Apakah Gen Itu?
Gen merupakan unit hereditas yang bertempat di lokus kromosom dan memiliki fungsi seluler melalui sintesa protein. Secara sistematik, gen berada di dalam loki (jamak= lokus) yang tersusun di dalam sebuah kromosom. Kromosom berada di setiap inti sel tubuh dan jumlahnya bervariasi antar spesies. Kromosom terbentuk sejak awal masa fertilisasi dan pembentukan satu sel pertama (zigot) kehidupan suatu organisme. Sehingga, sekuens DNA dalam kromosom sama jumlahnya dalam seluruh inti sel.
DNA memiliki bentuk double helix dengan rantai yang sejajar RNA disebut daerah coding dan rantai DNA yang menjadi tatakannya disebut daerah anticoding. Sementara gen memiliki bagian-bagian yang akan disandi menjadi polipeptida (disebut CDS, coding sequence) dan bagian-bagian tidak tersandi yang terdiri dari sekuens promotor, untransated region (UTR), intron, dan terminator.
Promotor dan terminator
Promotor
Nukleotida pertama dari gen struktur adalah nukleotida pada suatu titik tempat transkripsi dimulai, yaitu pada tempat mulai transkripsi atau transcription initiation site. Akhir dari gen struktur disebut tempat akhir transkripsi atau transcription termination site. Melalui kesepakatan, nukleotida dari gen struktur dinomori dari awal tempat mulai transkripsi (downstream), dan basa-basa yang mendahului tempat tersebut dinomori negatif, yaitu –1, –2, dan seterusnya (upstream). Promotor adalah tempat ribosom melekat dan tempat sebelum dimulainya transkripsi. promotor memiliki runutuan nukleotida yang spesifik dan konservatif Sebagai contoh, terdapat TATA box dengan runutan nukleotida TATAAA yang terletak sekitar 25 basa upstream, kemudian CAAT box dengan runutan nukleotida GGCCAATCT.
Terminator
Akhir dari pentranskripsian masih kurang dimengerti dengan baik disbanding promotor. Tidak terdapat runutan konservatif yang berkaitan dengan tempat ini, tetapi terdapat daerah yang sangat konservatif dengan runutan konsensus AATAAA (AAUAAA pada mRNA) yang terletak 10–30 basa sebelum tempat akhir, yang tampaknya merupakan tempat pengenalan pada mRNA untuk faktor yang mengontrol pemotongan.
Split gene (Intron)
Struktur gen sebenarnya jauh lebih Panjang ketimbang sekuens gen yang diekspresikan menjadi protein (CDS). Sebagai gambaran, struktur suatu gen rata-rata memiliki Panjang 100.000 bp, sementara Panjang CDS hanya berkisar 1.000 bp per gen, sehingga CDS yang terkekspresi menjadi protein dari suatu gen ternyata hanya 1% dari bagian keseluruhan total gen. Sekuens ini yang sebagian besar merupakan intron. Intron pada dasarnya merupakan bagian gen yang ditranskripsi menjadi primary transcript, kemudian sebelum ditranslasi, intron-intron tersebut di-splicing dan semua ekson akan digabung menjadi satu (Gambar 4). Intron memiliki bagian yang cukup konservatif sebagai penanda pada pangkal ujung dan pangkalnya berturut-turut GT dan AG (Gambar 3).
Untranlated region (UTR)
Kenyataannya, transkripsi dimulai sebelum triplet pemulai dan berakhir setelah triplet pemberhenti. Ini berarti bahwa mRNA mempunyai untranslated region pada tiap ujungnya. Pada eukariot transkripsi seringkali tidak dimulai pada ujung kodon start, namun pada pangkal mRNA, sehingga pangkal mRNA hingga kodon start ini disebut 5’UTR dan kodon stop hingga ujung mRNA disebut daerah 3’UTR.
Regulasi Gen
Akan terjadi kekacaublauan jika semua gen ditranslasikan di semua sel sepanjang waktu. Kenyataannya sejak fertilisasi hingga kematian, perkembangan organisme ditentukan oleh on dan off gen pada saat dan tempat yang tepat. Regulasi ini diatur bermacam-macam protein yang melekat ke dan dilepaskan dari bagian upstream sekuen DNA yaitu daerah promotor dan enchancer, serta terkadang di dalam gen struktur (intron), seperti TATA box, CAAT box, GC box, metilasi pada CpG island, dan specific protein pada promotor.
Mutasi
DNA dalam mereplikasi melibatkan proses yang sangat baik dan biasanya berlangsung sangat sempurna, meski demikian beberapa kesalahan minor terjadi dari waktu ke waktu. Beberapa kesalahan tersebut lantas langsung diperbaiki oleh mekanisme sel, namun beberapa perubahan yang terlewat akibat kesalahan replikasi atau adaptasi dengan lingkungan menyebabkan perubahan runutan untai DNA. Kesalahan yang tidak diperbaiki dalam pereplikasian DNA dinamakan mutasi.
Mutasi pada satu untai nukleotida dinamakan point mutation (mutase gen) yang melibatkan subtitusi, insersi, atau delesi nukleotida dalam untai DNA. Beberapa istilah mutase gen dapat berupa mutase nonsense yang diakibatkan mutase pada triplet TAT (tirosin) menjadi TAA (kodon stop), sehingga sekuen gen struktur menjadi lebih pendek. Mutasi mis-sense (non-synonymous mutation) terjadi karena subtitusi pada triplet menyebabkan subtitusi asam amino, dan kebalikannya merupakan mutasi silent (synonymous mutation). Tipe mutase lainnya yang melibatkan penghiangan (delesi) atau penyisipan (insersi) dinamakan mutase frameshift.
Gen, Alel, dan Lokus
DNA tersusun dalam tempat tertentu di dalam kromosom yang dinamakan alel, sementara posisi gen di dalam kromosom dinamakan lokus (jamak, loki). Jika keturunan berasal dari penyatuan sperma dengan DNA normal dan sel telur dengan DNA terubah atau DNA mutan pada satu dari kromosomnya, maka keturunan itu akan mempunyai satu kromosom normal dan satu kromosom mutan, yang membentuk pasangan homolog yang sesuai. Hewan dengan dua alel yang berbeda pada lokus tertentu dikatakan bersifat heterozigot pada lokus itu. Sebaliknya, jika hewan mempunyai dua kopi alel yang sama maka hewan itu bersifat homozigot pada lokus tersebut.
Meskipun kedua hewan dapat mempunyai maksimal hanya dua alel yang berbeda pada suatu lokus, jumlah alel yang berbeda dalam populasi hewan dapat jauh lebih besar dari dua. Jika lebih dari dua alel berada dalam populasi pada lokus tertentu, maka lokus itu dikatakan mempunyai alel ganda (multiple-allele).
Pewarisan Sederhana dan Hukum Mendel
Pewarisan merupakan penurunan gen dari satu generasi ke generasi berikutnya. Dan ternyata pewarisan ini dapat diprediksi. Augustinian Gregor Mendel adalah orang pertama yang memformulasikan prediksi itu melalui penelitiannya pada kacang ercis pada pertengahan abad lalu.
Lokus tunggal
Lokus yang diploid akan mengalami segregasi selama proses meiosis, dan rasio dari jenis keturunan yang berbeda sebagai akibat perkawinan tetua dinakan rasio segregasi. Persilangan antara tetua heterozigot (Bb) dengan homozigot resesif (bb) akan menghasilkan rasio segregasi Bb : bb atau dapat ditulis 1Bb:1bb
Multiple lokus
Asumsi Mendel menyatakan bahwa segregasi pada tiap lokus bersifat bebas dari pengaruh lokus lain. Sebagai misal, jika individu bersifat heterozigot pada dua lokus BbDd, maka gamet yang dihasilkan dapat berupa BD, Bd, bD, dan bd yang akan dihasilkan dengan frekuensi sama
Lokus terpaut kelamin
Pola pewarisan pada kromosom yang terpaut kelamin memiliki mekanisme yang berbeda dengan pola pewarisan pada koromsom autosom. Mamalia memiliki sepasang kromosom kelamin, yakni X dan Y, dan hanya kromosom X yang membawa lokus hereditas. Pola pewarisannya disebut pewarisan lokus terpaut-X dapat diilustrasikan pada checkboard
Keterpautan (Linkage)
Kromosom, pada dasarnya, tidak diwariskan sebagai satu unit kesatuan, karena jauh sebelum fertilisasi, tepatnya pada sinapsis fase meiosis I kromosom homolog mengalami rekombinasi atau pindah silang. Selama fase sinapsis tersebut, pematahan dan penyambungan-kembali kromatid terjadi. Jika dua segmen dari kromatid yang patah menyambung kembali, kromatid itu masih akan diwariskan sebagai unit kesatuan. Akan tetapi, jika patahan terjadi pada posisi yang sama pada dua kromatid yang berdekatan, maka kadang-kadang segmen tersebut mengubah pasangannya, yang membentuk kromatid rekombinan. Jika dua kromatid berasal dari satu homolog, yaitu tergabung pada sentromernya (dinamakan sister chromatid), pindah silang tidak mempunyai pengaruh, karena sister chromatid merupakan kembaran dari satu sama lainnya. Akan tetapi, jika dua kromatid tersebut adalah non-sister chromatid (satu dari homolognya dan satu dari yang lain), pindah silang menyebabkan pertukaran seimbang dari gen antara kromosom homolog.
Jika dua lokus berada sangat berdekatan pada kromosom yang sama, maka fraksi rekombinasi yang diamati sangat rendah dan lokus tersebut dikatakan bersifat terpaut erat. Semakin jauh jarak dua lokus pada kromosom yang sama, semakin besar peluang terjadinya pindah silang di antara keduanya, dan oleh karena itu semakin besar fraksi rekombinasinya. Untuk lokus yang terletak sangat berjauhan pada kromosom yang sama, gamet rekombinan sama frekuensinya dengan gamet non-rekombinan, yang menyebabkan nilai fraksi rekombinasi maksimum 50%. Lokus yang letaknya cukup berjauhan pada kromosom yang sama sehingga mempunyai fraksi rekombinasi 50% dikatakan tak-terpaut secara efektif walaupun mereka sebenarnya berada pada satu kromosom. Mereka dikatakan tak-terpaut secara efektif karena mereka bersegregasi secara bebas, seolah-olah mereka berada pada kromosom yang berbeda.
Hubungan antara fraksi rekombinasi dan jarak antara dua lokus memungkinkan pembuatan peta keterpautan (linkage map), dimana lokus ditempatkan berdasarkan fraksi rekombinasi di antara mereka. Pada peta seperti itu, jarak antara lokus diekspresikan sebagai jarak peta (map distance), (dalam unit dinamakan centimorgan, cM), yang sama dengan 100 kali fraksi rekombinasi. Dengan menghitung fraksi rekombinasi di antara banyak pasangan lokus dalam spesies, kelompok dari lokus terpaut (kelompok keterpautan) menjadi dapat dimengerti. Karena lokus dalam tiap grup adalah terpaut, mereka pasti terletak pada kromosom yang sama.
Inaktivasi
Inaktivasi-X dan kompensasi dosis
Jumlah kromosom seks pada manusia adalah dua buah, dengan kromosom X membawa lokus dan kromosom Y tidak membawa lokus. Bila diperhatikan, wanita akan memiliki lebih banyak lokus dibanding pria, karena memiliki dua jumlah kromosom X. Namun, nyatanya tidaklah demikian, karena salah satu kromosom X mereka dalam proses yang disebut inaktivasi-X.
Pada inaktivasi-X, sebuah kromosom X akan mengecil padat dan sangat kompak yang disbut bentuk Barr (Barr body). Banyak dari gen di daerah ini menjadi tidak aktif karena tidak ditranskripsi.
Seorang wanita yang memiliki dua kromosom X, satu kromosom masing-masing dari orang tua. X mana yang akan inaktif? Inaktif-X terjadi secara random dan prosesnya terpisah selama pembentukan embrio.
Imrpinting
Inaktivasi tidak hanya terbatas pada kromosom X. Imprinting termasukfenomena epigenetic yang menybabkan gen diekspresikan tergantung perilaku orang tuanya. Genomic imprinting adalah proses pewarisan independent yang mengikuti pola pewarisan Mendel. Proses ini melibatkan metilasi DNA danmetilasi histon tanpa mengubah runutan sekuens genetik.
Inaktivasi akibat metilasi
Pada level molekuler, inaktivasi berhubungan dengan penambahan grup metil (CH3) ke molekul sitosin yang terjadi dekat dengan sisi 5´molekul guanin, yaitu inaktivasi terkait dengan metilasi sitosin pada suatu yang disebut CpG island, dimana p kependekan dari ikatan fosfat antaradua basa yang berdekatan. Dalam individu seekor hewan, semua turunandari setiap sel tempat kejadian pertama inaktivasi mempunyai gen ataukromosom inaktif yang sama, karena setelah setiap replikasi dari rangkaianDNA termetilasi, rangkaian baru tersebut secara otomatis termetilasi padatempat CpG yang sama seperti pada rangkaian aslinya. Akan tetapi, pada meiosis atau pada perkembangan embrio awal, pola metilasi diatur kembali. Tidak semua pola metilasi merupakan satu set sepanjang kehidupan hewan. Pada kenyataannya, pada daerah yang dijadikan inaktivasi-X atau imprinting, metilasi CpG island pada promoter merupakan karakter umum dari gen inaktif, dan metilasi merupakan prasyarat untuk transkripsi banyak gen. Jadi metilasi merupakan cara lain gen diregulasi.
Metilasi DNA adalah bagian proses biologis yang berupa penambahan gugus metal (CH3) ke moleku sitosin didekat guanin. Metilasi dapat merubah aktivitas DNA tanpa mengubah sekuensnya. Ketika berlokasi di promotor, metilasi DNA dapat menekan transkripsi gen. Pada mamalia, metilasi DNA berperan dalam perkembangan dan asosiasinya terhadap sejumlah proses penting genomic imprinting, Inaktivasi-X, penekan elemen transposable, penuaan, dan karsiogenesis.
Tipe DNA
Untai sekuens DNA dapat berbentuk berbagai maca, diantaranya adalah
Sekuens unik atau kopi tunggal (single-copy) yang kira-kira membentuk 60-70% dari genom mamalia. Sekuens kopi tunggal ini tersebar di seluruh genomdan proporsi kecilnya merupakan gen
Multiple family yang trediri atas sekumpulan gen yang sangat mirip atau identik, yang jumlah inidividualnya biasanya tersebar di seluruh genom, atau, dalam beberapa kasus, terjadi sebagai sekelompok gen yang berdekatan. Tidaklah mengherankan, gen yang terjadi dalam bentuk multigene family adalah gen yang produknya diperlukan dalam jumlah yang relatif besar, misalnya histon, keratin, kolagen, ribosomal RNA, dan transfer RNA
Repetitive DNA yang terdiri atas kopi-kopi multiple dari sekuen tertentu yang dinamakan unit ulangan (repeat unit), yang ukurannya berkisar dari basa tunggal sampai beberapa ribu basa. Repetitive DNA tampak meningkat kepentingannya dalam tahun-tahun terakhir ini, dengan kenyataan bahwa itu berperan pada beberapa penyakit keturunan yang penting
Transposable genetic element (TGE) atau jumping gene pada satu ujung adalah inverted repeat (atau kadang-kadang direct repeat) dari sekuen pada ujung lainnya. Pada sapi, misalnya, ada satu TGE yang berukuran 611 basa, yang dapat dibaca dari kanan maupun dari kiri
´ GCCGGGGA…TCCCCGGC 3´
3´ CGGCCCCT…AGGGGCCG 5
Ikhsan Suhendro 