Genetika

Genetika adalah cabang biologi yang berkaitan dengan studi tentang gen, variasi genetik, dan keturunan pada organisme.

Meskipun hereditas telah diamati selama ribuan tahun, Gregor Mendel, seorang ilmuwan dan biarawan Augustinian yang bekerja pada abad ke-19, adalah orang pertama yang mempelajari genetika secara ilmiah. Mendel mempelajari "pewarisan sifat", pola cara pewarisan sifat dari orang tua kepada keturunannya. Ia mengamati bahwa organisme (tanaman kacang polong) mewarisi sifat melalui "unit warisan" yang terpisah. Istilah ini, masih digunakan sampai sekarang, adalah definisi yang agak ambigu dari apa yang disebut sebagai gen.

Pewarisan sifat dan mekanisme pewarisan molekuler gen masih merupakan prinsip utama genetika di abad ke-21, tetapi genetika modern telah berkembang melampaui warisan untuk mempelajari fungsi dan perilaku gen. Struktur dan fungsi gen, variasi, dan distribusi dipelajari dalam konteks sel, organisme (misalnya dominasi), dan dalam konteks populasi. Genetika telah memunculkan sejumlah subbidang, termasuk genetika molekuler, epigenetik dan genetika populasi. Organisme yang dipelajari dalam bidang yang luas mencakup domain kehidupan (archaea, bakteri, dan eukarya).

Proses genetik bekerja dalam kombinasi dengan lingkungan dan pengalaman organisme untuk memengaruhi perkembangan dan perilaku, sering disebut sebagai alam versus memelihara. Lingkungan intraseluler atau ekstraseluler dari sel hidup atau organisme dapat mengaktifkan atau menonaktifkan transkripsi gen. Contoh klasik adalah dua benih jagung identik secara genetik, satu ditempatkan di iklim sedang dan satu lagi di iklim kering (kurang air terjun atau hujan). Meskipun tinggi rata-rata dari dua batang jagung dapat ditentukan secara genetik sama, yang di iklim kering hanya tumbuh setengah dari tinggi di iklim sedang karena kurangnya air dan nutrisi di lingkungannya.

Isi

Etimologi

Kata genetika berasal dari bahasa Yunani kuno γενετικός genetikos artinya "genitive" / "generative", yang berasal dari γένεσις genesis yang berarti "asal".

History

Pengamatan bahwa makhluk hidup mewarisi sifat dari induknya telah digunakan sejak zaman prasejarah untuk memperbaiki tanaman dan hewan melalui pembiakan selektif. Ilmu genetika modern, yang berusaha memahami proses ini, dimulai dengan karya biarawan Augustinian Gregor Mendel pada pertengahan abad ke-19.

Sebelum Mendel, Imre Festetics, seorang bangsawan Hongaria, yang tinggal di Kőszeg sebelum Mendel, adalah orang pertama yang menggunakan kata "genetika". Dia menjelaskan beberapa aturan pewarisan genetik dalam karyanya Hukum genetik Alam (Die genetische Gesätze der Natur, 1819). Hukum keduanya sama dengan yang diterbitkan Mendel. Dalam hukum ketiganya, ia mengembangkan prinsip-prinsip dasar mutasi (ia dapat dianggap sebagai pelopor dari Hugo de Vries).

Teori pewarisan lain mendahului karya Mendel. Sebuah teori populer selama abad ke-19, dan tersirat oleh On the Origin of Species karya Charles Darwin pada 1859, adalah pencampuran warisan: gagasan bahwa individu mewarisi perpaduan yang halus antara sifat-sifat dari orang tua mereka. Karya Mendel memberikan contoh di mana ciri-ciri tidak tercampur setelah hibridisasi, menunjukkan bahwa ciri-ciri dihasilkan oleh kombinasi gen yang berbeda daripada perpaduan berkelanjutan. Pencampuran ciri-ciri pada keturunan sekarang dijelaskan oleh aksi beberapa gen dengan efek kuantitatif. Teori lain yang mendapat dukungan pada waktu itu adalah pewarisan karakteristik yang diperoleh: keyakinan bahwa individu mewarisi sifat yang diperkuat oleh orang tua mereka. Teori ini (biasanya diasosiasikan dengan Jean-Baptiste Lamarck) sekarang diketahui salah — pengalaman individu tidak mempengaruhi gen yang mereka berikan kepada anak-anak mereka, meskipun bukti di bidang epigenetik telah menghidupkan kembali beberapa aspek teori Lamarck. Teori lain termasuk pangenesis Charles Darwin (yang memiliki dan mewarisi aspek) dan reformulasi pangenesis oleh Francis Galton sebagai partikulat dan warisan.

Genetika Mendel dan klasik

Genetika modern dimulai dengan studi Mendel tentang sifat pewarisan pada tumbuhan. Dalam makalahnya " Versuche über Pflanzenhybriden " ("Eksperimen tentang Hibridisasi Tanaman"), yang dipresentasikan pada tahun 1865 kepada Naturforschender Verein (Masyarakat untuk Penelitian di Alam) di Brünn, Mendel menelusuri pola pewarisan sifat-sifat tertentu pada tanaman kacang polong dan dijelaskan secara matematis. Meskipun pola pewarisan ini hanya dapat diamati untuk beberapa ciri, karya Mendel menunjukkan bahwa hereditas bersifat partikulat, tidak diperoleh, dan bahwa pola pewarisan banyak ciri dapat dijelaskan melalui aturan dan rasio sederhana.

Pentingnya karya Mendel tidak memperoleh pemahaman yang luas sampai tahun 1900, setelah kematiannya, ketika Hugo de Vries dan ilmuwan lain menemukan kembali penelitiannya. William Bateson, pendukung karya Mendel, menciptakan kata genetika pada tahun 1905 (kata sifat genetik , berasal dari kata Yunani genesis —γένεσις, "origin", mendahului kata benda dan pertama kali digunakan dalam pengertian biologis pada tahun 1860). Bateson bertindak sebagai mentor dan dibantu secara signifikan oleh karya ilmuwan lain dari Newnham College di Cambridge, khususnya karya Becky Saunders, Nora Darwin Barlow, dan Muriel Wheldale Onslow. Bateson mempopulerkan penggunaan kata genetika untuk mendeskripsikan studi tentang pewarisan dalam pidato pengukuhannya di Konferensi Internasional Ketiga tentang Hibridisasi Tanaman di London pada tahun 1906.

Setelah penemuan kembali Mendel berhasil, para ilmuwan mencoba untuk menentukan molekul mana dalam sel yang bertanggung jawab atas pewarisan. Pada tahun 1900, Nettie Stevens mulai mempelajari ulat bambu. Selama 11 tahun berikutnya, dia menemukan bahwa perempuan hanya memiliki kromosom X dan laki-laki memiliki kromosom X dan Y. Ia menyimpulkan bahwa jenis kelamin adalah faktor kromosom dan ditentukan oleh laki-laki. Pada tahun 1911, Thomas Hunt Morgan berpendapat bahwa gen berada pada kromosom, berdasarkan pengamatan mutasi mata putih terkait seks pada lalat buah. Pada tahun 1913, muridnya Alfred Sturtevant menggunakan fenomena keterkaitan genetik untuk menunjukkan bahwa gen tersusun secara linier pada kromosom.

Genetika molekuler

Meskipun gen itu diketahui ada pada kromosom, kromosom terdiri dari protein dan DNA, dan para ilmuwan tidak tahu mana di antara keduanya yang bertanggung jawab atas pewarisan. Pada tahun 1928, Frederick Griffith menemukan fenomena transformasi (lihat eksperimen Griffith): bakteri mati dapat mentransfer materi genetik untuk "mengubah" bakteri lain yang masih hidup. Enam belas tahun kemudian, pada tahun 1944, eksperimen Avery-MacLeod-McCarty mengidentifikasi DNA sebagai molekul yang bertanggung jawab untuk transformasi. Peran inti sebagai tempat penyimpanan informasi genetik pada eukariota telah ditetapkan oleh Hämmerling pada tahun 1943 dalam karyanya pada alga bersel tunggal Acetabularia . Eksperimen Hershey – Chase pada tahun 1952 menegaskan bahwa DNA (bukan protein) adalah materi genetik dari virus yang menginfeksi bakteri, memberikan bukti lebih lanjut bahwa DNA adalah molekul yang bertanggung jawab atas pewarisan.

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

Meskipun struktur DNA menunjukkan cara kerja pewarisan, masih belum diketahui bagaimana DNA memengaruhi perilaku sel. Pada tahun-tahun berikutnya, para ilmuwan mencoba memahami bagaimana DNA mengontrol proses produksi protein. Diketahui bahwa sel menggunakan DNA sebagai template untuk membuat RNA pembawa pesan yang cocok, molekul dengan nukleotida yang sangat mirip dengan DNA. Urutan nukleotida dari messenger RNA digunakan untuk membuat urutan asam amino dalam protein; Terjemahan antara urutan nukleotida dan urutan asam amino ini dikenal sebagai kode genetik.

Dengan pemahaman molekuler yang baru ditemukan tentang pewarisan, muncullah ledakan penelitian. Sebuah teori penting muncul dari Tomoko Ohta pada tahun 1973 dengan amandemennya menjadi teori netral evolusi molekuler dengan menerbitkan teori evolusi molekuler yang hampir netral. Dalam teori ini, Ohta menekankan pentingnya seleksi alam dan lingkungan untuk laju terjadinya evolusi genetik. Salah satu perkembangan penting adalah sekuensing DNA penghentian rantai pada tahun 1977 oleh Frederick Sanger. Teknologi ini memungkinkan para ilmuwan untuk membaca urutan nukleotida molekul DNA. Pada tahun 1983, Kary Banks Mullis mengembangkan reaksi berantai polimerase, menyediakan cara cepat untuk mengisolasi dan memperkuat bagian DNA tertentu dari suatu campuran. Upaya Proyek Genom Manusia, Departemen Energi, NIH, dan upaya swasta paralel oleh Celera Genomics mengarah pada pengurutan genom manusia pada tahun 2003.

Fitur pewarisan

Diskrit warisan dan hukum Mendel

Pada tingkat yang paling mendasar, pewarisan organisme terjadi dengan melewatkan unit-unit yang dapat diwariskan, yang disebut gen, dari orang tua ke keturunannya. Properti ini pertama kali diamati oleh Gregor Mendel, yang mempelajari pemisahan sifat yang diwariskan pada tanaman kacang polong. Dalam eksperimennya yang mempelajari sifat warna bunga, Mendel mengamati bahwa bunga dari setiap tanaman kacang polong berwarna ungu atau putih — tetapi tidak pernah menjadi perantara di antara kedua warna tersebut. Versi berbeda dan berlainan dari gen yang sama ini disebut alel.

Dalam kasus kacang polong, yang merupakan spesies diploid, setiap tumbuhan memiliki dua salinan dari setiap gen, satu salinan diwarisi dari setiap induk. Banyak spesies, termasuk manusia, memiliki pola pewarisan ini. Organisme diploid dengan dua salinan alel yang sama dari gen tertentu disebut homozigot pada lokus gen tersebut, sedangkan organisme dengan dua alel berbeda dari gen tertentu disebut heterozigot.

Kumpulan alel untuk organisme tertentu disebut genotipe, sedangkan ciri-ciri organisme yang dapat diamati disebut fenotipe. Ketika organisme heterozigot pada suatu gen, seringkali satu alel disebut dominan karena kualitasnya mendominasi fenotipe organisme, sedangkan alel lain disebut resesif karena kualitasnya surut dan tidak diamati. Beberapa alel tidak memiliki dominasi lengkap dan sebaliknya memiliki dominasi tidak lengkap dengan mengekspresikan fenotipe perantara, atau kodominan dengan mengekspresikan kedua alel sekaligus.

Ketika sepasang organisme bereproduksi secara seksual, keturunannya secara acak mewarisi salah satu dari keduanya alel dari setiap orang tua. Pengamatan tentang pewarisan diskrit dan segregasi alel ini secara kolektif dikenal sebagai hukum pertama Mendel atau Hukum Segregasi.

Notasi dan diagram

Ahli genetika menggunakan diagram dan simbol untuk mendeskripsikan pewarisan. Gen diwakili oleh satu atau beberapa huruf. Seringkali simbol "+" digunakan untuk menandai alel non-mutan biasa untuk sebuah gen.

Dalam percobaan pemupukan dan pemuliaan (dan terutama saat membahas hukum Mendel) orang tua disebut sebagai "P "generasi dan keturunan sebagai generasi" F1 "(berbakti pertama). Ketika keturunan F1 kawin satu sama lain, keturunannya disebut sebagai generasi "F2" (anak kedua). Salah satu diagram umum yang digunakan untuk memprediksi hasil perkawinan silang adalah kotak Punnett.

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

Berbagai interaksi gen

Organisme memiliki ribuan gen, dan dalam organisme yang bereproduksi secara seksual, gen-gen ini umumnya berpasangan secara independen satu sama lain. Ini berarti pewarisan alel untuk warna kuning atau hijau tidak terkait dengan pewarisan alel untuk bunga putih atau ungu. Fenomena ini, yang dikenal sebagai "hukum kedua Mendel" atau "hukum bermacam-macam independen", berarti bahwa alel dari gen yang berbeda dikocok di antara orang tua untuk membentuk keturunan dengan banyak kombinasi berbeda. (Beberapa gen tidak berkumpul secara independen, menunjukkan keterkaitan genetik, topik yang dibahas nanti dalam artikel ini.)

Seringkali gen yang berbeda dapat berinteraksi dengan cara yang memengaruhi sifat yang sama. Pada Maria Bermata Biru ( Omphalodes verna ), misalnya, terdapat gen dengan alel yang menentukan warna bunga: biru atau magenta. Gen lain, bagaimanapun, mengontrol apakah bunga memiliki warna sama sekali atau putih. Jika suatu tanaman memiliki dua salinan alel putih ini, bunganya berwarna putih — terlepas dari apakah gen pertama memiliki alel biru atau magenta. Interaksi antar gen ini disebut epistasis, dengan gen kedua epistasis ke yang pertama.

Banyak sifat bukan ciri yang terpisah (misalnya bunga ungu atau putih) tetapi merupakan ciri yang berkelanjutan (misalnya tinggi manusia dan warna kulit) . Sifat-sifat kompleks ini adalah produk dari banyak gen. Pengaruh gen ini dimediasi, pada derajat yang berbeda-beda, oleh lingkungan yang dialami organisme. Sejauh mana gen suatu organisme berkontribusi pada sifat kompleks disebut heritabilitas. Pengukuran heritabilitas suatu sifat bersifat relatif — dalam lingkungan yang lebih bervariasi, lingkungan memiliki pengaruh yang lebih besar terhadap variasi total sifat tersebut. Misalnya, tinggi manusia adalah sifat dengan penyebab yang kompleks. Ini memiliki heritabilitas 89% di Amerika Serikat. Namun, di Nigeria, di mana orang mengalami akses yang lebih bervariasi ke nutrisi dan perawatan kesehatan yang baik, tinggi badan hanya memiliki 62% heritabilitas.

Dasar molekuler untuk pewarisan

DNA dan kromosom

Basis molekuler untuk gen adalah asam deoksiribonukleat (DNA). DNA terdiri dari rantai nukleotida, yang terdiri dari empat jenis: adenin (A), sitosin (C), guanin (G), dan timin (T). Informasi genetik ada dalam urutan nukleotida ini, dan gen ada sebagai rangkaian urutan di sepanjang rantai DNA. Virus adalah satu-satunya pengecualian untuk aturan ini — terkadang virus menggunakan molekul RNA yang sangat mirip, bukan DNA sebagai materi genetiknya. Virus tidak dapat bereproduksi tanpa inang dan tidak terpengaruh oleh banyak proses genetik, sehingga cenderung tidak dianggap sebagai organisme hidup.

DNA biasanya ada sebagai molekul untai ganda, yang digulung menjadi bentuk heliks ganda. Setiap nukleotida dalam DNA berpasangan dengan nukleotida pasangannya pada untai yang berlawanan: A berpasangan dengan T, dan C berpasangan dengan G. Jadi, dalam bentuk dua untai, setiap untai secara efektif berisi semua informasi yang diperlukan, berlebihan dengan untai mitranya. Struktur DNA ini adalah dasar fisik untuk pewarisan: Replikasi DNA menggandakan informasi genetik dengan memisahkan untaian dan menggunakan setiap untai sebagai templat untuk sintesis untai mitra baru.

Gen disusun secara linier di sepanjang rantai panjang urutan pasangan basa DNA. Pada bakteri, setiap sel biasanya mengandung satu genofor melingkar, sedangkan organisme eukariotik (seperti tumbuhan dan hewan) memiliki DNA yang tersusun dalam beberapa kromosom linier. Untaian DNA ini seringkali sangat panjang; kromosom manusia terbesar, misalnya, panjangnya sekitar 247 juta pasang basa. DNA kromosom dikaitkan dengan protein struktural yang mengatur, memadatkan, dan mengontrol akses ke DNA, membentuk bahan yang disebut kromatin; pada eukariota, kromatin biasanya terdiri dari nukleosom, segmen DNA melilit inti protein histon. Kumpulan lengkap materi herediter dalam suatu organisme (biasanya rangkaian DNA gabungan dari semua kromosom) disebut genom.

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

Meskipun organisme haploid hanya memiliki satu salinan dari setiap kromosom, kebanyakan hewan dan banyak tumbuhan diploid, mengandung dua dari setiap kromosom dan dengan demikian dua salinan dari setiap gen. Dua alel untuk sebuah gen terletak pada lokus identik dari dua kromosom homolog, masing-masing alel diwarisi dari induk yang berbeda.

Banyak spesies memiliki apa yang disebut kromosom seks yang menentukan jenis kelamin setiap organisme. Pada manusia dan banyak hewan lainnya, kromosom Y mengandung gen yang memicu perkembangan karakteristik laki-laki secara spesifik. Dalam evolusi, kromosom ini telah kehilangan sebagian besar kandungannya dan juga sebagian besar gennya, sedangkan kromosom X mirip dengan kromosom lain dan mengandung banyak gen. Dengan demikian, Mary Frances Lyon menemukan bahwa ada inaktivasi kromosom X selama reproduksi untuk menghindari pewarisan gen dua kali lebih banyak kepada keturunannya. Penemuan Lyon menyebabkan penemuan hal-hal lain termasuk penyakit terkait-X. Kromosom X dan Y membentuk pasangan yang sangat heterogen.

Reproduksi

Saat sel membelah, genom lengkapnya akan disalin dan setiap sel anak mewarisi satu salinan. Proses ini, disebut mitosis, adalah bentuk reproduksi paling sederhana dan merupakan dasar reproduksi aseksual. Reproduksi aseksual juga dapat terjadi pada organisme multiseluler, menghasilkan keturunan yang mewarisi genom mereka dari satu orang tua. Keturunan yang secara genetik identik dengan induknya disebut klon.

Organisme eukariotik sering kali menggunakan alat reproduksi seksual untuk menghasilkan keturunan yang mengandung campuran materi genetik yang diwarisi dari dua induk yang berbeda. Proses reproduksi seksual bergantian antara bentuk yang mengandung salinan tunggal genom (haploid) dan salinan ganda (diploid). Sel haploid berfusi dan menggabungkan materi genetik untuk membuat sel diploid dengan kromosom berpasangan. Organisme diploid membentuk haploid dengan membelah, tanpa mereplikasi DNA mereka, untuk membuat sel anak yang secara acak mewarisi salah satu dari setiap pasang kromosom. Sebagian besar hewan dan banyak tumbuhan diploid untuk sebagian besar umur mereka, dengan bentuk haploid direduksi menjadi gamet sel tunggal seperti sperma atau telur.

Meskipun mereka tidak menggunakan metode reproduksi seksual haploid / diploid, bakteri memiliki banyak metode untuk memperoleh informasi genetik baru. Beberapa bakteri dapat mengalami konjugasi, mentransfer potongan kecil DNA melingkar ke bakteri lain. Bakteri juga dapat mengambil fragmen DNA mentah yang ditemukan di lingkungan dan mengintegrasikannya ke dalam genomnya, sebuah fenomena yang dikenal sebagai transformasi. Proses ini menghasilkan transfer gen horizontal, mentransmisikan fragmen informasi genetik antara organisme yang sebenarnya tidak terkait. Transformasi bakteri alami terjadi pada banyak spesies bakteri, dan dapat dianggap sebagai proses seksual untuk mentransfer DNA dari satu sel ke sel lain (biasanya dari spesies yang sama). Transformasi membutuhkan aksi dari banyak produk gen bakteri, dan fungsi adaptif utamanya adalah memperbaiki kerusakan DNA di sel penerima.

Rekombinasi dan keterkaitan genetik

Sifat diploid kromosom memungkinkan gen pada kromosom yang berbeda untuk berpasangan secara independen atau dipisahkan dari pasangan homolognya selama reproduksi seksual di mana gamet haploid terbentuk. Dengan cara ini kombinasi gen baru dapat terjadi pada keturunan pasangan kawin. Gen pada kromosom yang sama secara teoritis tidak akan pernah bergabung kembali. Namun, mereka melakukannya, melalui proses seluler dari persilangan kromosom. Selama persilangan, kromosom bertukar bentangan DNA, secara efektif mengacak alel gen di antara kromosom. Proses persilangan kromosom ini umumnya terjadi selama meiosis, serangkaian pembelahan sel yang menciptakan sel haploid. Rekombinasi meiotik, terutama pada mikroba eukariota, tampaknya melayani fungsi adaptif untuk memperbaiki kerusakan DNA.

Demonstrasi sitologi pertama dari persilangan dilakukan oleh Harriet Creighton dan Barbara McClintock pada tahun 1931. Penelitian dan eksperimen mereka pada jagung memberikan bukti sitologis untuk teori genetika bahwa gen terkait pada kromosom berpasangan ternyata bertukar tempat dari satu homolog ke homolog lainnya.

Kemungkinan persilangan kromosom yang terjadi antara dua titik tertentu pada kromosom terkait dengan jarak antar titik. Untuk jarak yang sangat jauh, kemungkinan persilangan cukup tinggi sehingga pewarisan gen secara efektif tidak berkorelasi. Untuk gen yang berdekatan, bagaimanapun, probabilitas persilangan yang lebih rendah berarti bahwa gen tersebut menunjukkan keterkaitan genetik; alel untuk dua gen cenderung diwariskan bersama. Jumlah keterkaitan antara serangkaian gen dapat digabungkan untuk membentuk peta keterkaitan linier yang secara kasar mendeskripsikan susunan gen di sepanjang kromosom.

Ekspresi gen

Kode genetik

Gen pada umumnya mengekspresikan efek fungsionalnya melalui produksi protein, yang merupakan molekul kompleks yang bertanggung jawab atas sebagian besar fungsi dalam sel. Protein terdiri dari satu atau lebih rantai polipeptida, yang masing-masing terdiri dari urutan asam amino, dan urutan DNA dari suatu gen (melalui perantara RNA) digunakan untuk menghasilkan urutan asam amino tertentu. Proses ini dimulai dengan produksi molekul RNA dengan urutan yang cocok dengan urutan DNA gen, proses yang disebut transkripsi.

Molekul RNA pembawa pesan ini kemudian digunakan untuk menghasilkan urutan asam amino yang sesuai melalui proses yang disebut translasi . Setiap kelompok dari tiga nukleotida dalam urutan, yang disebut kodon, sesuai dengan salah satu dari dua puluh kemungkinan asam amino dalam protein atau instruksi untuk mengakhiri urutan asam amino; korespondensi ini disebut kode genetik. Aliran informasi searah: informasi ditransfer dari urutan nukleotida ke dalam urutan asam amino protein, tetapi tidak pernah mentransfer dari protein kembali ke urutan DNA — sebuah fenomena yang disebut Francis Crick sebagai dogma sentral biologi molekuler.

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

Perbedaan nukleotida tunggal dalam DNA dapat menyebabkan perubahan urutan asam amino sebuah protein. Karena struktur protein adalah hasil dari urutan asam aminonya, beberapa perubahan dapat secara dramatis mengubah sifat suatu protein dengan membuat struktur tidak stabil atau mengubah permukaan protein dengan cara yang mengubah interaksinya dengan protein dan molekul lain. Misalnya, anemia sel sabit adalah penyakit genetik manusia yang diakibatkan oleh perbedaan basa tunggal dalam wilayah pengkodean untuk bagian β-globin hemoglobin, menyebabkan perubahan asam amino tunggal yang mengubah sifat fisik hemoglobin. Versi hemoglobin sel sabit menempel pada dirinya sendiri, menumpuk untuk membentuk serat yang mengubah bentuk sel darah merah yang membawa protein. Sel berbentuk sabit ini tidak lagi mengalir dengan lancar melalui pembuluh darah, cenderung menyumbat atau menurun, menyebabkan masalah medis yang terkait dengan penyakit ini.

Beberapa urutan DNA ditranskripsikan menjadi RNA tetapi tidak diterjemahkan menjadi protein produk — molekul RNA semacam itu disebut RNA tanpa kode. Dalam beberapa kasus, produk ini terlipat menjadi struktur yang terlibat dalam fungsi sel kritis (misalnya RNA ribosom dan RNA transfer). RNA juga dapat memiliki efek pengaturan melalui interaksi hibridisasi dengan molekul RNA lain (misalnya microRNA).

Sifat dan pengasuhan

Meskipun gen mengandung semua informasi yang digunakan organisme untuk berfungsi, lingkungan berperan peran penting dalam menentukan fenotipe akhir yang ditampilkan organisme. Frasa "nature and nurture" mengacu pada hubungan yang saling melengkapi ini. Fenotipe suatu organisme bergantung pada interaksi gen dan lingkungan. Contoh yang menarik adalah pewarnaan bulu kucing Siam. Dalam hal ini, suhu tubuh kucing berperan sebagai lingkungan. Kode gen kucing untuk rambut hitam, sehingga sel-sel penghasil rambut pada kucing membuat protein seluler yang menghasilkan rambut hitam. Tetapi protein penghasil rambut gelap ini sensitif terhadap suhu (yaitu memiliki mutasi yang menyebabkan sensitivitas suhu) dan perubahan sifat di lingkungan bersuhu lebih tinggi, gagal menghasilkan pigmen rambut hitam di area di mana kucing memiliki suhu tubuh yang lebih tinggi. Namun, dalam lingkungan bersuhu rendah, struktur proteinnya stabil dan biasanya menghasilkan pigmen rambut gelap. Protein tetap berfungsi di area kulit yang lebih dingin — seperti kaki, telinga, ekor, dan wajahnya — sehingga kucing memiliki bulu gelap di ekstremitasnya.

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

Metode umum untuk menentukan bagaimana gen dan lingkungan ("nature and nurture") berkontribusi pada fenotipe melibatkan mempelajari kembar identik dan fraternal, atau saudara kandung lain dari banyak kelahiran. Saudara kandung identik secara genetik sama karena mereka berasal dari zigot yang sama. Sementara itu, saudara kembar fraternal secara genetik berbeda satu sama lain seperti saudara kandung normal. Dengan membandingkan seberapa sering kelainan tertentu terjadi pada pasangan kembar identik dengan seberapa sering terjadi pada pasangan kembar fraternal, para ilmuwan dapat menentukan apakah kelainan tersebut disebabkan oleh faktor genetik atau lingkungan pascakelahiran. Salah satu contoh terkenal melibatkan studi kembar empat Genain, yang kembar empat identik semuanya didiagnosis dengan skizofrenia. Namun, tes tersebut tidak dapat memisahkan faktor genetik dari faktor lingkungan yang mempengaruhi perkembangan janin.

Regulasi gen

Genom suatu organisme mengandung ribuan gen, tetapi tidak semua gen ini perlu aktif pada saat tertentu. Sebuah gen diekspresikan ketika sedang ditranskripsi menjadi mRNA dan terdapat banyak metode seluler untuk mengontrol ekspresi gen sedemikian rupa sehingga protein hanya diproduksi ketika dibutuhkan oleh sel. Faktor transkripsi adalah protein pengatur yang mengikat DNA, baik yang mendorong atau menghambat transkripsi suatu gen. Di dalam genom bakteri Escherichia coli , misalnya, terdapat serangkaian gen yang diperlukan untuk sintesis asam amino triptofan. Namun, ketika triptofan sudah tersedia untuk sel, gen untuk sintesis triptofan ini tidak lagi diperlukan. Kehadiran triptofan secara langsung mempengaruhi aktivitas gen — molekul triptofan terikat ke penekan triptofan (faktor transkripsi), mengubah struktur penekan sedemikian rupa sehingga penekan tersebut mengikat ke gen. Penekan triptofan memblokir transkripsi dan ekspresi gen, sehingga menciptakan regulasi umpan balik negatif dari proses sintesis triptofan.

Perbedaan ekspresi gen terlihat sangat jelas dalam organisme multiseluler, di mana semua sel mengandung genom yang sama tetapi memiliki struktur dan perilaku yang sangat berbeda karena ekspresi set gen yang berbeda. Semua sel dalam organisme multiseluler berasal dari satu sel, berdiferensiasi menjadi tipe sel varian sebagai respons terhadap sinyal eksternal dan antar sel dan secara bertahap membentuk pola ekspresi gen yang berbeda untuk menciptakan perilaku yang berbeda. Karena tidak ada gen tunggal yang bertanggung jawab atas perkembangan struktur dalam organisme multiseluler, pola ini muncul dari interaksi kompleks antara banyak sel.

Dalam eukariota, terdapat fitur struktural kromatin yang mempengaruhi transkripsi gen, seringkali dalam bentuk modifikasi DNA dan kromatin yang secara stabil diwarisi oleh sel anak. Ciri-ciri ini disebut "epigenetik" karena ada "di atas" sekuens DNA dan mempertahankan warisan dari satu generasi sel ke generasi berikutnya. Karena fitur epigenetik, jenis sel berbeda yang tumbuh dalam media yang sama dapat mempertahankan sifat yang sangat berbeda. Meskipun ciri-ciri epigenetik umumnya bersifat dinamis selama perkembangannya, beberapa, seperti fenomena paramutasi, memiliki pewarisan multigenerasi dan ada sebagai pengecualian langka pada aturan umum DNA sebagai dasar pewarisan.

Perubahan genetik

Mutasi

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

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

Seleksi alam dan evolusi

Mutasi mengubah genotipe organisme dan terkadang menyebabkan munculnya fenotipe yang berbeda. Kebanyakan mutasi memiliki pengaruh kecil pada fenotipe, kesehatan, atau kebugaran reproduksi suatu organisme. Mutasi yang memiliki efek biasanya merugikan, tetapi terkadang beberapa dapat bermanfaat. Studi pada lalat Drosophila melanogaster menunjukkan bahwa jika mutasi mengubah protein yang diproduksi oleh sebuah gen, sekitar 70 persen dari mutasi ini akan berbahaya dengan sisanya bersifat netral atau tidak bermanfaat.

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

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

Dengan membandingkan homologi antara genom spesies yang berbeda, dimungkinkan untuk menghitung jarak evolusi di antara mereka dan kapan mereka mungkin telah menyimpang. Perbandingan genetik umumnya dianggap sebagai metode yang lebih akurat untuk mengkarakterisasi keterkaitan antar spesies daripada perbandingan karakteristik fenotipik. Jarak evolusioner antar spesies dapat digunakan untuk membentuk pohon evolusi; pohon-pohon ini mewakili keturunan umum dan divergensi spesies dari waktu ke waktu, meskipun mereka tidak menunjukkan transfer materi genetik antara spesies yang tidak berkerabat (dikenal sebagai transfer gen horizontal dan paling umum pada bakteri).

Model organisme

Meskipun ahli genetika awalnya mempelajari pewarisan pada berbagai organisme, para peneliti mulai mengkhususkan diri dalam mempelajari genetika subset organisme tertentu. Fakta bahwa penelitian signifikan sudah ada untuk organisme tertentu akan mendorong peneliti baru untuk memilihnya untuk studi lebih lanjut, dan akhirnya beberapa model organisme menjadi dasar untuk sebagian besar penelitian genetika. Topik penelitian umum dalam genetika organisme model mencakup studi tentang regulasi gen dan keterlibatan gen dalam perkembangan dan kanker.

Organisme dipilih, sebagian untuk kenyamanan — waktu generasi yang singkat dan manipulasi genetik yang mudah dilakukan pada beberapa organisme alat penelitian genetika populer. Model organisme yang banyak digunakan termasuk bakteri usus Escherichia coli , tanaman Arabidopsis thaliana , ragi roti ( Saccharomyces cerevisiae ), nematoda Caenorhabditis elegans , lalat buah biasa ( Drosophila melanogaster ), dan tikus rumah biasa ( Mus musculus ).

Obat

Genetika medis berupaya memahami bagaimana variasi genetik berkaitan dengan kesehatan dan penyakit manusia. Saat mencari gen yang tidak diketahui yang mungkin terlibat dalam suatu penyakit, para peneliti biasanya menggunakan grafik keterkaitan genetik dan silsilah genetik untuk menemukan lokasi pada genom yang terkait dengan penyakit tersebut. Pada tingkat populasi, peneliti memanfaatkan pengacakan Mendel untuk mencari lokasi di genom yang terkait dengan penyakit, metode yang sangat berguna untuk sifat multigenik yang tidak secara jelas ditentukan oleh satu gen. Setelah gen kandidat ditemukan, penelitian lebih lanjut sering dilakukan pada gen yang sesuai (atau homolog) dari organisme model. Selain mempelajari penyakit genetik, peningkatan ketersediaan metode genotipe telah mengarah pada bidang farmakogenetik: studi tentang bagaimana genotipe dapat memengaruhi respons obat.

Setiap individu memiliki kecenderungan yang berbeda dalam mewarisi kecenderungan untuk mengembangkan kanker, dan kanker adalah penyakit genetik. Proses perkembangan kanker di dalam tubuh merupakan kombinasi dari berbagai peristiwa. Mutasi kadang terjadi di dalam sel di tubuh saat mereka membelah. Meskipun mutasi ini tidak akan diwariskan oleh keturunan mana pun, mutasi ini dapat memengaruhi perilaku sel, terkadang menyebabkan mereka tumbuh dan membelah lebih sering. Ada mekanisme biologis yang mencoba menghentikan proses ini; sinyal diberikan untuk membelah sel secara tidak tepat yang seharusnya memicu kematian sel, tetapi terkadang mutasi tambahan terjadi yang menyebabkan sel mengabaikan pesan-pesan ini. Proses internal seleksi alam terjadi di dalam tubuh dan akhirnya mutasi terakumulasi di dalam sel untuk meningkatkan pertumbuhannya sendiri, menciptakan tumor kanker yang tumbuh dan menyerang berbagai jaringan tubuh.

Biasanya, sel hanya membelah respons terhadap sinyal yang disebut faktor pertumbuhan dan berhenti tumbuh saat bersentuhan dengan sel di sekitarnya dan sebagai respons terhadap sinyal penghambat pertumbuhan. Biasanya kemudian membelah beberapa kali dan mati, tinggal di dalam epitel di mana ia tidak dapat bermigrasi ke organ lain. Untuk menjadi sel kanker, sel harus mengakumulasi mutasi pada sejumlah gen (tiga sampai tujuh). Sel kanker dapat membelah tanpa faktor pertumbuhan dan mengabaikan sinyal penghambat. Selain itu, ia abadi dan dapat tumbuh tanpa batas, bahkan setelah bersentuhan dengan sel tetangga. Ini mungkin lolos dari epitel dan akhirnya dari tumor primer. Kemudian, sel yang lolos dapat melewati endotel pembuluh darah dan diangkut oleh aliran darah untuk menjajah organ baru, membentuk metastasis yang mematikan. Meskipun ada beberapa predisposisi genetik dalam sebagian kecil kanker, fraksi utama disebabkan oleh serangkaian mutasi genetik baru yang awalnya muncul dan terakumulasi dalam satu atau sejumlah kecil sel yang akan membelah untuk membentuk tumor dan tidak ditularkan ke. keturunan (mutasi somatik). Mutasi yang paling sering terjadi adalah hilangnya fungsi protein p53, penekan tumor, atau jalur p53, dan peningkatan fungsi pada protein Ras, atau pada onkogen lain.

Metode penelitian

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

Penggunaan enzim ligasi memungkinkan fragmen DNA dihubungkan. Dengan mengikat ("mengikat") fragmen DNA bersama-sama dari sumber yang berbeda, peneliti dapat membuat DNA rekombinan, DNA yang sering dikaitkan dengan organisme hasil rekayasa genetika. DNA rekombinan umumnya digunakan dalam konteks plasmid: molekul DNA melingkar pendek dengan beberapa gen di dalamnya. Dalam proses yang dikenal sebagai kloning molekuler, para peneliti dapat memperkuat fragmen DNA dengan memasukkan plasmid ke dalam bakteri dan kemudian membudidayakannya di piring agar (untuk mengisolasi klon sel bakteri— "kloning" juga dapat merujuk pada berbagai cara membuat kloning (" clonal ")).

DNA juga dapat diperkuat menggunakan prosedur yang disebut polymerase chain reaction (PCR). Dengan menggunakan urutan pendek DNA tertentu, PCR dapat mengisolasi dan secara eksponensial memperkuat wilayah DNA yang ditargetkan. Karena dapat memperkuat dari jumlah DNA yang sangat kecil, PCR juga sering digunakan untuk mendeteksi keberadaan urutan DNA tertentu.

Pengurutan dan genom DNA

Pengurutan DNA, salah satu yang paling banyak Teknologi fundamental yang dikembangkan untuk mempelajari genetika, memungkinkan peneliti menentukan urutan nukleotida dalam fragmen DNA. Teknik sekuensing terminasi rantai, yang dikembangkan pada 1977 oleh tim yang dipimpin oleh Frederick Sanger, masih rutin digunakan untuk mengurutkan fragmen DNA. Dengan menggunakan teknologi ini, para peneliti dapat mempelajari urutan molekul yang terkait dengan banyak penyakit manusia.

Karena sekuensing menjadi lebih murah, para peneliti telah mengurutkan genom dari banyak organisme menggunakan proses yang disebut perakitan genom, yang memanfaatkan alat komputasi untuk menyatukan urutan dari berbagai fragmen. Teknologi ini digunakan untuk mengurutkan genom manusia dalam Proyek Genom Manusia yang diselesaikan pada tahun 2003. Teknologi baru pengurutan throughput tinggi secara dramatis menurunkan biaya pengurutan DNA, dengan banyak peneliti berharap untuk menurunkan biaya pengurutan ulang genom manusia menjadi seribu dolar.

Pengurutan generasi berikutnya (atau pengurutan throughput tinggi) muncul karena permintaan yang terus meningkat untuk pengurutan berbiaya rendah. Teknologi pengurutan ini memungkinkan produksi jutaan urutan secara bersamaan. Sejumlah besar data sekuens yang tersedia telah menciptakan bidang genomik, penelitian yang menggunakan alat komputasi untuk mencari dan menganalisis pola dalam genom lengkap organisme. Genomik juga dapat dianggap sebagai subbidang bioinformatika, yang menggunakan pendekatan komputasi untuk menganalisis kumpulan besar data biologis. Masalah umum pada bidang penelitian ini adalah bagaimana mengelola dan berbagi data yang berhubungan dengan subjek manusia dan informasi identitas pribadi.

Masyarakat dan budaya

Pada 19 Maret 2015, sekelompok ahli biologi terkemuka mendesak pelarangan di seluruh dunia atas penggunaan metode klinis, terutama penggunaan CRISPR dan jari seng, untuk mengedit genom manusia dengan cara yang dapat diwariskan. Pada April 2015, peneliti China melaporkan hasil penelitian dasar untuk mengedit DNA embrio manusia yang tidak dapat hidup menggunakan CRISPR.