Percobaan Meselson StahlPada tahun 1958 Matthew Meselson dan Franklin Stahl berhasil menunjukkan secara empiris bahwa replikasi DNA berlangsung dengan mekanisme secara semikonservatif. Meselson dan Stahl melakukan eksperimen untuk mengetahui mekanisme replikasi DNA dengan menggunakan bakteri Escherichia coli. Pertama kali, bakteri E. coli ditumbuhkan dalam medium yang mengandung nitrogen berat yaitu isotop 15N selama beberapa generasi. Dengan cara demikian maka molekul DNA induk mempunyai label berupa isotop berat sehingga molekulnya mempunyai densitas yang lebih tinggi dibanding DNA normal. Sel-sel yang molekul DNA-nya sudah berlabel tersebut kemudian dipindahkan ke dalam medium baru yang mengandung isotop nitrogen yang ringan, yaitu 14N. Pada selang waktu tertentu setelah dipindahkan ke medium baru, sampel sel dipanen dan DNA-nya diisolasi. DNA hasil isolasi tersebut kemudian disentrifugasi dengan ultrasentrifugasi gradient CsCl untuk menentukan densitas molekul DNA-nya. Hasil pengukuran densitas DNA yang diisolasi pada generasi E. coli yang berbeda menunjukkan ada perbedaan satu sama lain. Pada generasi pertama, semua DNA mempunyai densitas molekul hybrid, yaitu densitas yang dihasilkan oleh gabungan molekul DNA yang mengandung 15N dan 14N. perlu diingat bahwa sebelum dipindahkan ke medium yang mengandung 14N (yaitu generasi ke 0), kedua untaian DNA induk mengandung isotop 15N. Pada generasi kedua, densitas molekul DNA terdiri atas dua kelompok yaitu yang mempunyai densitas molekul hybrid dan yang mempunyai densitas lebih rendah dibanding dengan densitas molekul hybrid. Kelompok kedua tersebut terdiri atas molekul DNA yang kedua untaiannya mengandung isotop 14N.

Hasil eksperimen Meselson dan Stahl tersebut dengan jelas menunjukkan bahwa molekul DNA anakan terdiri atas satu untai DNA induk dan satu untai DNA hasil sintesis baru sehingga sesuai dengan model replikasi secara semi-konservatif. Hasil eksperimen tersebut kemudian dikonfirmasi lagi dengan eksperimen kedua. Dalam eksperimen ini, molekul DNA hybrid didenaturasi dengan pemanasan pada suhu 100C, kemudian disentrifugasi dalam gradient CsCl. DNA yang sudah didenaturasi tersebut menghasilkan dua pita DNA yang terdiri atas untai-tunggal DNA yang mengandung 15N dan untai-tunggal DNA yang mengandung 14N.

Berdasarkan atas eksperimen seperti yang dijelaskan di atas, dapat diambil kesimpulan bahwa replikasi DNA berlangsung secara semikonservatif. Meskipun demikian, bukti-bukti baru menunjukkan adanya penyimpangan dari teori replikasi semacam ini. Diketahui bahwa mekanisme replikasi DNA pada virus tertentu, misalnya virus X174, yang genomnya berupa DNA untai-tunggal, melibatkan tahapan proses replikasi DNA dengan mekanisme yang berbeda yaitu dengan model konservatif, meskipun hanya pada tahapan tertentu.

Skema eksperimen Meselson dan Stahl

RINGKASAN MATERI

MATERI GENETIKA

Sub Konsep

Percobaan Griffith

Cluster and Repeat

Percobaan Meselson Stahl

Percobaan Griffith Dilakukan oleh Frederick Griffith pada tahun 1928, adalah salah satu percobaan pertama yang memberikan penjelasan tentang adanya gen yang dapat berpindah dan menyebabkan perubahan pada sel tersebut.

Mempelajari penyakit pneumonia pada mamalia.

Dua jenis bakteri Streptococus pneumonia :

1. Tipe Smooth (S) penyebab penyakit (diselubungi kapsul sehingga halus. Ada 3 tipe, tipe I, II dan III)

2. Tipe Rough (R) tidak menyebabkan penyakit (tidak diselubungi kapsul sehingga kasar)

Empat percobaan yang dilakukan oleh Griffith:

1. Tikus mati setelah disuntik dengan kultur bakteri tipe S (bakteri virulen)

2. Tikus tetap sehat setelah disuntik kultur bakteri tipe R (nonpatogen)

3. Tikus tetap sehat setelah disuntik kultur bakteri tipe S yang dimatikan dengan pemanasan 60o C. Kesimpulannya, Bakteri tipe S dapat menyebabkan kematian pada tikus hanya dalam keadaan hidup.

4. Tikus mati setelah diinfeksi 1) bakteri tipe S yang telah dimatikan dengan pemanasan, dan 2) bakteri tipe R. dari hasil otopsi, Griffith berhasil mengisolasi bakteri tipe S dan R dalam keadaan hidup. Griffith menyimpulkan bahwa bakteri tipe R telah tertransformasikan menjadi galur S oleh sebuah prinsip transformasi yang entah bagaimana menjadi bagian bakteri galur S yang mati.

Gambar Skema percobaan Griffith

Cluster and Repeat Kesalahan replikasi atau rekombinasi pada saat duplikasi DNA merupakan pendorong terjadinya evolusi. Kesalahan yang dapat terjadi misalnya translokasi kromosomal, aktivitas transposon, atau akibat serangkaian mutasi.

Satu set gen yang diturunkan melalui duplikasi dan variasi beberapa gen leluhur disebut sebagai keluarga gen (gene family). Gen ini berkumpul pada satu kromosom, atau menyebar pada kromosom yang berbeda. (dapat pula merupakan kombinasi dari keduanya).

Struktur anggota Gen family ini biasanya memiliki fungsi yang saling berkaitan atau bahkan identik. Meskipun saling berkaitan atau bahkan identik gen-gen tersebut kemungkinan diekspresikan pada waktu yang berbeda atau tipe sel yang berbeda.

Sebagai contoh adalah perbedaan jenis protein globin yang diekspresikan pada sel darah embrio dan sel darah dewasa, serta perbedaan jenis aktin yang dimanfaatkan secara berbeda pula pada sel otot dan sel yang bukan otot.

Mekanisme perubahan isi gen pasangan kombinasi alel adalah melalui unequal crossing-over. Pada peristiwa tersebut terjadi rekombinasi kromosom non-homolog. Kondisi tersebut memungkinkan ditemukannya sekuen ulangan. Dengan demikian mengakibatkan terjadinya suatu kemungkinan yaitu adanya pengeluaran urutan.

Mekanisme tersebut bertanggung jawab untuk evolusi dari kelompok yang berhubungan dengan rangkaian.

Salah satu mekanisme penting yang disediakan oleh unequal crossing-over, ketika peristiwa rekombinasi terjadi antara dua kromosom yang tidak homolog.

Hal utama yang membuat peristiwa seperti itu dimungkinkan adanya rangkaian yang berulang. Hal ini memungkinkan satu salinan dari pengulangan dalam satu kromosom ke misalign untuk rekombinasi dengan salinan yang berbeda dari ulangan dalam kromosom homolog, bukan dengan salinan yang sesuai.

Ketika rekombinasi terjadi penghapusan pada satu kromosom rekombinan dan penyisipan pada sisi yang lain.

Mekanisme ini bertanggung jawab atas evolusi kelompok sekuen kromosom terkait.

Cluster Gen Terbentuk oleh Duplikasi dan Divergensi Gen keseluruhan, termasuk ekson dan intron, dapat diduplikasi

Mutasi dapat terakumulasi dalam satu salinan tanpa merugikan seleksi alam. Salinan tersebut kemudian dapat berkembang menjadi fungsi baru, yang akan diekspresikan dalam waktu yang berbeda untuk menghasilkan aktivitas yang berbeda dengan salinan aslinya. Umumnya, hasil duplikasi menghasilkan salinan gen yang mirip dengan cetakannya. Dalam beberapa kasus, salinan-salinan tersebut tetap terkait, dan hasil duplikasinya dapat menghasilkan kelompok gen yang saling berkaitan. Contohnya adalah gen pengkode globin, yaitu protein yang berperan dalam pengangkutan oksigen melalui aliran darah. Semua gen globin berasal dari satu gen leluhur, sehingga dengan menelusuri perkembangan gen pengkode globin pada suatu individu dan membandingkannya dengan spesies yang sama atau berbeda, kita mungkin dapat mempelajari mekanisme yang terkait dengan evolusi keluarga gen tersebut.

Perbedaan Sekuen adalah Dasar dari Jam Evolusi

Sebagian besar perubahan pada sekuen atau urutan protein terjadi akibat mutasi-mutasi kecil yang terakumulasi perlahan, seperti mutasi titik, insersi, dan delesi. Kebanyakan mutasi yang menyebabkan berubahan urutan asam amino akan dihilangkan atau dieliminasi oleh seleksi alam. Bentuk mutasi yang dapat menggantikan gen lama akan menetap dan menyebar pada populasi.

Laju perubahan gen tersebut dapat diukur sebagai persentase perubahan per juta tahun yang merupakan kebalikan dari Unit Evolutionary Period (UEP). UEP dapat ditentukan berdasarkan waktu yang dibutuhkan dalam satuan juta tahun untuk 1% perubahan yang menuju suatu perkembangan.

Ketika suatu spesies mengalami diversifikasi menjadi dua spesies baru yang berbeda, masing-masing spesies tersebut mengalami perkembangan gen yang berbeda. Dengan membandingkan protein-protein yang sesuai dari kedua spesies tersebut, maka kita dapat melihat perbedaan-perbedaan yang telah terakumulasi sejak nenek moyang mereka. Perbedaan tersebut dilihat dari perbedaan posisi asam amino yang dikode oleh urutan asam nukleat yang bersesuaian. Meskipun terjadi silent mutation, mutasi tetap dapat mempengaruhi ekspresi gen lewat perubahan urutan dalam RNA yang dapat mempengaruhi proses perekaman, pengolahan, atau penerjemahan.

Hal tersebut berlaku pula untuk struktur gen yang berkelompok, sehingga dengan membadingkan perubahan struktur gen yang berkelompok pada suatu spesies, maka kita dapat mengetahui laju evolusi spesies tersebut sekaligus untuk mengetahui hubungan taksonomi antar spesies.

Pseudogen merupakan Jalan Buntu dari Evolusi

Pseudogenes merupakan rangkaian yamg terkait dengan gen-gen yang fungsional, tetapi tidak dapat diterjemahkan menjadi protein yang fungsional.

Beberapa pseudogenes memiliki struktur yang umummya sama dengan gen-gen fungsional, dengan urutan-urutan sesuai dengan exon dan intron dalam gen biasa.

Pseudogen dapat terbentuk akibat mutasi yang menghalangi ekspresi gen tersebut.

Beberapa pseudogen semula merupakan gen aktif dan beberapa yang lain sudah merupakan pseudogen sejak awal generasi.

Gen inaktif yang ditemukan saat ini kemungkinan merupakan sisa-sisa dari keseluruhan pseudogen yang dulu ada.

Sebagian besar gen inakrif tersebut kemungkinan telah tereliminasi oleh proses delesi sekuen karena pseudogen tidak dikenali lagi sebagai bagian dari anggota sekuen.

Namun ada mekanisme yang bertanggung jawab atas duplikasi gen, delesi, dan pengaturan ulang yang berlaku untuk semua sekuen yang dikenali sebagai anggota kelompok, meskipun gen tersebut tidak fungsional.

Unequal Crossing-over dapat Menyusun Kembali Cluster Gen Ada peluang untuk terjadi penyusunan ulang gen ke dalam cluster gen yang memiliki keterkaitan atau identik.

Penyusunan ulang ini, merupakan faktor penting dalam evolusi seperti halnya duplikasi dan variasi, sama pentingnya dengan akumulasi perlahan dari mutasi titik pada suatu gen.

Suatu kelompok gen dapat melebar atau mengerut akibat pindah silang yang tidak sebanding. Hal ini berlangsung ketika rekombinasi terjadi antara gen- gen yang bukan alel nya (nonallelic). Biasanya, rekombinasi melibatkan urutan DNA yang sesuai antara dua kromosom yang homolog. Namun, ketika ada dua salinan sebuah gen di masing-masing kromosom, maka pindah silang yang tidak sebanding tersebut dapat terjadi.

Ketika rekombinasi terjadi antara gen yang tidak bersesuain, peristiwa ini menghasilkan kromosomkromosom rekombinan yang salah satunya memiliki gen dengan jumlah lebih banyak sedangkan lainnya memiliki gen yang lebih sedikit. Salah satu akibat dari peristiwa ini adalah penyakit thalassemia. Pengurangan salah satu rantai baik atau globin dapat menyebabkan penyakit tersebut, salah satunya yang terjadi akibat peristiwa pindah silang yang tidak sebanding tersebut.

Gen rRNA Membentuk Unit Pasangan Berulang

Ada perbedaan antara anggota cluster gen yang memungkinkan tekanan selektif untuk bertindak secara independen dengan sejumlah besar kelompok gen yang berisi banyak salinan gen yang identik. Kebanyakan organisme memiliki salinan yang banyak untuk gen yang mengkode protein histon dan RNA ribosomal. RNA ribosomal adalah produk utama transkripsi yaitu sekitar 80-90% dari massa total RNA seluler baik pada prokariota maupun eukariota. Jumlah gen rRNA utama bervariasi dari tujuh pada E.coli, 100-200 pada eukariota rendah, hingga ratusan pada eukariota yang lebih tinggi. Gen-gen untuk rRNA yang besar dan kecil (masing-masing ditemukan pada subunit besar dan kecil pada ribosom) biasanya membentuk sepasang gen.

Di bakteri, beberapa pasangan gen rRNA tersebar sedangkan dalam inti sel eukariotik, gen rRNA yang terkandung dalam sebuah kelompok atau kelompok yang berpasangan. Fitur diagnostik yang penting dari sebuah kelompok dari gen berpasangan adalah bahwa gen tersebut menghasilkan peta pembatas melingkar yang merupakan wilayah inti di mana terjadi sintesis rRNA. Wilayang ini memiliki penampilan khas, dengan inti yang dikelilingi oleh korteks granular. Inti tersebut adalah tempat rRNA yang ditranskripsi dari template DNA, dan korteks granular tersebut dibentuk oleh partikel ribonukleoprotein.

Variasi yang terdeteksi dalam urutan molekul rRNA menyiratkan bahwa semua salinan dari setiap gen pengkodenya identik, atau setidaknya harus memiliki perbedaan di bawah tingkat deteksi di rRNA di bawah 1%. Kurangnya variasi pada ekspresi gen yang berulang ini menunjukkan keberadaan suatu bentuk yang selektif.

Fiksasi Pindah Silang dapat Mempertahankan Pengulangan yang Serupa

Prinsip dasar mekanisme mempertahankan sifat identik selama repeat copies adalah mengumpamakan bahwa gen tak sealel tidak menurunkan sifatnya sendiri tetapi regenerasi selalu terjadi bersambungan dari salah satu salinan generasi sebelumnya. Pada kasus sederhana dari 2 gen identik, ketika mutasi terjadi pada salah satu penggandaan, penggandaan yang lain berpeluang untuk dieliminasi karena sekuen dari salinan yang lain hilang atau menyebar menjadi dua duplikasi karena salinan mutan menjadi dominan. Hasilnya adalah ada dua gen yang terikat menjadi satu dengan satu lokus. Kejadian ini disebut dengan kebetulan atau evolusi yang direncanakan. Hal tersebut dapat diterapkan pada sepasang gen identik atau untuk DNA yang berisi banyak gen.

Model fiksasi pindah silang memprediksi bahwa sekuen DNA manapun yang tidak di bawah tekanan selektif akan memngalami serangkaian penghasil pengulangan identik. Kritik dari asumsi ini adalah bahwa proses fiksasi pindah silang secara wajar relatif cepat selama mutasi sehingga hasil dari mutasi tersebut akan dieliminasi. Pada kasus cluster atau kelompok DNA, faktor lanjutnya adalah seleksi yang terjadi pada sekuen yang ditranskripsi.

DNA Satelit Sering Terdapat pada Heterokromatin

Pengulangan DNA ditentukan oleh cepatnya renaturasi. Komponen yang terrenaturasi secara cepat pada genom eukariotik disebut highly repetitive DNA dan terdiri dari sekuen yang sangat pendek dan berulang serta berpasangan pada suatu kelompok yang besar. Karena terdiri dari unit pendek yang berulang, sekuen DNA ini termasuk sederhana. Tipe ini ada pada hampir semua genom eukariotik tingkat tinggi namun jumlahnya bervariasi. Pada genom mamalia secara umun terdapat 10%, tetapi pada D. virilis contohnya berjumlah hingga 50%.

Pada beberapa kasus, sekuen ini memiliki komposisi basa yang berbeda dari rata-rata genom dan disebut sebagai DNA satelit. DNA ini tidak ditranskripsi atau ditranslasi sama halnya dengan sekuen DNA yang sederhana. Sekuen berulang yang berpasangan adalah sekuen yang mengalami kesalahan penyusunan selama pemasangan kromosom, dan ukuran dari kelompok yang berpasangan cenderung tinggi, dengan variasi antar individu yang lebar. Pada kenyataannya, kelompok sekuen yang lebih kecil seperti ini dapat digunakan untuk menandai genom individu pada teknik DNA fingerprinting.

DNA satelit ditemukan pada daerah heterokromatin. Heterokromatin adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan daerah kromosom yang secara permanen digulung secara ketat dan tidak memiliki daya, berbeda dengan eukromatin yang mengandung banyak genom. Heterokromatin umumnya ditemukan pada sentromer yaitu bagian kinetokor yang terbentuk saat mitosis dan meiosis untuk mengkontrol perpindahan kromosom. Letak sentromer DNA satelit menentukan beberapa fungsi struktural pada kromosom. Fungsi ini dapat dihubungkan dengan proses segregasi kromosom.

DNA Satelit pada Arthropoda dan Mammalia

Pada artropoda, seperti serangga dan kepiting, DNA satelit tampak homogen. Biasanya, unit pengulangan pendek tunggal berjjumlah >90% satelit. Hal ini secara langsung mempengaruhi penentuan sekuen DNA. Drosophila virilis memiliki tiga satelit utama dan juga sebuah satelit yang tersembunyi, dengan jumlah keduanya >40% bagian dari genom.

Sedangkan pada mammalia, sekuen dari masing-masing satelit menunjukkan perbedaan. Sekuen pendek umum terkait dengan sekuen dominan oleh berbagai substitusi, penghapusan, dan sisipan. Namun serangkaian varian dari unit pendek dapat merupakan unit yang berulang dengan beberapa variasi.

Minisatelit Berguna untuk Pemetaan Genetik

Sekuen yang menyerupai satelit dan terdiri dari pasangan yang berulang dari unit pendek, namun secara keseluruhan jauh lebih pendek, yang contohnya terdiri dari 5-50 ulangan, umum ditemukan dalam genom mamalia. Gen ini ditemukan secara kebetulan sebagai fragmen yang ukurannya sangat bervariasi di genom DNA manusia. Variabilitasnya terlihat ketika populasi berisi fragmen dengan berbagai ukuran yang mewakili wilayah genomik yang sama, ketika diperiksa, ternyata ada polimorfisme yang luas dan terdapat alel yang berbeda. Sekuen ini disebut sebagai minisatelit atau VNTR (Variable Number Tandem Repeat).Penyebab dari variasi ini adalah unit pengulangan yang berbeda pada alela suatu individu.

Efek dari variasi pada lokus suatu individu adalah terciptanya suatu pola yang unik untuk setiap individu. Hal ini memungkinkan untuk menetapkan garis keturunan antara orang tua dan anaknya, dengan menunjukkan bahwa 50% dari band di setiap individu yang diturunkan dari orang tua. Ini adalah dasar dari teknik yang dikenal sebagai DNA fingerprinting.

Nama : Muhammad Shobirin

NIM: 140341808629