Genetika Mendel & Non-Mendel

Terminologi

  • P individu tetua
  • F1keturunan pertama
  • F2 → keturunan kedua
  • Gen D gen atau alel dominan
  • Gen d gen atau alel resesif
  • Alel → bentuk alternatif suatu gen yang terdapat pada lokus (tempat) tertentu
  • Gen dominan → gen yang menutupi ekspresi alelnya
  • Gen resesif gen yang ekspresinya ditutupi oleh ekspresi alelnya
  • Heterozigot → Dd
  • Fenotip ekspresi gen yang lansung dapat diamati sebagai suatu sifat pada suatu individu
  • Genotip → susunan genetik yang mendasari pemunculan suatu sifat

Genetika: Ilmu yang mempelajari hereditas

  • Mempelajari bagaimana informasi genetik ditransfer (ditransmisikan) dari satu generasi ke generasi berikutnya.
  • Mempelajari bagaimana informasi genetik diekspresikan oleh organisme pengembannya.

Manfaat:

  • Dapat menjelaskan penurunan/pewarisan sifat (karakter) antar generasi.

Memungkinkan manipulasi genetik dengan persilangan/perkawinan selektif atau perubahan artifisial pada materi genetik untuk menghasilkan makhluk dengan karakter yang diinginkan.

Penurunan/pewarisan karakter (inheritance).
1. Penurunan inbred  ¾® binatang/tanaman satu galur
                                      (inbreeding animals/plants)
Dihasilkan oleh perkawinan organisme dari galur yang sama:
bunga    X   bunga dari satu tanaman (satu pohon)
binatang ♂  X  binatang ♀ dari induk yang sama
Perkawinan/persilangan inbred beberapa generasi menghasilkan galur murni (pure line)  ¾® mempunyai
faktor heriditas (genotip) dan karakter (fenotip) yang sama pada semua generasi.

Galur murni (pure line)  ¾  faktor heriditas dari ayah (paternal) dan ibu (maternal) yang sama (homozigot) diemban oleh semua anggota generasi.

            AA  X  AA                             aa  X  aa
               ↓                                     ↓
            AA   AA  AA         aa  aa  aa 

Persilangan inbred dari organisme homozigot menghasilkan keturunan yang seluruhnya identik.
Binatang inbred (satu galur) dibuat/diciptakan untuk binatang percobaan  ¾® tidak pernah dilakukan pada manusia.

2. Organisme yang berlainan galur bila dipersilangkan
    (cross hybridization) menghasilkan keturunan
    campuran (hibrid) ¾® membawa faktor heriditas
    (genotip) dan karakter (fenotip) dari induk ♂
    maupun induk ♀
                                  AA  X  A1A1
                                                        ↓
                                                      AA1   
Binatang/tanaman hibrid mempunyai fenotip bentuk intermediate (campuran) dari kedua induknya.
Perkawinan inbreeding binatang hibrid secara terus menerus akan menghasilkan galur murni masing-masing genotip.

Faktor heriditas yang menentukan genotip (materi genetik) adalah DNA  ¾ berfungsi sebagai gen ® membawa determinan spesifik yang menentukan karakter suatu organisme.
Gen yang membawa determinan berbeda untuk satu karakter disebut alel.
– kuning & hijau pada biji kacang polong (bean) ¾
  ditentukan oleh 2 alel gen yang mendeterminasi         
  warna biji kacang.
– jangkung & cebol  ¾ ditentukan oleh 2 alel gen
  yang mendeterminasi tinggi badan.

Persilangan antara 1 pasang gen dengan alel berbeda
disebut persilangan monohibrid.
                                                Aa  X  Aa
Persilangan antara 2 pasang gen dengan alel berbeda disebut persilangan dihibrid.
                                         AaBb  X  AaBb

Formulasi Matematika pada Berbagai Persilangan

Persilangan

Macam gamet

Jumlah individu

Macam fenotip

Macam genotip

Nisbah fenotip F

Monohibrid

2

4

2

3

3:1

Dihibrid

4

16

4

9

9:3:3:1

Trihibrid

8

64

8

27

27:9:9:9:3:3:3:1

N hibrid

2n

4n

2n

3n

(3:1)n

  1. Interaksi antar (beberapa) alel dari gen yang sama.

    Suatu alel disebut dominan (A) apabila keberadaannya
    dapat menghambat ekspresi alel pasangannya (a) ® hanya memerlukan 1 alel untuk mengekspresikan fenotip ¾  AA dan Aa mengekspresikan fenotip yang identik (sama).
    Suatu alel disebut resesif (a) apabila ekspresinya dihambat oleh alel pasangannya (A) ® perlu 2 alel untuk mengekspresikan fenotip (aa).

    Genotip yang disusun oleh alel yang sama (identik) disebut homozigot (AA, aa), sedangkan genotip yang disusun oleh alel yang berbeda disebut heterozigot (Aa).

Alel yang dibawa oleh bagian terbesar organisme (terdapat hampir pada semua anggota spesies) disebut alel wild type (wt).

Alel yang ditemukan pada beberapa (sebagian kecil) anggota spesies disebut alel mutan.
Contoh
Alel gen warna mata pada Drosophylla melanogaster
w – alel mutan ® mata putih
W – alel wt      ® mata merah
homozigot wt        ¾  WW  ®  mata merah
homozigot mutan  ¾  ww   ®  mata putih
heterozigot           ¾  Ww  ®  mata merah

Wt tidak selalu menutup ekspresi mutan.
Contoh :
Gen warna bunga :
Alel  wt      – A ® merah
Alel mutan – a ® putih

   AA  ®  bunga merah
   aa   ®  bunga putih
   Aa   ®  bunga merah jambu (pink)
 ®  pembentukan/produksi pigmen merah
      proporsional dengan dosis (jumlah) gen wt.
      Alel wt (A) disebut incomplete dominance atau
      partial dominance.

Alel kodominan → alel dari gen yang sama mengkode protein dengan struktur/karakter berbeda.
Tidak memunculkan sifat antara pada individu heterozigot, tetapi menghasilkan sifat yang merupakan hasil ekspresi masing-masing alel.
Contoh :
1.  Anemia bulan sabit (sickle cell anaemia)
HbsHb– sel dengan gen sickle homozigot membawa
              hemoglobin sickle (abnormal) ® anemia
              berat atau fatal.

HbsHB–  gen sickle heterozigot ® anemia ringan ¾
                mempunyai sel sabit dan sel normal yang
                seimbang.

2.  Golongan darah ABO
Golongan darah A dan B ditentukan oleh antigen (protein) pada permukaan eritrosit yang berbeda & dideterminasi oleh alel yang berbeda
 golongan darah              genotip                antigen
            A                          IAIA                           A
            B                          IBIB                               B
           AB                         IAIB                     AB                           
            O                         IOIO                              O                
            A                          IOIA                              A
            B                          IOIB                              B           

B.  Interaksi alel dari gen yang berbeda.
Gen yang mengintervensi atau menutup ekspresi gen bukan alel pasangannya (nonallelic) disebut gen yang epistatik terhadap gen dimaksud.

Contoh:  gen warna rambut pada tikus
warna wt  ¾  agouti ® campuran pigmen hitam dan 
                                  kuning
varian       ¾  hitam  ® tanpa pigmen kuning
                     albino ® tanpa pigmen sama sekali
hitam dan kuning resesif terhadap agouti

Genetika Mendel
Pola penurunan/pewarisan sifat/karakter diamati dan dideskripsikan oleh Gregor Mendel (1865).

Postulat Mendel :
1. Informasi genetik dibawa/diemban di dalam sel/
    organisme berupa sesuatu yang diskret ® materi
    genetik.
2. Di dalam sel, materi genetik ada dalam keadaan
    berpasangan & akan bersegregasi pada waktu    
    pembentukan gamet dan ber-reunifikasi
    (berpasangan kembali) secara bebas pada waktu
    fertilisasi.

Persilangan alel tanpa dominansi (dominansi parsial)
                               AA    X     aa
                               round        ¯     wrinkle                                 
                                                             
                                                            
                                                        pollen
 
 (F1)       seed             

Fertilisasi sendiri (inbred) antar anggota generasi F1

                                                Aa  X   Aa

                                            ¯

                                AA   Aa    Aa    aa
                                  1   :     2    :      1

                 25%   ciri parental
                 50%   ciri intermideate
                 25%   ciri parental

Persilangan antara 2 alel dengan dominansi ® A dominan terhadap a

                                       AA     X      aa
                                 round                   wrinkle
                                                   
¯
         (F1)                Aa      fertilisasi sendiri
                              round
                                         
¯
              (F2)     AA     Aa     Aa     aa
                            round       round      round      wrinkle

        rasio fenotip                3 : 1                     

Keturunan yang membawa alel dominan (A) ® mengekspresikan ciri dominan yang identik.
Keturunan yang membawa 2 alel resesif ® mengekspresikan ciri-ciri parental resesif.

Persilangan melibatkan dua alel berbeda (persilangan dihibrid) ® melihat penurunan 2 ciri genetik bersamaan

                                    AABB    X     aabb
                         round yellow   wrinkle green
                                               
¯
     (F1)                                    AaBb          self fertilization                                                      round yellow
                                                   
¯
     (F2)   (AA + 2Aa + aa) x (BB + 2Bb + bb)
                9 A_B_  :  3 A_bb  :  3 aaB_  :  1 aabb
Komposisi genotip generasi F2 adalah kombinasi dari distribusi genotip masing-masing karakter.

Generasi F2 pada persilangan dihibrid terdiri dari 4 fenotip
2 fenotip identik seperti pada generasi pertama (P1)
2 fenotip baru  ® rekombinan alel round green dan
                          wrinkle yellow
Fenotip baru terjadi karena ada penurunan secara random pada lokus yang membawa alel bentuk dan warna (biji kacang polong).

Mendeterminasi genotip F1 yang membawa 2 pasang alel heterozigot ® lakukan silang balik (backcross)  ¾  silangkan anggota F1 dengan induk (P1) resesif.

                             AaBb   X    aabb
genotip mula-mula (parental) : genotip baru (novel)
                                       =   1 :  1       

Testcross  ¾ mendeterminasi individu yang belum diketahui genotipnya (membawa alel resesif)
® silangkan genotip yang belum diketahui dengan genotip yang resesif kedua alelnya (double recessif)

                               AaBB   X   aabb
Genetika non-Mendel ¾ Modifikasi hukum Mendel
Beberapa sistem penurunan/pewarisan dapat terjadi sebagai pengecualian (penyimpangan) cara/hukum Mendel dalam hal segregasi dan penyatuan alel secara random.

Alel lethal
Alel yang berimplikasi pada kemampuan hidup (survival) individu yang mengemban alel tersebut ® organisme (individu) yang mengemban alel homozigot akan mati ® mengubah rasio Mendel

Contoh :

Ayam creeper mempunyai (menderita) sayap dan cakar yang tidak berkembang (vestigial). Apabila 2 ayam creeper disilangkan, akan dihasilkan generasi ke-2 terdiri dari 2 ekor creeper dan seekor ayam normal (bukan 3 : 1).

Alel creeper (C) dominan pada ekspresi sayap dan cakar, tetapi resesif pada viabilitas (kemampuan hidup) ayam.
                        CC – lethal, mati sebelum menetas
                        Cc  – ayam creeper
                        cc   – ayam  normal, berkembang hingga
                         dewasa
Achondroplastic dwarfism  ¾ menderita lengan & kaki pendek (cebol), membawa alel heterozigot (Xx).
Bila 2 penderita achondroplasia menikah (Xx  X  Xx) ® satu diantara 4 anaknya meninggal sebelum lahir atau segera setelah lahir.
XX – meninggal karena achondroplastik akut
Xx  – dapat hidup dengan lengan & kaki tidak
          berkembang (cebol)
xx  – normal tanpa cacat lengan & kaki

Pewarisan sitoplasmik (cytoplasmic inheritance)
Mitokhondria adalah organel yang memiliki DNA otonom (bebas dari DNA genom). Pada waktu fertilisasi kepala sperma berpenetrasi ke dalam ovum dan meninggalkan bagian lain (ekor) yang mengandung mitokhondria di luar sel (ovum).
® zigot hanya mendapat mitokhondria dari ovum (maternal) ¾ DNA mitokhondria diturunkan menurut garis maternal : dari ibu ke anak,
                       dari anak perempuan ke cucu, dst.
 Ex : MELAS – Myoclonic Epilepsy Lactic acidosis and
                        Stroke like episode.
        LOHN –  Lebehr’s Hereditary Optic Neuropathy

Penurunan rangkai sex (sex linked inheritance)
Alel (gen) yang menempati lokus pada khromosom sex
meskipun mengekspresikan determinan non-sexual disebut “terangkai sex”.
Penurunan terangkai X
alel resesif ditransmisikan dari wanita (ibu) carrier ke anak laki-lakinya, atau dari isteri carrier dan suami penderita ke sebagian anak-anak perempuannya dan sebagian anak laki-lakinya.
Contoh : hemofilia rangkai X
XnXh   X   XnY                          XnXh    X     XhY
          ↓                                                ↓
        XhY                            XnXh          XhXh         XhY

Penurunan secara Mendel (Mendelian inheritance) pada manusia
Penurunan dominan (dominant inheritance – manifest inheritance) ® Keberadaan suatu gen (pada individu) selalu diikuti expresi (manifestasinya).
1. Anonychia — Kuku pada sebagian atau semua jari tangan dan kaki tidak terbentuk atau rudimenter. Orang tua anonychia akan menurunkan kelainan tsb ke beberapa (sebagian) anak-anaknya.
2. Huntington disease ¾ degenerasi gradual sistem
syaraf ® menyebabkan kelumpuhan & kematian dini.
Setiap penderita mempunyai sekurang-kurangnya salah satu orang tua menderita penyakit yang diturunkan.        

3. Faktor Rhesus (Rh)
Kelinci diimunisasi eritrosit kera Macaca rhesus ®
anti Rh (Ab).
Rh Ab  +  darah Rh(Kaukasia)  ¾®  aglutinasi (+)
Rh Ab  +  darah Rh- (non-Kaukasia) ¾® aglutinasi (-)
 Rh+ dominan terhadap Rh-
 Rh+ Rh+   X   Rh- Rh-
                 ↓
            Rh+ Rh- (anemia hemolitik / eritroblastosis
                                    fetalis)
Anak (Rh+) diturunkan oleh orangtua (Rh+), orangtua (Rh-) tidak pernah melahirkan anak (Rh+).  

Penurunan resesif (recessive inheritance) ® penurunan
faktor heriditas dari kedua orang tua.
1. Albino (albinism) — tidak terbentuk pigmen pada
    kulit, rambut & mata ® rambut putih, mata
    kemerahan & kulit pucat. Diikuti malfungsi mata :
    nystagmus, refraksi tidak sempurna & fotopobia.
    Hampir semua penderita albinism diturunkan (anak)
    dari kedua orang tua yang normal.

3. Cystic fibrosis   ¾  Kelainan kelenjar eksokrin
    – memproduksi mukus (sekret) sangat pekat.
    – kandungan NaCl tinggi pada keringat.
    – efek pada saluran pernafasan ¾ mudah terinfeksi
       ® meninggal pada usia muda.
    Orang tua normal mungkin mempunyai anak cystic
    fibrosis.
    Orang tua yang mempunyai anak cystic fibrosis,
    kemungkinan mempunyai anak cystic berikutnya
    adalah ¼.
                                  Aa  X  Aa
                                        ↓
                                AA  Aa  Aa  aa