menjadi bioaktif. Beberapa jenis ikan memiliki telur berukuran relatif besar, seperti ikan salmon. Telur ikan yang besar memiliki potensi memproduksi protein rikombinan dalam jumlah banyak, dan untuk ikan yang hidup pada suhu air rendah seperti ikan salmon (sekitar 10oC) dapat digunakan untuk memproduksi protein yang tidak stabil pada suhu 37oC. Dibandingkan dengan hewan peliharaan, telur ikan akan aman dalam hubungannya dengan kesehatan manusia. Tidak ada yang melaporkan bahwa ikan memiliki potensi sebagai inang patogen untuk manusia. Penggunaan hewan ternak, seperti babi dan sapi dibatasi oleh faktor agama di beberapa negara, 222 sedangkan telur ikan tidak menjadi masalah untuk hal ini. o Protein terapeutika lain yang sudah diproduksi menggunakan bioreaktor telur ikan adalah alphaantitripsin. Ikan Nila sebagai model bioreaktor dengan tujuan memproduksi insulin. Secara anatomi ikan nila memiliki organ islet yang disebut Brockman bodies (BB). Bila organ ini ditransplantasi ke tikus yang menderita penyakit diabetes, inslet ikan nila mampu mempertahankan kadar glukosa pada tingkat normal dalam jangka waktu yang relatif lama dan memperlihatkan daya toleran terhadap glukosa. Telah diketahui bahwa sebagian besar ikan mengandung asam amino lisin atau arginin sebagai asam amino terminal pada rantai-B. Karena itu agar insulin yang diproduksi oleh ikan nila menjadi mirip dengan insulin manusia, dimodifikasi sehingga terbentuklah insulin humanized dengan kode “desThrB30”. Gen konstruksi insulin Humanized disuntikkan ke telur ikan nila dan ikan yang positif membawa transgen yang dipelihara hingga gonadnya matang disilangkan dengan ikan normal untuk membuat keturunan ikan pertama (F1). Ikan F1 yang membawa transgen digunakan untuk mendeteksi produksi insulin humanized. Insulin humanized yang berhasil dideteksi diserum. Sebagai kesimpulan bahwa ikan nila transgenik bisa menjadi sumber islet yang relatif murah untuk Xenotransplantasi islet klinis. Dibandingkan dengan hewan lain, ikan nila jauh lebih efisien dalam mengkonversi makanan menjadi jaringan tubuh dan memiliki siklus hidup yang lebih pendek. 223 Terapi Gen Terapi gen adalah teknik untuk mengoreksi gen-gen yang cacat yang bertanggung jawab terhadap suatu penyakit. Pendekatan terapi gen yang berkembang adalah : 1. Menambahkan gen-gen normal ke dalam sel yang mengalami ketidaknormalan 2. Melenyapkan gen abnormal dengan gen normal dengan melakukan rekombinasi homolog 3. Mereparasi gen abnormal dengan cara mutasi balik selektif, sedemikian rupa sehingga akan mengembalikan fungsi normal gen tersebut 4. Mengendalikan regulasi ekspresi gen abnormal tersebut, lebih ke arah gagasan mencegah diekspresikannya gengen yang jelek atau abnormal, dikenal dengan istilah gene silencing. Gene silencing adalah suatu proses membungkam ekspresi gen yang pada mulanya diketahui melibatkan mekanisme pertahanan alami pada tanaman untuk melawan virus. Prinsip-prinsip terapi gen adalah gen yang akan dipindahkan itu harus diletakkan ke dalam sel yang akan berfungsi normal dan efektif. Untuk gen hemofilia misalnya, harus diletakkan ke dalam sel yang akan menghantarkan protein faktor VIII dan atau faktor IX ke dalam peredaran darah. Saat ditransfer, gen tersebut harus berfungsi dalam sel dalam jangka waktu yang lama, demikian pula sel baru yang disebut transduced cell, harus pula bertahan lama. Program terapi gen terbagi dalam dua jenis. Pertama, pemindahan gen dilakukan di dalam tubuh pasien (in vivo transfer). Kedua, Pemindahan gen dilakukan di luar tubuh pasien (ex vivo transfer). Terapi gen in vivo transfer bersandarkan pada kemampuan sel-sel untuk menyerap DNA. Melalui cara penyuntikan, sel dapat menerima sesegera mungkin dengan pemetaan gen yang berfungsi normal. Sedangkan ex vivo transfer, gen yang berfungsi 224 normal disisipkan ke dalam gen di dalam laboratorium. Kemudian sel yang telah ditransferkan ke gen baru tadi diletakkan ke dalam tubuh pasien. Sel penderita dapat digunakan untuk pemindahan gen ini. Kedua cara ini mempunyai kelebihan dan kekurangan. Kelebihan in vivo transfer adalah sangat sedikit membutuhkan manipulasi laboratorium dan dapat digunakan dalam skala besar. Sedangkan ex vivo lebih sarat dengan operasi pembedahan, seperti bagaimana mengangkat dan meletakkan kembali sel, karena meletakkan gen bara ke tubuh pasien tidaklah segampang menelan pil atau semudah menyuntikkannya ke dalam darah. Beberapa penanggulangan penyakit melalui terapi gen : 1. Penanggulangan penyakit cacat bawaan yang disebabkan oleh gangguan metabolisme yaitu penderita defisiensi ADA (Adenosin Deaminase) merupakan salah satu contoh terobosan rekayasa genetik untuk terapi gen. Aplikasi terapi gen pertama kali dilakukan pada anak penderita defisiensi ADA pada September 1990. Terapi ini dilakukan terhadap anak perempuan berumur 4 tahun, Ashanthi De Silva di Clinical Center of the US National Institutes of Health di Behtesda Washington D.C. USA. Usulan untuk terapi gen yang diprakarsai oleh Anderson dan Blaese ini diajukan 3 tahun sebelumnya. ADA merupakan enzim untuk metabolisme purin. Defisiensi ADA merupakan penyakit Immunodeficiency, karena tubuh kekurangan enzim tersebut limfosit-T dan limfosit-B yang mutlak dibutuhkan untuk pembentukan sistem kekebalan tidak dapat berkembang dengan semestinya. Enzim ADA diperlukan untuk perkembangan sel T, gen ADA terletak pada kromosom X. Pada penderita defisiensi ADA, gen untuk menyandi 225 enzim tersebut tidak ada, akibatnya tidak dapat memproduksi enzim tersebut. Dengan tidak adanya enzim ini sel T dan sel B tidak terbentuk dengan sempurna, dan menjadikan tidak berfungsinya sistem kekebalan. Jika bayi penderita defisiensi ADA ini tidak berada dalam lingkungan bebas mikroba (steril) maka tidak dapat mempertahankan hidup. Bayi ini terkenal dengan nama baby baloon karena bayi tersebut harus dimasukkan dalam bola plastik yang steril, baik mainan atau makanan yang akan disentuhnya harus disterilkan terlebih dahulu. Meskipun begitu bayi tersebut hanya berumur sampai 4 tahun. Injeksi langsung enzim ADA dalam darah tidak dapat menolong karena akan rusak dalam beberapa menit. Dengan cara pemindahan sumsum tulangpun memiliki kelemahan, yaitu perlu pendonor yang cocok. Telah pula diusahakan dan disepakati penggunaan “PEG-ADA” (polyethylene glycolconyugated ADA) . Senyawa ini dapat bertahan dalam darah selama beberapa hari. Namun injeksi yang dilakukan tiap minggu, akan memakan biaya US $ 60,000 per tahunnya. Dengan rekayasa genetik yang diusulkan oleh Anderson dan Blaese melalui terapi gen, gangguan ini telah dapat diatasi. Sel T diisolasi dari penderita, kemudian ditumbuhkan di dalam kultur medium yang dibuat khusus untuk dapat menstimulasi aktivasi dan pertumbuhan sel T. Setelah sel T berkembang biak, retrovirus (yang bertindak sebagai vektor) yang sudah mengandung DNA penyandi ADA ditambahkan dan kemudian ditumbuhkan beberapa hari sebelum diberikan kepada penderita. Disini retrovirus yang telah membawa gen ADA akan menginfeksi sel, kemudian bergabung ke dalam DNA sel T. Akhirnya larutan yang mengandung berjuta-juta sel-T yang telah membawa gen ADA dimasukkan pada vena penderita. Dengan 226 2 demikian gen penyandi ADA di dalam sel T akan diekspresikan, sehingga tubuh penderita akan mampu menghasilkan enzim tersebut. Sementara enzim tersebut belum diproduksi oleh tubuh, penderita tetap diberi PEG-ADA. Salinan-salinan gen terklon untuk enzim ADA disisipkan ke dalam retrovirus lemah (sebagai vektor). Retrovirus ini dicampurkan dengan sel T Ashanthi, retrovirus kemudian menjangkiti sel T dan menyisipkan gen ADA ke dalam DNA sel T. Setelah dilakukan penyaringan, sel T rekombinan tersebut diklonkan, sebagian sel T rekombinan tersebut disuntikkan ke Ashanthi dan sebagian lagi disimpan dalam penyimpanan gen (sebagai simpanan). Ashanthi disuntik berulang kali, dan ternyata setelah lima tahun didapati sel T Ashanthi menunjukkan kehadiran gen ADA, diprediksikan satu milyar sel telah diberikan pada Ashanthi. Memperpanjang usia sel/penanggulangan penyakitpenyakit yang berkaitan dengan keudzuran. The Sunday Times (15 januari 1998) mengabarkan, seorang ilmuwan AS telah berhasil menyingkap rahasia penuaan. Dari “main-main dengan materi genetik, mereka menemukan “sumber zat awet muda” untuk membuat sel manusia hidup lebih lama. Usaha memperpanjang usia sel manusia dipandang akan sangat bermanfaat bagi penanggulangan penyakit-penyakit yang berkaitan dengan keuzuran. Tim Dr. Woodring Wrigt, profesor biologi sel di University of Texas, Dallas, menggunakan enzim telomerase. Enzim ini dihasilkan oleh sel kecambah, seperti sel telur dan sperma, dan mempengaruhi telomere (ujung kromosom). Sebagian kecil telomere ternyata hilang setiap kali sel biasa pada tubuh manusia membelah diri. Namun karena sel normal tidak menghasilkan enzim telomerase, telomere 227 3 tidak tumbuh lagi. Tim Dr. Wright berhasil menemukan cara untuk menumbuhkan kembali telomere ini dengan menggunakan enzim telomerase. Hilangnya telomere berkaitan dengan keudzuran. Dengan telomerase, telomere bisa diregenerasi sehingga penuaan (setidaknya ditingkat sel) dapat dihentikan. Ini tidak berarti manusia dapat hidup selamanya, karena matinya sel hanya salah satu saja dari sekian banyak proses yang membuat seseorang menjadi tua. Penemuan ini dapat membantu memperpanjang usia sel dengan cukup berarti. Kebutuhan akan sel yang jauh lebih panjang umur dari yang sampai kini ada, memang amat dibutuhkan oleh para terapis gen dalam usahanya menyembuhkan pasien berpenyakit menurun, misalnya cystic fibrosis. Dalam terapi ini yang biasa dilakukan adalah mengambil sel-sel si pasien, memasukkan gen sehat ke dalam sel-sel itu, lalu mengembalikan ke tubuh pasien. Diharapkan sel yang telah dimanipulasi itu akan mengambil alih peran sel-sel yang membawa kelainan penyakit tadi. Sayangnya, seringkali sel-sel sehatnya keburu “menua” di saat terapi selesai menanganinya, sehingga mati sebelum bisa berbuat banyak. Dengan mencegah kematian sel, proses telomerase diharapkan juga akan merangsang sel-sel bekerja lebih baik. Pengobatan Hemofilia. Penderita hemofilia adalah manusia yang faktor VIII dalam darahnya berjumlah sedikit. Jika orang normal memiliki jumlah 100 unit, maka penderita hemofilia ringan hanya memiliki sekitar 30 unit saja (6-30%), sedangkan penderita hemofili berat kurang dari 5 unit atau 1 persen saja. Akibatnya penderita tidak memiliki kemampuan dalam pembekuan darah. Dengan pengobatan terapi gen yang merupakan salah satu cara penyembuhan penyakit hemofili dapat dilakukan dengan memperbaiki kerusakan genetis, yaitu 228 4 melalui penggantian gen dengan yang tidak rusak dan berfungsi normal. Penyembuhan melalui terapi gen ini tidak dapat secara permanen dan masih harus dilakukan secara berkala. Studi terapi gen terhadap hemofili masih terus dikembangkan, percobaan kepada binatangpun telah dilakukan. Sebuah kasus terapi gen yang dilakukan pada seekor anjing yang mengidap hemofilia dapat sembuh dalam waktu 30 hari, namun serangan hemofilia kembali terjadi setelah itu. Pada manusia penderita hemofilia, masa penyembuhan setelah terapi gen memerlukan waktu satu hingga dua tahun. Pengobatan Thallasemia. Thallasemia merupakan suatu penyakit darah bawaan yang menyebabkan sel darah mudah pecah (hemolisis), sel darah merah penderita mengandung sedikit hemoglobin dan sl darah putihnya meningkat jumlahnya. Merupakan penyakit keturunan yang paling banyak dijumpai di Indonesia dan Italia. 6 sampai 10 % dari 100 orang Indonesia membawa gen penyakit ini. Jika dua orang yang sama-sama membawa gen ini menikah, maka memungkinkan bahwa 25 % dari kemungkinan jumlah anak mereka akan menderita thallasemia berat. Kelainan gen ini akan mengakibatkan kekurangan salah satu unsur pembentuk hemoglobin (Hb), sehingga produksi Hb berkurang. Terdapat tiga jenis thallasemia yaitu: mayor, intermediate dan karier. Pada thallasemia mayor, Hb sama sekali tidak diproduksi. Akibatnya penderita akan mengalami anemia berat. Dalam hal ini jika penderita tidak diobati, maka bentuk tulang wajahnya akan berubah dan warna kulitnya menjadi hitam. Selama hidupnya penderita akan bergantung pada transfusi darah. Hal ini dapat berakibat fatal, karena efek samping dari transfusi darah terus menerus akan mengakibatkan kelebihan zat besi. Sehingga terapi gen merupakan harapan baru bagi 229 penderita thallasemia di masa mendatang. Terapi dilakukan dengan menggantikan sel tunas yang rusak pada sumsum tulang penderita dengan sel tunas dari donor yang sehat. Hal ini sudah diujicobakan pada mencit. Pengklonan Hormon Pertumbuhan Manusia Produksi hormon pertumbuhan manusia dalam ‘E.coli’ menarik perhatian orang pada beberapa prilaku rekayasa genetika. Hormon pertumbuhan manusia (HGH= Human Growth Hormone) adalah suatu rantai polipeptida tunggal yang mempunyai 191 asam amino dan diproduksi dalam kelenjar pituiteria (kelenjar pada infundibulum otak). Seperti insulin, ia tidak terglirosilasi. Hormon pertumbuhan mengendalikan pertumbuhan tubuh kita ; tubuh kecil orang kerdil disebabkan karena kekurangan hormon pertumbuhan. Dengan menggunakan kombinasi dari sintesis kimia DNA dan sintesis enzimatik cDNA, telah diproduksi suatu rangkaian yang mengkode asam-asam amino 1-14 telah disintesis secara kimia. Langsung di depan kodon pertama, ditambahkan suatu trio (triplet) basa (ATG) yang menspesifikasi asam amino metionin. Bila permulaan dari gennya telah disintesis secara kimia untuk menjamin permulaan yang tepat dari proteinnya, maka diperoleh suatu rangkaian DNA yang mengkode sisa dari rantai polipeptida yaitu, residu asam amino 25-19,1 dengan membuat kopi-kopi cDNA dari preparat-preparat nRNa darii sel-sel pituitaria manusia. Kedua fragmen DNA ini kemudian dikonkan secara terpisah. Fragmen-fragmen DNAnya dimurnikan kembali dan disambung menjadi satu untuk menghasilkan rangkaian DNA lengkap untuk horman pertumbuhan manusia mulai dengan suatu prodon inisiator yaitu metionin, diikuti oleh rangkaian untuk 191 asam amino dalam frotein masak, dan berakhir dengan sinyal 230 untuk menghentikan sintesis protein. Kemudian “gen”dimasukkan kedalam suatu fektor ekspresi dan dimasukkan kedalam “E.coli” diarahkan untuk membantu pertumbuhan manusia. Pengklonan DNA Ahli Biologi molekuler yang mengkaji gen yang menghadapi suatu tantangan. Molekul DNA yang terjadi secara alami sangat panjang, dan molekul tunggal biasanya berisi banyak gen. Lagi pula, untuk Eukariota multiseluler, gen hanya menempati proporsi kecil dari DNA kromosom, selebihnya berupa urutan nukleotida repetitif bukan pengkode. Gen manusia tertentu misalnya, mungkin hanya merupakan 1/100000 dari molekul DNA kromosom yang ditempatinya. Sebagai kerumitan lebih lanjut, molekul DNA secara struktural dan kimiawi sangat homogen; perbedaan antara gen dan DNA sekelilingnya menjadi kabur, yang hanya terdiri atas perbedaan dalam urutan nukleotidanya. Untuk bekerja langsung dengan gen spesifik, para sainstis perlu mengembangkan metode untuk mempersiapkan potongan DNA yang terdefinisi dengan baik dan seukuran gen dalam banyak salinan yang identik. Dengan kata lain, para saintis membutuhkan teknik-teknik pengklonan gen. Para saintis telah mengembangkan sejumlah cara untuk mengklon potongan DNA dalam laboratorium, tetapi hampir semuanya mempunyai ciri umum yang sama. Kita mempertimbangkan suatu pendekatan yang menggunakan bakteri dan plasmid bakteri. Plasmid itu merupakan molekul DNA sirkular kecil-kecil yang bereplikasi di dalam sel bakteri. Untuk mengklon gen atau potongan DNA yang lain, plasmid-plasmid terlebih dahulu diisolasi dari sel bakteri. Suatu plasmid sebagai gen asing dari sel eukariotik, dalam contoh ini diselipkan ke dalamnya. Plasmid tersebut sekarang merupakan molekul DNA rekombinan yang 231 menggabungkan DNA dari dua sumber. Plasmid ini dikembalikan ke sel bakteri, yang kemudian bereproduksi untuk membentuk klon sel. Gen asing yang dibawa oleh plasmid “diklon’’ pada waktu yang sama, karena bakteri yang sedang membelah terus mereplikasi plasmid rekombinannya. Pada keadaan yang cocok, klon bakteri akan membuat protein yang dikode gen asing tersebut. Penggunaan yang potensial dari gen hasil klon ini terbagi dalam dua kategori umum. Tujuan yang pertama untuk menghasilkan produk protein, kemudian tujuan yang kedua adalah untuk mempersiapkan banyak salinan dari gen itu sendiri. Seorang saintis mungkin berkeinginan untuk menentukan urutan nukleotida gen atau menggunakan gen itu untuk memberi suatu organisme kemampuan metabolik baru. Misalnya, gen hasil klon untuk resistensi terhadap hama yang berasal dari satu spesies tanaman budidaya dapat ditransfer ketumbuhan spesies lain. Sebagian besar gen hanya terdapat dalam satu salinan dalam tiap genom sekitar satu bagian persejuta DNA sehingga kemampuan untuk mengklon fragmen DNA yang sangat langka tersebut benar-benar bernilai. Tanaman Transgenik Dengan cara yang mencengangkan, tumbuhan sejauh ini telah terbukti lebih mudah direkayasa dari pada sebagian besar hewan. Dengan demikian manipulasi genetika dapat dilakukan pada sel tunggal yang kemudian dapat digunakan untuk meregenerasi organisme baru dengan sifat baru. Vektor DNA yang biasa digunakan untuk memindahkan gen ke dalam tumbuhan adalah plasmid dari bakteri Agrobacterium tumefaciens. Di alam, Agrobacterium tumefaciens menginfeksi tumbuhan dan menyebabkan tumor yang disebut empedu mahkota. Tumor ini dimasukkan oleh 232 plasmid, yang disebut plasmid Ti. Plasmid Ti ini mengintegrasikan segmen DNA-nya, yang dikenal dengan DNA Ti ke dalam DNA kromosom sel tumbuhan inangnya. Untuk mendapatkan vektor, para peneliti bekerja dengan versi plasmid yang tidak menyebabkan penyakit. Gen asing dapat diselipkan ke dalam plasmid Ti dengan menggunakan teknik DNA rekombinan. Plasmid rekombinannya dikembalikan ke Agrobacterium tumefaciens yang kemudian dapat digunakan untuk menginfeksi sel tumbuhan yang ditumbuhkan di dalam kultur atau dimasukkan langsung ke dalam sel tumbuhan, dimana plasmid tersebut akan menyelipkan dirinya sendiri ke dalam kromosom tumbuhan tersebut. Kemudian, dengan memanfaatkan kemampuan sel-sel tersebut untuk beregenerasi keseluruhan tanaman, hal ini memungkinkan untuk menghasilkan tumbuhan yang mengandung dan mengekspresikan gen asing dan mewariskannya pada keturunannya. Rekayasa genetika secara cepat menggantikan program pembenihan tumbuhan tradisional, khususnya dalam kasuskasus dimana sifat-sifat yang bermanfaat ditentukan oleh satu gen atau hanya beberapa gen. Diantara varietas tumbuhan yang direkayasa genetik saat ini dalam percobaan lapangan lebih dari 40 % telah menerima gen untuk resistensi herbisida, misalnya beberapa perusahaan telah mengembangkan strain kapas yang membawa gen bakteri yang akan membuat tanaman itu resistensi terhadap herbisida yang digunakan oleh banyak petani untuk mengontrol gulma. Gen ini seharusnya mempermudah untuk menumbuhkan tanaman budidaya, dilain pihak memastikan bahwa gulmanya telah dihancurkan. Buah yang pertama kali direkayasa genetika yang diterima FDA (Food and Drug Administration) sejenis POM di Amerika Serikat, untuk konsumsi manusia adalah tomat 233 yang direkayasa dengan gen antisense yang memperlambat pembusukan. Setelah mengklon gen tomat yang mengkode enzim yang bertanggung jawab atas pematangan, para peneliti mempersiapkan suatu gen yang untai cetakannya memiliki urutan basa yang komplementer dengan gen normal dengan kata lain, versi antisens gen tersebut. Ketika disambung ke dalam DNA tumbuhan tomat, gen antisens ditranskripsikan menjadi RNA yang komplementer dengan gen pematang mRNA. RNA antisens terikat dengan mRNA normal yang menghalangi sintesis enzim tersebut. Tomat hasil rekayasa ini menghasilkan 1 % dari jumlah normal enzim dan jarang sekali matang sebelum sampai di pasar. Banyak tanaman budidaya akan segera dibuat lebih produktif oleh rekayasa genetik dengan cara membesarkan bagian-bagiannya yang bernilai dari segi pertanian akar, daun, bunga atau batang. Para peneliti juga sedang melangkah cepat ke arah peningkatan nilai pangan dari tumbuhan, seperti merekayasa biji-bijian untuk memproduksi protein penyimpanan yang mengandung campuran asam amino yang lebih sesuai dengan menu makanan manusia. Tanaman Produk Rekayasa Genetika Penelitian terbaru yang dilakukan para pakar bioteknologi di Inggris menyimpulkan bahwa tanaman hasil rekayasa genetika tidak perlu dikhawatirkan. Hal ini diungkapkan oleh Michael Crawley, melakukan penelitian pada tanaman transgenik. Selama 10 tahun, tim-tim peneliti mengamati jenis tanaman transgenik di 12 lokasi di Inggris. Penelitian jangka panjang ini pertama kalinya dilakukan dan ditujukan untuk mengamati dua kemungkinan resiko dari teknologi transgenik. Pertama adalah pengaruh terhadap lingkungan dari makanan dari rekayasa. Kedua, apakah tanaman ini akan menyebar tanpa 234 bisa dikontrol dan apakah ada perkembangbiakan diantara mereka dengan spesies asli untuk membentuk tanaman invasif. Penelitian yang didukung oleh pemerintah Inggris dan melibatkan konsorsium perusahaan bioteknologi ini membuktikan bahwa tanaman ini tidak berubah menjadi tanaman super ataupun berproduksi tanpa kendali sampai mengambil alih habitat tanaman asli. Dari hasil penelitian pada tanaman jagung, kentang dan gula transgenik selama 10 tahun lebih yang dilakukan dalam skala besar, para ilmuwan menyimpulkan bahwa tanaman transgenik tidak akan mempengaruhi tanaman lain. Hasil penelitian ini juga membuktikan bahwa tanaman transgenik tidak mempengaruhi lingkungan. Proses perpindahan DNA dari satu spesies ke spesies yang lain secara alami terjadi di alam. Bahkan dipercaya proses ini merupakan bagian dari proses evolusi biosfer planet bumi yaitu terjadinya perpindahan materi genetik ganggang hijau biru yang menyebabkan tanaman menjadi mampu melakukan proses fotosintesis yang secara drastis mengubah kondisi bumi yang tadinya tidak beroksigen ( anaerobik ) menjadi beroksigen ( aerobik ). Contoh lain misalnya ketahanan bakteri tanah Agrobacterium tumefesciens dengan mengintegrasikan sebagai genomnya pada tanaman, seperti pada pembuatan tanaman transgenik saat ini. Dengan demikian, proses perpindahan DNA tanaman transgenik tidak dengan sendirinya menimbulkan resiko, namun yang dihasilkan dari ekspresi gen intraduksi lah yang harus dikaji resikonya. Riwayat penciptaan tanaman transgenik dimulai kirakira 50 tahun yang lalu ketika James Watson dan Francis Cride menemukan struktur DNA. Brian Hal Well mengatakan bahwa ini molekul yang panjang Asam Nukleat DNA berisi deretan gen ( pembawa sifat ). Semuanya ini menahan siklus sel tetap berada pada Fase Go dan 235 tampaknya membiarkan sel untuk berdeferensiasi. Sementara itu sel telur diambil dari domba lain dan nukleusnya dipindahkan. Sel kelenjar susu dalam fase Go berfusi dengan sel telur yang tak bernukleus dengan cara memberikan getaran arus listrik ke kedua sel tersebut, yang juga merangsang sel agar mulai melakukan pembelahan. Setelah ditumbuhkan dalam kultur selama 6 hari, embrio ditanam pada uterus domba ketiga yang mirip seperti pendonor sel telur. Hasilnya setelah kehamilan berupa anak domba (Dolly) yang identik dalam penampakan dan susunan kromosomnya dengan domba yang mendonorkan kelenjar susu. Dolly ini merupakan kasus pertama yang laporannya disebar luaskan tentang mamalia yang “diklon’’ menggunakan nukleus dari suatu sel terdiferensiasi. Dewasa ini ada lebih dari ratusan produk bioteknologi modern, dan lebih dari seratus produk pertanian pangan telah dipasarkan. Jumlah tanaman transgenik diprediksi meningkat cepat dalam beberapa tahun terakhir ini. Beberapa sifat yang banyak dikembangkan dalam pembuatan tanaman transgenik untuk meningkatkan kualitas dan kuantitas produk pertanian misalnya (1) gen resisten terhadap hama, penyakit, dan herbisida, (2) gen kandungan protein tinggi, (3) gen resisten terhadap stres lingkungan seperti kadar aluminium tinggi ataupun kekeringan dan (4) gen yang mengekspresikan suatu ciri fenotip yang sangat menarik seperti warna dan bentuk bunga, bentuk daun dan pohon yang eksotik. Transgen umumnya diambil dari organisme yang memiliki sifat unggul tertentu. Misal, pada proses membuat jagung Bt tahan hama, pakar bioteknologi memanfaatkan gen bakteri tanah Bacillus thuringiensis (Bt) penghasil racun mematikan bagi hama tertentu, merupakan bakteri tanah alami yang biasa digunakan sebagai pestisida biologi sejak awal 1960. Gen toksin insektisida dari Bt ini disisipkan ke 236 genom jagung, sehingga tanaman resipien juga memiliki sifat toksis bagi hama. Ulat atau hama peggerek jagung Bt akan mati. Bahkan kupu-kupu (Lepidoptera) pengisap nektar bunga jagung bisa mati. Begitupun racun pada kapas Bt dapat membunuh bollworm, hama perusak tanaman kapas. Tahun 1996, 3 tanaman Bt jagung, kapas, dan kentang ditanam secara komersial untuk pertama kalinya di AS. Luas lahan ketiganya diperkirakan 2 juta acres dengan meyoritas tanaman kapas. Setelah itu tanaman Bt lainnya diujicobakan di AS, termasuk apel, canola, buah beri, terong, poplar, padi, cemara, tomat dan kenari. Selain kentang Bt tahan hama peggerek adapula kentang Bt tahan virus yang disisipi Bt tahan potato leafroll virus dan potato virus Y (mosaic) Transfer gen pada tanaman transgenik dilakukan dengan menggunakan vektor plasmid, misal plasmid Agrobacterium tumefaciens pada: Tanaman bunga matahari yang memperoleh gen dari phaseolin (Phaseolus vulgaris). Tanaman padi yang memperoleh gen penyandi ptytoene synthase (psy) dari tanaman Daffodil (Narcissus pseudonarcissus) dan gen penyandi phytoene desaturase (crtl) dari bakteri Erwinia uredovora. Penyisipan kedua gen ini bertujuan dalam pembentukan provitamin A di dalam endosperma padi dan menjadi harapan untuk dapat membantu mengatasi masalah defisiensi vitamin A bagi berjutajuta penduduk dunia. Menurut Clive james dari international Service untuk Acquisition of Agri-biotech Applications (ISAAA), tanaman transgenik mulai ditanam secara komersial di Cina, lewat jenis tembakau, tahun 1992. Pada 1994 tomat lambat matang (awet segar). Sejak itu areal berbagai jenis tanaman GM (Genetically Modified) melonjak. Tahun 2000 sampai 237 11%(setara 4,3 juta ha), dan areal tanaman GM seluruhnya 44,2 juta ha (Scientific American, April 2001). Jenis tanaman transgenik lainnya seperti Tanaman pakan ternak alfalfa Bt dirancang tahan potato leafhopper. Varietas labu tahan cucumber mosaic virus. Tanaman yang direkayasa tahan herbisida (glyphosate) yaitu gandum,gula bit, selada dan kentang. Pengembangan tanaman transgenik lainnya dengan tujuan sebagai berikut: 1. Tanaman Resisten Pengembangan terhadap Hama dan Penyakit 2. Pengembangan Tanaman Resisten terhadap Herbisida 3. Pengembangan Efisiensi Fotosintesis pada Tanaman Pangan 4. Pengembangan Tanaman untuk Lahan Kritis 5. Pengembangan Kultivar Resisten terhadap Suhu Ekstrim 6. Pengembangan Tanaman non-legum yang mampu melakukan Fiksasi N2 Daya hasil kebanyakan tanaman budidaya terutama serelia telah meningkat dari tahun ke tahun oleh peningkatan efisiensi penggunaan pupuk. Walaupun demikian, kendungan nitrogen udara belum dimanfaatkan secara optimal oleh kebanyakan tanaman budidaya, yaitu hanya oleh tanaman legum, kemampuan tanaman legum untuk menggunakan N2 udara sebagai sumber nitrogen disebabkan oleh hubungan simbiotik tanaman legum dengan bakteri Rhizobium sp. Interaksi dalam simbiosis tadi diikuti dengan nodulasi akar (tempat bermukim Rhizobium) sehingga Rhizobium mendapatkan sumber C dari tanaman. Pembentukan nodul efektif melibatkan ekspresi banyak gen, baik gen dari tanaman maupun gen yang berasal Rhizobium. Sebadai contoh, dibutuhkan gen-gen sym untuk melangsungkan interaksi tanaman dan Rhizobium, dan gen-gen nif untuk kemampuan fiksasi nitrogen udara. 238 Rhizobium memiliki gen-gen tersebut dalam plasmid berukuran 500 kpb. Didapatkan 17 gen nif yang tersebar dalam delapan operon. Gen-gen ini bertanggung jawab dalam sintesis tiga polipeptida enzim nitrogenase, kofaktor, komponen-komponen untuk transfer elektron dan sintesis protein yang mengendalikan ekspresi gen nitrogenase. Gen-gen nif ini telah banyak diungkapkan pada Klebsiella pneumoniae dan Rhizobium. Tanaman legum memberikan tanggap oleh adanya invasi Rhizobium dengan memproduksi sejumlah protein antara lain protein-protein golongan nodulin. Salah satu protein nodulin yaitu nodulin-35 (BM 35.000) mempunyai pengaruh spesifik terhadap pembentukan nodul dan dapat mencapai kandungan 4% dari seluruh protein terlarut nodul. Di samping nodulin, tanaman membentuk sejumlah besar protein lain (25-30%protein nodul) yaitu leg-hemoglobin. Protein ini bertanggung jawab terhadap perlindungan enzim nitrogenase terhadap oksigen. Gen leg-hemoglobin telah berhasil diklonkan tetapi pengendalian ekspresi gen ini belum banyak diketahui. Terdapat perbedaan antara sistem pengendalian sintesis nitrogenase pada K.pneumoniae dengan Rhizobium. Telah dirintis pada tanaman produksi non legum yang tidak mampu mengikat nitrogen udara sebagai sumber nitrogen. Untuk hal tersebut di atas, gen penyemat nitrogen (gen nif) dari bakteria penyemat nitrogen udara yang hidup bebas, yaitu Klebsiela pneumoniae dan bakteri Rhizobium sp yang hidup bersimbiosis dengan tanaman legum telah berhasil dipindahkan ke organisme lain termasuk sel ragi. Pada sel-sel ragi, walaupun gen nif telah berhasil disematkan, tetapi gen tersbut belum berhasil diekspresikan oleh sel ragi. 239 7. Pengembangan tanaman pangan lebih berkualitas. Dapat dilihat melalui tabel berikut. Tabel Transgenic Crop (Tanaman budidaya pangan hasil rekayasa) Tanaman transgenik Kentang Sumber Gen Tujuan Rekayasa Ayam Kentang Kentang Kupu Ulat Sutera Kupu Malam Kentang Virus Kentang Jagung Bakteri Gandum Jagung Kunangkunang Bakteri Meningkatkan ketahanan terhadap penyakit Meningkatkan ketahanan terhadap penyakit Mengurangi kerusakan mekanik Meningkatkan ketahanan terhadap penyakit Toleran terhadap herbisida Meningkatkan ketahanan terhadap hama Sebagai pemarka gen Jagung Tomat Tomat Ikan Flounder Virus Tomat Bakteri Padi Tanaman Legum Bakteri Padi Meningkatkan ketahanan terhadap hama Mengurangi kerusakan oleh suhu beku Meningkatkan ketahanan terhadap penyakit Meningkatkan ketahanan terhadap hama Meningkatkan kadar protein cadangan Meningkatkan ketahanan terhadap hama 240 Melon Virus Meningkatkan ketahanan terhadap penyakit Ketimun Virus Meningkatkan ketahanan terhadap penyakit Ketimun Petunia Meningkatkan ketahanan terhadap penyakit Squash Virus Meningkatkan ketahanan terhadap penyakit Bunga Brazil Nut Menambah Matahari keanekaragaman protein biji Lettuce Tembakau Meningkatkan ketahanan terhadap penyakit US Department of Agriculture (1993) D. DAMPAK PENGGUNAAN REKAYASA GENETIKA Domba Dolly yang lahir pada 5 Juli 1996. Pada 4 Januari 2002 dihadapan para wartawan dinyatakan domba itu menderita radang sendi di kaki belakang kiri di dekat pinggul dan lutut atau menderita arthritis. Kelahiran domba Dolly berkat kemajuan teknologi rekayasa genetika yang disebut kloning dengan mentransplantasikan gen dari sel ambing susu domba ke ovum (sel telur domba) dari induknya sendiri. Sel telur yang sudah ditransplantasi ditumbuh kembangkan di dalam kandungan domba, sesudah masa kehamilan tercapai, maka sang domba lahir dan diberi nama “Dolly”. Sehingga domba Dolly lahir tanpa kehadiran sang jantan domba, seolah-olah seperti sepotong batang ubi kayu ditanam di tanah yang kemudian tumbuh yang disebut mencangkok. Sejak lahir si domba Dolly tumbuh dan berkembang dalam keadaan sehat tetapi sesudah hampir enam tahun mulai muncul penyakit arthritis. 241 Domba Dolly dihasilkan dari hasil transplantasi gen atau gen yang satu dipindahkan ke gen yang lain. Diasosiasikan perpindahan gen. Dapat antar jenis maupun lintas jenis yang kemudian ditumbuh-kembangkan. Jenis penyakit yang ditemukan oleh Prosiner SB, 1986 diklasifikasikan sebagai penyakit prion; pada domba pada tahun 1787, dapat menular ke sapi yang disebut penyakit sapi gila tahun 1986. penyakit sapi gila dapat menular ke manusia. Kekhawatiran penyakit prion atau penyakit gen sesudah 200 tahun kemudian baru menjadi kenyataan, yaitu sejak tahun 1787 sampai 1986. demikian pun halnya dengan kekhawatiran penyakit arthritis yang diderita oleh Domba Dolly sesudah 6 tahun baru muncul. Masa inkubasi penyakit scrapic pada domba 1,5 sampai 4 tahun, penyakit sapi gila 4 sampai 8 tahun, dan penyakit kuru pada manusia 8 sampai dengan 20 tahun. Kekhawatiran terhadap penyakit arthritis sidomba Dolly disebabkan oleh penggunaan rekayasa genetika dengan didukung pula oleh beberapa hasil hewan percobaan; Percobaan Arpad Put Zai (1998) menggunakan kentang transgenik yang mentah diberikan kepada tikus percobaan memberikan gejala gangguan pencernaan, imunu supresis, kekerdilan, serta adanya arthritis. 242 Gambar: Pengklonan seekor mamalia (Campbell, at al. 2002) Arthritis pada Domba Dolly sesudah 6 tahun dari kelahirannya apakah disebabkan oleh penggunaan teknologi rekayasa genetika? Masih diragukan kebenarannya. Walaupun percobaan Arpad Put Zai (1998) ditentang oleh berbagai pakar di seluruh dunia tentang keakuratan penelitian tersebut, tetapi perdana Menteri Inggris menyatakan agar meninjau kembali tentang peraturan penggunaan produk-produk bioteknologi di Inggris. Satu-satunya gangguan kesehatan sebagai dampak negatif atau bentuk nyata penggunaan hasil rekayasa genetika (GMO) pada manusia yang telah dapat dibuktikan ialah reaksi alergis. Tetapi, baik diketahui bahwa gen tersebut menimbulkan reaksi alergis maka seketika itu seluruh gen serta produk dari gen tersebut ditarik dari 243 peredaran, sehingga dikatakan sampai saat ini belum dijumpai lagi adanya dampak negatif gangguan kesehatan yang ditimbulkan oleh penggunaan GMO pada manusia. Bentuk nyata lainnya penggunaan GMO yang telah pernah dijumpai adalah adanya gangguan lingkungan berupa tanaman yang mempergunakan bibit rekayasa genetika menghasilkan pestisida. Sesudah dewasa tanaman transgenik yang tahan terhadap hama tanaman menjadi mati dan berguguran ke tanah. Bakteri dan jasad renik lainnya yang dijumpai pada tanaman tersebut mengalami kematian. Kenyataan dilapangan bahwa hasil transgenik akan mematikan jasad renik dalam tanah sehingga dalam jangka panjang akan memberikan gangguan terhadap struktur dan tekstur tanah. Dikhawatirkan pada areal tanaman transgenik sesudah bertahun-tahun akan memunculkan gurun pasir. Kenyataan di lapangan adanya sifat GMO yang disebut Cross-polination. Gen tanaman transgenik dapat ber-cross polination dengan tumbuhan lainnya sehingga mengakibatkan munculnya tumbuhan baru yang dapat resistensi terhadap gen yang tahan terhadap hama penyakit. Cross-polination dapat terjadi pada jarak 600 meter sampai satu kilometer dari areal tanaman transgenik. Sehingga bagi areal tanaman transgenik yang sempit dan berbatasan dengan gulma maka dikhawatirkan akan munculnya gulma baru yang juga resisten terhadap hama tanaman tertentu. Tanaman budidaya memiliki tampilan agronomis yang jauh berbeda dibandingkan dengan tanaman nenek moyangnya yang mungkin lebih menyerupai gulma. Ciriciri gulma adalah biji memiliki masa dormansi (istirahat) yang panjang, mampu beradaptasi pada lingkungan yang beragam, pertumbuhan yang terus menerus, serta penyebaran biji yang lebih luas. Ciri-ciri kegulmaan ini telah dihilangkan pada tanaman budidaya melalui proses pemuliaan tanaman selama ratusan bahkan ribuan tahun. 244 Pemindahan satu gen saja tidak akan mengembalikan semua karakter kegulmaan pada tanaman budidaya. Tanaman transgenik dapat berbahaya atau bermanfaat bagi manusia dan lingkungan tergantung tujuan pengembangannya dan tidak terlepas juga dari sifat gen yang di Introduksi. Apabila gen introduksi menghasilkan racun, maka tanaman transgenik dengan sendirinya akan menjadi racun. Pro dan Kontra Rekayasa Genetika Terlepas dari motivasi ekonomi yang terkait dalam perang pro dan kontra produk rekayasa genetika, tampaknya kekhawatiran akan bahaya produk rekayasa genetika terhadap tubuh manusia inilah yang menjadi fokus utama. Apalagi produk tersebut makanan untuk manusia. Suatu kekhawatiran yang wajar dan beralasan. Sebagai contoh, di Negara maju seperti Jepang, dimana masyarakat dan konsumennya terkenal sangat rewel, makanan produk rekayasa genetika kurang mendapat tempat. Padahal, Genetic Modified Food (GMF) yang dilepas dipasaran Jepang telah mendapat pengujian dan evaluasi dari Departemen Pertanian dan Kehutanan Jepang secara transparan dan accountable. Para produsen diwajibkan memberi label, apakah mengandung produk rekayasa genetika atau tidak. Akan tetapi, orang Jepang sama sekali tidak mempermasalahkan pemanfaatan produk rekayasa genetika dalam bidang lainnya. Contoh pembudidayaan bunga tulip di Jepang menjadi berbagai jenis dan warna dengan teknologi ini. Demikian pula produk rekayasa genetika lainnya dalam bidang kedokteran, seperti produk hormone insulin. Atau penggunaan enzim hasil rekayasa genetika seperti selulase atau proteinase pada sabun cuci. 245 Didalam sains memang selalu ada kemungkinan. Tak ada sesuatu yang absolute, inilah yang tampaknya yang menjadi tembok antara orang awam dengan ilmuwan. Ilmuwan tak bisa mengatakan sesuatu zat aman seratus persen. Ini tak hanya pada produk rekayasa genetika, tetapi juga produk alamiah lainnya. Bioteknologi : Keamanan, Dampak, Regulasi, dan Etika Seperti diketahui bahwa revolusi ilmiah biasanya menimbulkan kekhawatiran, demikian pula halnya dengan rekayasa genetik. Dampak dan perkembangan bioteknologi adalah mencakup bidang ekonomi dan sosial. Banyak produk bioteknologi yang memasuki pasaran menggantikan produk sebelumnya, seperti pada produk obat, diagnosa dan pertanin. Perubahan yang sangat besar mungkin terjadi pada bidang diagnosa, karena banyak penyakit yang suatu saat dapat di diagosa secara dini dengan menggunakan diagnosa yang dapat dilakukan sendiri. Pada bidang lain, bioteknologi akan meningkatkan produksi pertanian dengan baik tetapi dengan proses yang lebih efisien memungkinkan pengurangan tenaga kerja. Bioteknologi juga mungkin dikembangkan atau digunakan pada persenjataan (senjata biologi). Maka riset dan pemanfaatan senjata ini harus terkontrol dengan baik. Kalau tidak ingin membawa malapetaka di kemudian hari. Cukup banyak bagian riset ini yang mungkin bisa membawa dampak kurang menguntungkan bagi manusia. Apakah riset itu dilakukan terhadap organisme lain, apalagi yang berkaitan dengan manusia. Untuk menjaga kemungkinan penyalahgunaan dari riset ini, maka perlu adanya suatu regulasi dan etika menyangkut penelitian bioteknologi. 246 DAFTAR PUSTAKA Alberts, B at.al. 1998. Essential Cell Biology: An Introduction Molecular Biology of the Cell. New York: Garland Publishing, Inc. Burns, G.W. 1984. The Science of Genetics. 6th ed. New York: Macmillan Publ. Co Inc. Campbell, dkk. 2003. Biologi. Jakarta. Erlangga. Emery. A.E.H. 1985. Dasar-Dasar Genetika Kedokteran. Yogyakarta: Yayasan Essentia Medica. Gardner, E.J dan D.P. Snistad. 1984. Principle of Genetics. 7th ed. New York: John & Sons Inc. Garber, S.D. 2002. Biology: A Self-Teaching Guide, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc. Gibbs, A. Dkk. 1982. Genetics Engineering. The Science of the Decade. Canberra: The Australian National University Magazine. Lewin.B. 1987. Genes III. New York: John Wiley & Sons, Inc. Starr, C dan Taggart, R. 2001. Biology: The Unity and Diversity of Life. Australia: Brooks/Cole. Suryo. 2005. Genetika Manusia. Cetakan 8. Yogyakarta: Gadjah Mada University Press. 247 Suryo. 1990. Genetika. Cetakan 6. Yogyakarta: Gadjah Mada University Press. Suratsih, Victoria. 2002 Genetika. Yogyakarta.Univeristas Negeri Yogyakarta. Yatim.W. 2003. Genetika. Bandung: Tarsito. Wanger, R.P. dkk. 1980. Introduction to Modern Genetics. New York: John Wiley & Sons Inc. 248 BIO DATA Nama Tempat / Tgl Lahir Jenis Kelamin Agama Alamat Rumah Nomor Telpon Email Unit Kerja NIP Golongan Jab.Fungsional Jabatan Pendidikan Keluarga a. Istri b. Anak : Dr. Muh. Khalifah Mustami, M.Pd : Ladea / 12 April 1971 : Laki-laki : Islam : BTN Antara Blok C.12 No.8 Makassar : 081354634497 : [email protected] : UIN Alauddin Makassar : 19710412 2000 03 1001 : IV/a : Lektor Kepala : Dekan Fakultas Sains dan Teknologi : - S1 Tahun 1995 di IAIN Alauddin Makassar Jurusan Pendidikan Biologi - S2 Tahun 1997 di IKIP Malang Jurusan Pendidikan Biologi - S3 Tahun 2007 di Universitas Negeri Malang (UM) Jurusan Pendidikan Biologi : Maryam, M.Pd : 1. Ananda Chaerul Umam; 2. Andina Nasywa Wardana; 3. Aidil Fairus Muhammad 249
