MATERI GENETIKA PADA POPULASI Populasi dan Penyatuan Gen Populasi adalah kumpulan dari individu-individu yang dihubungkan oleh ikatan perkawinan dan induk, dengan kata lain populasi adalah kumpulan dari individu-individu yang sejenis (1spesies). Ikatan dari induk yang menghubungkan antar anggota pada populasi yang sama selalu ada, tetapi perkawinan selalu tidak ada pada organisme yang reproduksinya secara aseksual. Populasi mendelian adalah kumpulan dari interbreeding, individu yang melakukan reproduksi secara seksual dimana populasi mendelian adalah reproduksi yang melibatkan perkawinan individu. Evolusi adalah bahwa genotip pada individu tidak dapat berubah selama hidupnya, bahkan individu bersifat ephemeral (juga pada beberapa organisme seperti pohon konifer yang mungkin dapat hidup lebih dari beberapa ribu tahun). Kelangsungan dari populasi diatur oleh mekanisme hereditas biologi. Populasi mendelian berfokus pada spesies. Spesies adalah unit evolusi yang bebas. Perubahan genetik menempati pada populasi lokal dapat dikembangkan ke semua anggota spesies yang berbeda. “Gen pools”’ ini adalah pengumpulan dari genotip yang semua individual di sebuah populasi untuk organisme diploid. “Gen pools” pada sebuah populasi dengan N individual terdiri dari 2N haploid genom. Setiap genom terdiri dari semua informasi genetik yang menerima dari satu induk. “Gen pools” ada populasi di N individual ada 2N gen untuk tiap lokus gen dan pasangan N pada kromosom homolog. Variasi Genetik Dan Evolusi Teori modern tentang evolusi didasarkan pada Charles Darwin (18091882) dan teori klasiknya, On The Virgin of Spesies dipublikasikan pada tahun 1859. Kehadiran dari variasi hereditas pada populas alami merupakan titik awal dari pendapat Darwin tentang evolusi melalui suatu proses seleksi alam. Darwin
berpendapat bahwa beberapa variasi hereditas alami mungkin dapat lebih menguntungkan daripada yang lainnya dalam hal bertahan hidup dan reproduksi dalam masa hidupnya. Korelasi langsung diantara sejumlah variasi genetik dalam populasi dan rata-rata perubahan evolusioner oleh seleksi alam telah didemonstrasikan secara matematis dengan baik oleh Sir Ronald A. Fisher dalam Teori Fundamental Seleksi Alam (1930) : rata-rata peningkatan kemapuan populasi pada setiap waktu adalah sebanding dengan kemampuan variasi genetik pada waktu tersebut. Teori Fundamental mengaplikasikan variasi alela pada lokus gen tunggal, dan hanya dibawah kondisi lingkungan tertentu. Akan tetapi korelasi diantara variasi genetik dan kesempatan evolusi secara intuisis telah jelas. Dengan sejumlah besar lokus variabel (berubah-ubah) dan lebih banyak alela yang ada pada masing-masing lokus variabel. Maka semakin besar kemungkinan perubahan frekuensi beberapa alela kepada lainnya. Hal ini tentu saja dibutuhkan, karena akan ada seleksi untuk merubah beberapa sifat dan variasi tersebut akan sesuai dengan perubahan sifat yang terseleksi tersebut. Frekuensi Genotip Dan Frekuensi Gen Variasi dalam kelompok gen adalah ekspresi dalam tiap hubungan frekuensi genotip atau frekuensi fenotip. Sesuai dengan beberapa tujuan untuk menjelaskan variasi pada sebuah lokus yag tidak menggunakan frekuensi genotip tetapi frekuensi alela. Frekuensi alela dapat dihitung dari tiap angka genotip yang telah diteliti atau dari frekuensi genotip. Untuk menghitung frekuensi alel secara langsung dari jumlah genotip, kita hitung secara sederhana jumlah waktu setiap alel yang ditemukan dan membaginya dengan jumlah total gen pada sampel. Frekuensi alel dapat juga dihitung dari frekuensi genotip dengan mengamati sebelum dua gen homozigot diberikan, sebaliknya hanya setengah gen hetrozigot yang diberikan. Penghitungan frekuensi gen ketika jumlah alela pada lokus lebih besar daripada dua yang didasarkan pada aturan sama yang digunakan untuk dua alel:
homozygot membawa dua kopi dari satu alel, heterozigot membawa satu dari setiap dua alel. Contohnya, pada populasi asli D. milistoni, enam perbedaan genotip ditemukan pada lokus lap-5 (gen lap-5 mengkode untuk sebuah enzim leucine aminopeptidase; setiap alel diidentifikasi oleh jumlah pergerakan hubungan polipeptida dibawah elektrophoresis). Frekuensi genotip diperoleh dengan memisahkan/memutuskan beberapa kali masing-masing genotip yang diamati dengan jumlah total genotip. Frekuensi pembagian alel dapat diperoleh dari frekuensi genotip ditambah frekuensi dari homozigot pada alel dan sebagian dari masing-masing. Frekuensi alel juga dapat dihitung dengan menambahkan beberapa kali masing-masing alel yang muncul dan memisahkannya dengan jumlah total gen pada sampel. Dua Model Struktur Populasi Dua hipotesis berlawanan mengenai populasi struktur genetik telah muncul sejak tahun 1940 sampai 1950. Menurut model klasik, kumpulan gen dari sebuah populasi terdiri dari lokus-lokus, lokus pada alel tipe liar (normal) mempunyai frekuensi yang sangat dekat dengan 1, ditambah beberapa alela yang muncul karena mutasi tetapi tetap menjaga frekuensi rendah karena seleksi alami. Individu tipe khusus akan bersifat homozigot dengan alela tipe liar yang dekat pada tiap lokus, tetapi beberapa lokus akan heterozigot terhadap alela tipe liar dan mutan. Genotip ideal “normal” akan menjadi individu yang homozigot terhadap alel tipe liar pada setiap lokus. Evolusi akan terjadi karena pada waktu tertentu alel tertentu akan muncul oleh karena mutasi. Melalui seleksi alam mutan yang benefisial (tertentu) akan mengalami kenaikan frekuensi secara bertahap dan menjadi alel tipe liar baru, dengan pembentuk alel tipe liar akan dikurangi menjadi frekuensi yang sangat rendah. Melihat Variasi Variasi
individual adalah suatu fenomena konsep saat organism dari
species yang sama diteliti dengan baik. Populasi manusia contohnya,
menunjukkan variasi pada bentuk wajah, pigmen kulit, warna rambut, dan bentuk tubuh, tinggi dan berat badan, golongan darah dan hal lainnya. Dari sumber yang terpercaya menyebutkan bahwa variasi genetic dapat dilihat dari eksperimen seleksi buatan. Pada seleksi buatan ini individu dipilih untuk dikawinkan dengan individu dari generasi berikutnya yang menunjukkan ekspresi terbesar dari karakter yang diinginkan. Misalnya , jika kita ingin meningkatkan hasil panen gandum, kita harus memilih tanaman gandum yang dapat menghasilkan panen gandum terbanyak pada setiap generasinya kemudian menggunakan biji tersebut untuk memproduksi generasi berikutnya. Jika populasi yang diseleksi berubah maka jelas bahwa organism asal telah mengandung variasi genetic yang menjadi ciri bawaan. Masalah Pengukuran Variasi Genetik Bukti yang ditunjukkan dalam bagian sebelumnya mungkin menunjukkan bahwa variasi genetik merupakan ada dan dapat terlihat pada populasi alami dan lambat laun ada kemungkinan evolusi dapat berubah tetapi dalam kasus lain kita dapat melihat ke depan dan menemukan beberapa banyak variasi yang ada, misalnya berapakah proporsi dan lokus gen yang mengalami polymorf pada populasi tertentu dan berapakan proporsi semua lokus gen yang heterozigot pada individu tertentu dalam suatu populasi, dalam usaha untuk menyelesaikan msalah ini kita menemukan bahwa metode tradisional dari analisis genetik impose handicap metodologi. Rentetan protein dengan berbagai variasi mengambarkan sample netral dari semua struktur gen dalam organisme. Jika sebuah protein ditemukan sama diantara individu, ini berarti bahwa pengkodean gen untuk protein juga sama, jika proteinnnya berbeda kita mengetahui bahwa gen ini berbeda dan kita dapat mengukur bagaimana perbedaannya, berapa banyak bentuk protein yang ada dan dalam frekuensi apa. Mempelajari langsung rangkaian nukleotida dari sample gen juga sebuah kemungkinan untuk memecahkan masalah. Sebuah gen bisa dirangka sejumlah individu tidak tergantung apakah rangkaian berbeda antar individu.
Menentukan Variasi Genetik Sejak awal tahun 1950 ahli biokimia telah mengetahui bagaimana cara memperoleh rantai asam amino dari protein. Satu cara yang memungkinkan digunakan untuk mengukur variasi genetik dalam sebuah populasi alami memilih sejumlah protein yang cocok, kira-kira dua puluh, tanpa melihat apakah diketahui atau tidak variabelnya dalam populasi, jadi mereka akan mewakili sebuah sampel yang tidak diketahui. Cara tersebut dianggap tidak efektif karena merupakan hal yang sulit dalam memperoleh rantai asam amino dari single protein karena akan membutuhkan
waktu
beberapa
bulan
bahkan
beberapa
tahun
untuk
mengerjakannya. Oleh karena itu, butuh kerja keras untuk specimen 2000 rantai protein dalam menaksirkan variasi genetik bagi masing-masing populasi yang masih dipelajari. Sejak tahun 1960, diperoleh taksiran untuk variasi genetik pada suatu populasi
alami
untuk
bebarapa
organisme
dengan
menggunakan
gel
elektroforesis. Teknik elektroforesis menunjukkan genotip dari individu, misalnya berapa yang homozigot, berapa yang heterozigot dan bagaimana untuk alelanya. Untuk memperoleh perkiraan jumlah variasi dalam suatu populasi, kira-kira 20 lokus gen atau lebih biasanya dipelajari. Hal ini diperlukan untuk meringkas informasi yang dibutuhkan untuk semua lokus dengan cara yang simple yang akan mengekpresikan tingkat perbedaan dari populasi dan akan dibandingkan dari satu populasi dengan populasi lainnya. Hal ini dapat diselesaikan dengan berbagai cara tapi dua langkah dari variasi genetic yang umum digunakan: polymorphisme dan heterozigosity.
Polimorfisme Dan Heterozigositas Polimorfisme populasi merupakan ketidaktepatan kadar variasi genetic yang disebabkan sedikitnya jumlah lokus polimorfik yang tidak sebanyak pada lokus lainnya. Pada lokus yang tepat ada 2 alel dengan frekuensi 0,95 dan 0,05, terhadap variasi lokus lain dengan 20 alel masing-masing frekuensinya 0,05, ternyata lebih banyak variasi genetic ada pada lokus yang kedua daripada yang pertama sebelum dihitung di bawah kriteria polimorfisme 0,95. Heterozigositas populasi merupakan kadar variasi genetic yang lebih dominan oleh sebagian besar populasi secara genetic. Suatu kadar variasi yang baik jika diperkirakan dari dua alel diambil secara acak dari populasi yang berbeda. Masing-masing gamet dari individu yang berbeda membawa alel dari tiap lokus yang dapat dipertimbangkan sebagai sampel acak dari populasi. Heterozigositas tidak terwakili dengan baik ketika jumlah variasi genetik dalam populasi suatu organisme direproduksi melalui fertilisasi sendiri (tidak ada mating yang seperti biasa). Dalam suatu populasi yang bereproduksi melalui fertilisasi sendiri kebanyakan individunya homozigot, meskipun membawa alel yang berbeda jika lokus menjadi factor yang berubah dalam populasi. Jika frekuensi alel pada dua populasi sama, maka akan lebih banyak homozigot dalam populasi tersebut jika mating tidak terjadi. Perkiraan Variasi Secara Elektroforetik Teknik elektroforesis pertama diterapkan untuk menaksir variasi genetik di populasi alami pada tahun 1966. Ketika tiga studi dipublikasikan satu penelitian manusia dan 2 pada Drosophilla. Banyak populasi dari organisme dapat diselidiki mulai saat itu, dan banyak lagi dipelajari tiap tahun. Penelitian dengan elektroforesis mengindikasikan bahwa sekitar 20 gen loci sampel biasanya cukup, perkiraan heterozigositas biasanya berubah sedikit pada jumlah gen loci sampel yang lebih dari 20. Misalnya, nilai H = 0,072 yang diperoleh dari manusia yang menggunakan 26 gen loci sampel. Ketika sampel total sampai 71 loci, maka perkiraan menjadi H = 0,067.
Variasi Genetic pada Populasi Alami Pada umumnya inventebrata mempunyai lebih banyak variasi genetik dari pada vertebrata. Pada kebanyakan manusia, dengan 6,7% keheterozigotannya dapat terdeteksi dengan elektrophoresis. Jika diasumsikan terdapat 30000 lokus gen structural pada manusia, keheterozigotannya seseorang menjadi 30000 x 0,067 = 2010 lokus. Individu secara teoritis dapat menghasilkan 22010 = 10403 Penghitungan mengindikasikan bahwa dua gamet manusia adalah tidak sama atau identik dan tidak ada dua individu manusia yang sekarang, telah ada sebelumnya atau ada di waktu yang akan datang terlihat identik pada gen-gen. Teknik elektrophoresis telah membuat ini mungkin untuk memperkirakan variasi genetic pada populasi alami. Ada dua hal untuk membuat perkiraan yang baik dari variasi genetic: 1.
Bahwa sampel secara acak dari semua lokus gen dipelihara
2.
Bahwa semua alela terdeteksi pada setiap lokus
Mempelajari gen dengan elektrophoresis gen pengkode untuk enzim dan protein yang dapat larut. Seperti gen yang memperlihatkan posisi yang banyak dari genom tetapi terdapat jenis lain seperti gen regulator dan gen pengkode protein yang tidak larut. Elektrophoresis menyebarkan protein pada dasar migrasi beda pada area listrik. Migrasi beda ini terjedi karena perbedaan konfigurasi molekuler dan untuk membedakan muatan listrik. Substansi asam amino dapat terjadi dengan tidak mengubah muatan listrik dari protein atau modifikasi substansi konfigurasi tersebut. Sehingga elektrophoresis hanya mendeteksi sebuah fraksi dari semua perbedaan data sekuen asam amino. Beberapa metode digunakan untuk mendeteksi perbedaan muatan protein yang tidak dikenali dengan teknik standart elektrophoresis. Salah satu metodenya adalah elektrophoresis sekuen terdiri dari elektrophoresis dari sampel yang sama pada berbagai kondisi. Metode lain adalah sampel jaringan atau enzim untuk temperatur yang tinggi. Teknik lain adalah pemetaan protein atau sidik jari protein setelah mencerna tripsin atau beberapa enzim lain yang menghidrolisis polipeptida ke sejumlah kecil peptide yang disubjekkan ke dua kromatograpi dimensional atau kromatograpy pada satu dimensi dan elektroporesis yang lain.
Jumlah variasi mutan yang dideteksi pada lokus adalah dari Drosophila melanogaster dengan tiga metode yang berbeda. Pemetaan protein yang mendeteksi lebih banyak variasi cryptic dari pada teknik yang lain. DNA Polymorphisme Hanya sebagian kecil dari semua perbedaan pada rangkaian DNA yang digambarkan dalam variasi protein. Perbedaan antara codon synonymous (searti) tidak mengubah asam amino yamg dikodekan, dan 90% atau lebih dari DNA menjadi tidak diterjemahkan kedalam protein. DNA yang tidak diterjemahkan termasuk mencampuri antara rangkaian (introns) dan daerah pengkode (exons) seperti rangkaian intergenik yang memisahkan satu gen dari gen berikutnya. Kita mungkin bertanya berapa banyak variasi genetic (perbedaan pada rangkaian DNA) yang ada melebihi yang mempengaruhi rangkaian asam amino dari protein (meskipun banyak dari variasi DNA yang ditambahkan mungkin sedikit yang mempunyai sifat adaptive yang signifikan dari variasi yang berasal dari rangkaian DNA yang dimodifikasi).
