Genetika: kromosom, DNA, gene

Genetika adalah suatu ilmu yang mempelajari tentang keturunan. Pada bagian ini akan dibahas garis besar genetika sebagai konsep dasar biologi molekuler. Genetika sebagai suatu disiplin ilmu kaya akan sejarah penemuan dan investigasi mulai dari berbagai molekul (protein, DNA dan RNA), sel, organisme, dan populasi, melalui berbagai pendekatan penelitian. Tidak hanya informasi genetik yang berperan sebagai significant role selama evolusi, tetapi juga pengaruh ekspresi dari peran individual di semua level.  Apabila saat ini era proteonomic telah membuka era baru di dunia IPTEK, maka untuk menuju era proteonomic ini kita perlu mengetahui konsep dasar dari genetika secara molekuler. Mengapa demikian? Karena proteonomic merupakan gabungan kajian protein dan genomic yang menggunakan berbagai teknik analisis modern.

Charles Darwin dengan teori evolusinya mengulas secara lugas dalam buku The Origin of Species tentang seleksi alami selama proses evolusi berlangsung dan buku keduanya Variation in Animals and Plants under Domestication. Evolusi terjadi bukan hanya karena
seleksi alam akibat perubahan lingkungan saja tetapi juga perubahan di tingkat seluler maupun molekuler dari suatu organime. Pengukuran tingkat evolusi pada mulanya hanya diukur tingkat morfologinya saja, tetapi hal ini menyebabkan kekeliruan dalam penentuan filogenetik suatu populasi organisme. Padahal kita tahu bahwa mutasi pada urutan DNA dapat mempengaruhi ekspresi dari protein, baik struktur dan/atau fungsi protein bisa berubah akibat mutasi tersebut.

Gregor Johann Mendel  dengan prinsip segregasi keturunan yang dikenal sebagai Prinsip Mendel mengungkap bahwa gen adalah unit terkecil yang diturunkan dari generasi ke generasi. Gen-gen ini dikemas dalam suatu wahana yang dikenal sebagai kromosom. Segregasi berlangsung secara random dan independen, sehingga diperoleh variasi genetik di dalam suatu populasi. Adanya crossing-over, back-cross, inbreeding atau outbreeding menyumbang terjadinya variabiltas genetik maupun pembentukan gene pool baru dari suatu populasi.

Segitiga trinitas genetika molekuler terdiri dari DNA, RNA dan Protein telah kita kenal sebagai dogma sentral. Molekul DNA sebagai pembawa materi genetik bagi hampir semua mahluk hidup kecuali beberapa virus. DNA diterjemahkan dalam bentuk mRNA kemudian dioleh pada proses translasi untuk produksi protein yang fungsional. Dogma sentral ini berubah sejak penemuan RNA sebagai bahan genetik dari virus dapat membetuk cDNA dengan enzim reverse transcriptase. Kemudian cDNA ini akan melanjutkan sintesis protein seperti normalnya. Penemuan ini menjadi dasar pengembangan teknik Polymerase Chain Reaction (PCR) dalam membuat cDNA secara in vitro dengan teknik reverse transcription Polymerase Chain Reaction (RT-PCR).

Penelitian genetika makin berkembang setiap tahunnya, sejak penemuan double helix DNA dari Watson-Crick, para peneliti semakin tergubah untuk membuka cakrawala baru di bidang genetika molekuler. Penemuan-penemuan enzim-enzim restriksi, teknik-teknik manipulasi gen dan rekayasa genetik, pengembangan kultur sel terutama stem cells culture, pembuatan hewan transgenik dan knockout untuk lebih memperdalam fungsi dari suatu gen, dan akhirnya pengembangan teknik-teknik di bidang proteonomic dan nano technology.

Kromosom, DNA, Gen

Era penemuan materi genetik telah dibuka oleh F Miescher dengan menggunakan mikroskop sederhana, dia telah menetapkan bahwa bahan aktif yang ada di dalam nukleus disebut sebagai nuclein. Peneliti ini belum bisa menetapkan apakah nuclein ini kromosom ataukah DNA. Kromosom ditemukan pada awal abad ke 19 merupakan struktur seperti benang pada nukleus sel eukariot yang nampak pada saat sel mulai membelah. Kromosom berjumlah diploid pada setiap selnya, dan pada autosomal maupun seks-kromosom membawa gen-gen yang berpasangan, kecuali pada kromosom-Y.

Gena adalah unit heriditas suatu organisme hidup. Gen ini dikode dalam material genetik organisme, yang kita kenal sebagai molekul DNA, atau RNA pada beberapa virus, dan ekspresinya dipengaruhi oleh lingkungan internal atau eksternal seperti perkembangan fisik atau perilaku dari organisme itu. Gena tersusun atas daerah urutan basa nukleotida baik yang mengkode suatu informasi genetik (coding-gene region as exon) dan juga daerah yang tidak mengkode informasi genetik (non-coding-gene region as intron), hal ini penting untuk pembentukan suatu protein yang fungsinya diperlukan di tingkat sel, jaringan, organ atau organisme secara keseluruhan.

Molekul DNA membawa informasi hereditas dari sel dan komponen protein (molekul-molekul histon) dari kromosom mempunyai fungsi penting dalam pengemasan dan pengontrolan molekul DNA yang sangat panjang sehingga dapat muat didalam nucleus dan mudah diakses ketika dibutuhkan. Selama reproduksi, Jumlah kromosom yang haploid dan material genetik DNA hanya separoh dari masing-masing parental, dan disebut sebgai genom.

Struktur DNA

Pada tahun 1953, James Watson and Francis Crick telah membuka wawasan baru tentang penemuan model struktur DNA. Publikasi dari model double heliks DNA ini disusun berdasarkan penemuan:

1. Penemuan struktur asam nukleat dari Pauling & Corey
2. Pola difraksi DNA (Single-crystal X-ray analysis) dari Wilkins & Franklin
3. Pola perbandingan jumlah A-T, G-C (1:1) dari Chargaff atau dikenal sebagai Hukum Ekivalen Chargaff:
• Jumlah purin sama dengan pirimidin
• Banyaknya adenin sama dengan timin, juga jumlah glisin sama dengan sitosin.

DNA terbentuk dari empat tipe nukleotida, yang berikatan secara kovalen membentuk rantai polinukleotida  (rantai DNA atau benang DNA) dengan tulang punggung gula-fosfat tempat melekatnya basa-basa.  Dua rantai polinukleotida saling berikatan melalui ikatan hydrogen antara basa-basa nitrogen dari rantai yang berbeda.   Semua basa berada di dalam double helix dan tulangpunggung gula-fosfat berada di bagian luar.  Purin selalu berpasangan dengan pirimidin  (A-T, G-C).  Perpasangan secara komplemen tersebut memungkinkan pasangan basa dikemas dengan susunan yang paling sesuai.  Hal ini bisa terjadi bila kedua rantai polinukleotida tersusun secara antiparalel.

Untuk memaksimumkan pengemasan pasangan basa tersebut, kedua tulangpunggung gula-fosfat tersebut berpilin membentuk double heliks, dengan satu putaran komplementer setiap 10 pasang basa.  Polaritas dari rantai DNA ditunjukkan dengan sebutan ujung 5’ dan ujung 3’. Arah pembacaan basa nukleotida dari ujung-5’ menuju ujung-3’. Jarak antara nukleotida satu dengan berkutnya adalah 3.4 nm.  Ujung 3’ membawa gugus –OH bebas pada posisi 3’ dari cincin gula, dan ujung 5’ membawa gugus fosfat bebas pada posisi 5’ dari cincin gula.

DNA dobel heliks dapat dikopi secara persis karena masing-masing untai mengandung sekuen nukleotida yang persis berkomplemen dengan sekuen untai pasangannya.  Masing-masing untai dapat berperan sebagai cetakan untuk sintesis dari untai komplemen baru yang identik dengan pasangan awalnya.