28 November/ 1Desember 2011 Tatap Muka 10: Heredity V
XIII. Bioteknologi (Biotechnology) Diambil dari Campbell et al (2009), Biology 8th Pada tahun 1995, untuk pertama kalinya para ilmuwan menyelesaikan keseluruhan sekuen genom satu organisme yaitu bakteri haemophilus influenzae. Pada tahun 2007, para peneliti telah mampu menyelesaikan sekuen genom ratusan organisme prokariot dan puluhan organisme eukariot termasuk sejumlah tiga milyard pasang basa pada genom manusia. Capaian ini mendorong majunya teknologi DNA yaitu suatu metode untuk memanipulasi DNA yang berakar dari penelitian di tahun 1970an. Keberhasilan yang merupakan kunci adalah penemuan tentang teknik membuat rekombinasi DNA yaitu pembuatan molekul DNA yang berasal dari segmen DNA dengan sumber yang berbeda (dua spesies yang berbeda). Bab ini akan terfokus pada teknologi DNA, dan pengaruh bioteknologi terhadap kehidupan, dengan konsep kunci: 1. DNA cloning yields multiple copies of a gene or other DNA segment 2. Cloning organisms may lead to production of stem cells for research and other application 3. The practical applications of DNA technology affect or lives in many ways Kompetensi yang diharapkan dicapai mahasiswa adalah ________________________________________________________________________ 1. Mahasiswa mampu menerangkan fungsi restriction enzymes 2. Mahasiswa mampu menyusun outline prosedur cloning gen eukariotik pada plasmid bacteria 3. Mahasiswa mampu membedakan gene cloning, dan cell cloning, dari organismal cloning 4. Mahasiswa mampu mendeskripsikan aplikasi DNA technology dalam mendiagnosis genetic disease, dan perkembangan gene therapy ________________________________________________________________________
1. DNA cloning yields multiple copies of a gene or other DNA segment DNA Cloning and Its Application: A Preview Metode pengkloningan segmen DNA di laboratorium memiliki cara yang umum. Salah satu pendekatan yang dilakukan adalah dengan menggunakan bacteria (sering kali dengan bakteri Eschericia coli). Kromosom E. coli tersusun atas molekul DNA berbentuk sirkuler besar. Selain itu, E. coli memiliki plasmid yaitu molekul DNA berbentuk sirkuler kecil yang mampu bereplikasi secara terpisah dari kromosom bakteri. Plasmid hanya tersusun atas sejumlah kecil gen. Gen-gen ini diduga berguna jika bakteri berada
171
pada lingkungan tertentu tetapi gen-gen tersebut pada umumnya tidak dibutuhkan untuk reproduksi atau bertahan hidup (survival). Untuk mengkloning segmen DNA di laboratorium, para peneliti mengisolasi plasmid dari sel bakteria dan menyisipkan DNA yang berasal dari sumber berbeda (DNA ”asing”) ke plasmid (Figure 20.2). Plasmid yang telah disisipi DNA asing tersebut
menjadi molekul DNA rekombinan. Plasmid yang disisipi ini kemudian dikembalikan ke dalam sel bacteria (disebut bakteri rekombinan). Bakteria ber sel tunggal ini akan bereproduksi melalui pembelahan sel sehingga membentuk klone sel (populasi sel yang identik secara genetik). Karena bacteria yang membelah melakukan replikasi plasmid rekombinan yang berada dalam tubuhnya dan diwariskan kepada keturunannya, maka 172
DNA asing dan gen yang dibawanya juga dikloning secara bersamaan. Produksi gen tunggal dengan cara tersebut dikenal sebagai cloning gen. Kloning gen pada umumnya digunakan untuk dua tujuan dasar, yaitu: untuk membuat salinan yang banyak terhadap gen tertentu, dan untuk menghasilkan produk protein. Salinan (copy) dari gen yang diklone dapat diisolasi dari bacteria untuk digunakan dalam penelitian dasar atau untuk menambah kemampuan organisme dengan kemampuan metabolic baru, seperti tumbuhan yang resistens terhadap hama. Gen resisten yang terdapat pada spesies tumbuhan tertentu dapat diklone kemudian ditransfer pada tumbuhan lain. Protein untuk kepentingan pengobatan, seperti hormone pertumbuhan dapat diambil dalam skala besar dari kultur bacteria yang membawa gen yang diklone untuk menghasilkan protein.
Using Restriction Enzymes to Make Recombinant DNA Kloning gen dan rekayasa genetika bergantung pada penggunaan enzim pemotong molekul DNA. Enzim ini disebut enzim restriksi. Enzim restriksi melindungi sel bacteria dengan cara memotong DNA asing dari organisme lain (phage). Ratusan enzim restriksi telah ditemukan. Masing-masing sangat spesifik, hanya mengenal bagian tertentu dari sekuen DNA yang pendek (disebut restriction site – sisi restriksi) dan memotong kedua untai DNA pada lokasi yang tepat dalam sisi restriksi. Bagian atas dari Figure 20.3 menggambarkan sisi restriksi yang dikenali oleh enzim restriksi E. coli. Hasil pemotongan oleh enzim restriksi menghasilkan fragment restriksi. Fragment restriksi (dua untai) memilki paling tidak satu untai akhir yang disebut sticky end. Sticky end dapat membentuk ikatan dengan sticky end komplemen dari molekul DNA lain. Asosiasi dua fragment tersebut bersifat sementara dan akan dikuatkan menjadi ikatan permanent oleh DNA ligase.
173
2. Cloning organisms may lead to production of stem cells for research and other application Sejalan dengan meningkatnya kemajuan teknologi DNA, para ilmuwan telah mengembangkan dan memperbaiki metode untuk mengkloning keseluruhan organisme multiseluler dari sel tunggal. Dalam konteks ini cloning menghasilkan satu atau lebih organisme identik secara genetic terhadap induk yang mendonorkan selnya. Hal ini sering disebut dengan cloning organisme untuk membedakannya dengan cloning gen dan
174
cloning sel. Ketertarikan terhadap cloning organisme pada umumnya muncul karena potensinya dalam menghasilkan stem cell yang pada akhirnya akan menghasilkan bermacam-macam jaringan. Kloning hewan dn tumbuhan muncul sekitar 50 tahun lalu untuk menjawb pertanyaan biologi yang mendasar. Sebagai contoh, apakah seluruh sel dalam satu organisme memiliki gen yang sama, atau apakah sel kehilangan gen tertentu selama proses diferensiasi. Salah satu cara untuk menjawab pertanyyan tersebut adalah dengan melihat apakah sel yang telah tersedeferensiasi mampu menghasilkan keseluruhan organisme.
Cloning Plants: Single-Cell Cultures Kisah sukses pengkloningan tumbuhan dilakukan oleh F.C. Steward dan muridmuridnya tahun 1950an di Cornell University dengan menggunakan tanaman wortel (Figure 20.16). Mereka menemukan bahwa sel akar wortel yang telah terdeferensiasi, dan diinkubasikan pada medium pertumbuhan dapat tumbuhg menjadi tanaman wortel dewasa yang normal dan memiliki gen identik dengan induknya. Hasil ini menunjukkan bahwa diferensiasi sel masih mampu memunculkan gen pada DNA yang semula tidak aktif (off). Pada tumbuh-tumbuhan, sel dewasa dapat terdeferensiasi dan menghasilkan tipe sel terspesialisasi dari suatu organisme. Sel yang memiliki potensi demikian disebut sel yang totipotent.
175
Cloning Animals: Nuclear Transplantation Sel hewan yang telah terdeferensiasi pada umumnya tidak membelah dalam kultur pertumbuhan, sehingga dilakukan dengan pendekatan yang berbeda. Pendekatan ini dilakukan dengan memindahkan nucleus sel telur dan menggantikannya dengan nucleus dari sel yang telah terdeferensiasi. (prosedur oini disebut transplantasi nucleus). Jika nucleus dari sel donor yang terdeferensiasi msasih memiliki kapabilitas genetic yang utuh, maka nucleus donor ini akan mampu mengarahkan perkembangan sel resipien menjadi jaringan dan organ. Percobaan semacam ini telah dilakukan oleh Briggs dan King tahun 1950an, serta oleh Gurdon tahun 1970an dengan menggunakan katak. Nukleus dari sel embrio atau sel kecebong ditransplantasikan ke sel telur yang tidak memiliki nucleus dari spesies yang sama. Dalam percobaan Gurdon, nucleus transplant mampu mengendalikan perkembangan hingga menjadi kecebong. Gurdon memenukan bahwa nucleus transplant yang mampu mengendalikan pertumbuhan normal dipengaruhi oleh usia donornya: semakin tua nucleus donor maka semakin sedikit persen pertumbuhan normal katak menjadi kecebong. Dari hasil tersebut Gurdon menyimpulkan bahwa factor di dalam nucleus berubah ketika sel mengalami diferensiasi. Reproductive Cloning in Mammals Pada tahun 1997, ilmuwan dari Skotlandia mengumumkan kelahiran domba Dolly, domba yang diklone dari domba dewasa dengan transplantasi nucleus dari sel terdeferensiasi (Figure 20.18). Pada tahun 2003 (usia 6 tahun) Dolly mengalami komplikasi penyakit paru-paru yang umumnya menjangkit domba usia tua. Kematian Dolly yang premature dan kondisi
176
artritisnya, mengarahkan ilmuwan berspekulasi bahwa sel-sel Dolly tidak sesehat seperti pada domba normal, dan diduga karena reprograming yang tidak sempurna dari nukleus transplant.
177
Stem Cells of Animals Tujuan utama dari cloning embrio manusia bukanlah untuk reproduksi tetapi memproduksi stem cell untuk pengobatan. Stem cell adalah suatu sel yang belum terspesialisasi yang mampu mereproduksi dirinya sendiri tanpa batas namun dalam kondisi yang tepat dapat terdeferensiasi menjadi sel-sel terspesialisasi. Sebagian besar embrio hewan mengandung stem cell yang mampu menghasilkan sel embrio terdeferensiasi. Stem cell dapat diisolasi dari tingkat blastula pada perkembangan embrio (Figure 20.20). Di dalam kultur, sel embryonic stem (ES) memperbanyak diri; dan tergantung dari kondisi kultur, EC dapat terdeferensiasi menjadi berbagai sel terspesialisasi. Tubuh dewasa juga memiliki stem cell, yang berfungsi mengganti sel terspesialisasi yang tidak bereproduksi. Tidak seperti ES, stem cell dewasa tidak mampu menghasilkan seluruh tipe sel organisme, walaupun mampu terdeferensiasi menjadi beberapa tipe sel. Sebagai contoh, salah satu tipe stem cell pada bone marrow mampu menghasilkan beberapa jenis sel darah, tulang, tulang rawan, sel lemak, dan otot. Otak dewasa diketahui memiliki stem cell yang terus menghasilkan berbagai sel saraf. Akhirakhir ini, dilaporkan penemuan stem cell di kulit, mata, dan dental pul.
178
3. The practical applications of DNA technology affect our lives in many ways Medical Application Salah satu penggunaan teknologi yang penting adalah identifikasi gen manusia yang bermutasi dan berperan dalam menimbulkan penyakit-penyakit genetis. Penemuan ini membuka jalan bagi diagnose, treatmen, dan bahkan pencegahan munculnya penyakit genetic. Teknologi DNA juga memberikan sumbangan terhafdap penyakit-penyakit nongenetic seperti AIDS, karena gen manusia mempengaruhi kepekaan terhadap penyakit ini. Lebih jauh lagi, seluruh penyakit terlibat dalam perubahan expresi gen. Dengan menggunakan microarray assay atau teknik lain untuk membandingkan expresi gen pada jaringan sehat dan jaringan sakit, dapat ditemukan gen-gen yang on atau off pada penyakit tertentu. Gen-gen tersebut dan produk yang dihasilkan merupakan target potensial dalam mencegah penyakit atau dalam terapi penyakit.
179
Human Gene Therapy Terapi gen (menyisipkan gen ke dalam individu untuk tujuan terapi) memiliki potrensi besar dalam menangani kelainan yang disebabkan oleh gen yang rusak. Dalam teori, alel normal (dari gen yang telah rusak) dapat disisipkan ke dalam sel somtik jaringan yang sakit. Agar terapi sel somatic bersifat permanent, maka sel-sel penerima alel normal tersebut haruslah sel-sel yang dapat memperbanyak diri sepanjang hidup organisme. Selsel tersebut adalah sel bone marrow. Figure 20.22 menggambarkan prosedur terapi gen untuk individu yang tidak mampu menghasilkan enzim tertentu karena gen yang cacat.
180
Pharmaceutical Products Protein Production in Cell Culture. Diantara produk farmasi, yang pertama diproduksi melalui teknologi DNA/rekayasa genetika adalah insulin manusia dan hormone pertumbuhan manusia. Kurang lebih 2 juta manusia penderita diabet di US tergantung pada insulinuntuk mengendalikan penyakitnya. Hormon pertumbuhan juga telah diberikan untuk anak-anak yang lahir dengan dwarfism yang disebabkan kekurangan hormone pertumbuhan. Produk farmasi lain yang penting adalah tissue plasminogen activator (TPA) yang dapat diberikan pada orang yang mengalami serangan jantung awal. TPA mampu melarutkan gumpalan darah pada pembuluh sehingga mengurangi serangan selanjutnya. Sel dalam kultur juga dapat digunakan untuk menghasilkan vaksin, yang mampu menstimulasi sistem imun. Patogen pada umumnya memiliki satu atau lebih protein pada bagian permukaannya yang mampu memicu respon imun untuk melawan. Jenis protein ini dapat dibuat melalui teknik DNA rekombinan. Rekayasa genetika juga dapat digunakan untuk memodifikasi genom patogen sehingga menghasilkan patogen lemah yang berfungsi sebagai vaksin hidup. Protein Production by ”Pharm” Animals and plants. Dalam beberapoa kasus ilmuwan menggunakan individu hewan. Ilmuwan menyisipkan gen dengan genotif lain ke dalam genom individu dari spesies berbeda (individu ini disebut hewan transgenic). Sel-sel telur diambil dari induk betina resipien, kemudian difertilisasi in vitro. Sementara itu kloning gen yang dibutuhkan dari organisme donor juga disiapkan. Kloning DNA tersebut disuntikkan secara langsung ke dalam nukleus telur yang telah difertilisasi. Sebagian dari sel-sel telur tersebut mengintegrasikan DNA asing yang diinjeksikan ke dalam genomnya dan mampu mengexpresikan gen asing. Embrio yang telah direkayasa ini kemudian di-implant-kan ke dalam induk angkatnya. Jika gen yang disisipkan tadi mampu menghasilkan produk dalam jumlah besar, maka hewan transgenik tersebut bertindak sebagai ”pabrik” farmasi. Sebagai contoh, transgen protein darah manusia seperti antithrombin dapat disisipkan ke dalam genom kambing sedemikian rupa sehingga produk transgenik diseskesikan ke dalam susu kambing (Figure 20.23). Protein tersebut dapat dimurnikan dari susu kambing.
181
Industri farmasi juga telah mulai mengembangkan tumbuhan ”pharm”. Walaupun secara alamiah tumbuhan merupak sumber obat-obatan, namun para ilmuwan menciptakan tanaman yang mampu menghasilkan protein manusia untuk tujuan pengobatan dan pembuatan vaksin. Pada tahun 2007, pemerintah US menyetujui perencanaan untuk menanam lebih dari 3000 are padi transgenik yang membawa gen protein susu. Protein yang dihasilkan akan digunakan untuk membuat formula rehidrasi untuk mengobati diare pada bayi.
Agricultural Application Animal Husbandry. DNA teknologi mampu menghasilkan hewan transgenik yang mampu mempercepat proses breeding selektif. Tujuan dibuatnya hewan transgenik serupa dengan tujuan breeding selektif yang dilakukan secara tradisional. Sebagai contoh membuat domba dengan kualitas wool yang lebih baik, babi dengan lemak yang lebih sedikit, sari yang dewasa dalam waktu leboh singkat. Contoh lain, para ilmuwan mengidentifikasi dan mengkloning gen yang dapat menyebabkan perkembangan otot lebih besar (otot menjadi daging yang sering dikonsumsi) pada sapi, kemudian menyisipkannya pada kambing atau hewan lain. Masalah yang sering dihadapi adalah fertilitas hewan transgenik yang rendah dan kerentanannya terhadap serangan penyakit. Kesejahteraan dan kesehatan hewan merupakan hal yang perlu diperhatikan dalam pengembangan hewan transgenik. Genetic Engineering in Plants. Para ilmuwan telah memasukkan sejumlah gen pada beberapa tanaman seperti gen yang mampu menunda pemasakan buah, gen resisten terhadap penyakit dan pembusukan. Tumbuhan lebih mudah direkayasa secara genetika dari pada hewan. Banyak spesies tumbuhan yang dapat dikultur menjadi tumbuhan dewasa berasal dari sel tunggal yang ditumbuhkan pada media pertumbuhan. Jadi,
182
manipulasi genetik dapat dilakukan pada sel somatik. Sel kemudian akan menghasilkan organisme dengan sifat baru. Vektor yang sering digunakan untuk mengintroduksi gen baru pada tanaman adalah plasmid yang disebut Ti plasmid yang berasal dari Agrobacterium tumefaciens. Plasmid ini mengintegrasikan segmen DNA-nya ke dalam DNA kromosom sel tanaman inang. Figure 20.25 menyajikan metode penggunaan Ti plasmid untuk menghasilkan tumbuhan transgenik.
183
RINGKASAN
Kloning DNA dan teknik lain yang secara kolektif disebut teknologi DNA dapat digunakan untuk memanipulasi dan menganalisis DNA, dan untuk menghasilkan produk baru yang bermanfaat serta menghasilkan organisme. Enzim restriksi bakteri dapat memotong molekul DNA pada sekuen yang pendek dan spesifik untuk menghasilkan untai ganda fragmen DNA yang memiliki sticky end pada salah satu untainya. Ujung tersebut merupakan pasangan dari fragmen moleuk DNA lain. DNA ligase memeperkuat ikatan fragmen-fragmen tersebut sehingga menghasilkan molekul DNA rekombinan. Sel terdeferensiasi dari tumbuhan dewasa seringkali mampu menghasilkan tumbuhan baru yang lengkap Nukleus dari sel hewan terdeferensiasi yang berbeda kadang-kadang mampu menghasilkan hewan baru jika ditransplantasikan ke dalam sel telur tak bernukleus Stem cell tertentu dari embrio hewan atau jaringan dewasa dapat bereproduksi dan berdiferensiasi secara in vitro mauoun in vivo, dan merupakan potensi yang menjanjikan bagi dunia pengobatan. Tujuan dari pengembangan hewan dan tumbuhan transgenik adalah untuk meningkatkan produktivitas pertsanian dan kualitas pangan
QUIZ 1. Suatu sel yang mampu menghasilkan satu organisme baru yang lengkap adalah a. sel potensial b. sel multipoten c. sel totipoten d. sel kompeten 184
2. Dalam metode rekombinasi DNA, istilah vektor mengacu pada a. enzim pemotong fragmen DNA b. ujung fragmen DNA yang memiliki pelekat c. marker yang membawa DNA d. plasmid yang mentransfer DNA 3. Sel mampu bereproduksi sendiri dan terdeferensiasi menjadi beberapa tipe sel pada kondisi yang tepat a. nuclear cell b. blastula cell c. stem cell d. potential cell 4. Enzim yang berfungsi untuk memotong molekul DNA adalah a. enzim ligase b. enzim restriksi c. enim restriksi nuclease d. enzim endoneclease 5. Rekombinasi DNA dapat terjadi a. secara alami b. secara buatan c. hanya pada spesies dalam satu famili d. a dan b benar
185
XIV. Genom Manusia (Genomes and Their Evolution) Diambil dari Campbell et al (2009), Biology 8th
Simpanse (Pan troglodytes) merupakan kerabat terdekat manusia dalam pohon kehidupan evolusi. Genom simpanse di-sekuen pada tahun 2005, dua tahun setelah genom manusia sebagian besar di-sekuen. Pada saat ini tiap-tiap basa dalam genom manusia dan genom simpanse sudah dapat dibandingkan sehingga perbedaan informasi genetic yang membedakan karakter dua spesies tersebut dapat dikaji. Selain men-sekuen genom manusia dan simpanse, para peneliti telah berhasil mendapatkan sekuen lengkap bacteria E. coli dan organisme prokariot lain, eukariot, nematoda, lalat buah, tikus rumah. Dengan banyaknya genom organisme yang telah disekuen secara lengkap, para ilmuwan dapat mempelajari keseluruhan set dari gen dan interaksinya (pendekatan ini disebut genomics). Upaya sekuen yang dilakukan untuk memenuhi pendekatan genomics telah dan terus-menerus menghasilkan data yang sangat besar. Kebutuhan untuk menangani dat asangat besar ini telah melahirkan bioinformatics, yaitu suatu aplikasi dari metode computer untuk menyimpan dan menganalisis data biologi. Dalam bab ini akan dibahas dua konsep kunci yaitu: 1. Genomes vary in size, number of genes, and gene density 2. Multicellular eukaryotes have much noncoding DNA and many multigene families. Kompetensi yang ingin dicapai adalah: ________________________________________________________________________ 1. Mahasiswa mampu menerangkan bagaimana linkage mapping, physical mapping, dan DNA sequencing memberikan kontribusi pada Human Genome Project 2. Mahasiswa mampu mendeskripsikan penemuan mengejutkan dari Human Genome Project tentang ukuran human genome ________________________________________________________________________
186
New approaches have accelerated the pace of genome sequencing Sekuen genom manusia bermula dari Human Genome Project tahun 1990. Proyek ini diorganisir oleh konsorsium ilmuwan international yang melibatkan 20 pusat sekuen di enam negara ditambah dengan laboratorium lain yang bekerja pada proyekproyek kecil. Sesudah sekuen genom manusia sebagian besar selesai tahun 2003, sekuen dari tiap-tiap kromosom manusia secara cermat dianalisis dan dipublikasikan . Publikasi terakhir adalah tentang kromosom 1 dipublikasi tahun 2006. Untuk mencapai langkah besar ini, proyek menyusun tiga level yang dalam tiap levelnya memberikan gambaran lebih detail tentang genom manusia: lingkage mapping, physiucal mapping, dan DNA sequencing. Three-stage approach to genome sequencing Sebelum Human Genom Project dimulai, penelitian awal sudah mengarah pada gambaran organisasi genom dari berbagai organisme. Sebagai contoh, kariotipe berbagai spesies menunjukkan jumlah kromosom dan pola pita. Beberapa gen juga telah berhasil ditemukan lokasinya pada tempat tertentu dalam kromosom dengan menggunakan fluorescence in situ hybridization (FISH). Peta sitogenetik ini mampu menjadi titik awal pembuatan peta yang lebih detail. Dengan peta sitogenetik kromosom yang telah dimiliki ini, langkah awal di dalam men-sekuen genom manusia adalah dengan menyusun peta linkage (lingkage map) marker genetik pada kromosom (Figure 21.2 level 1). Urutan dari marker tersebut dan jarak relative diantara tiap-tiap marker pada suatu peta didasarkan pada frekuensi rekombinasi (Figure 15.11). Pada tahun 1992, para peneliti telah berhasil mengumpulkan peta linkage manusia dengan 5000 marker. Peta ini mampu memberikan informasi kepada para peneliti dalam mengenali marker-marker lainnya, termasuk mengenali gen dengan cara menguji linkage genetic dengan marker yang telah diketahui. Peta ini juga sangat berguna sebagai kerangka dalam mengorganisir peta yang lebih detail pada bagian-bagian tertentu suatu kromosom. Level berikutnya adalah menyusun peta fisik genom manusia. Dalam peta fisik (physical map) jarak diantara marker diekspresikan dengan ukuran fisik yang pada umumnya berupa jumlah pasangan basa DNA. Untuk keseluruhan peta genom, peta fisik dibuat dengan memotong DNA tiap-tiap kromosom menjadi fragmen-fragmen kemudian mendeterminasi urutan asli dari fragmen-fragmen tersebut di dalam DNA kromosom (Figure 21.2 level 2). Dengan cara ini fragmen-fragmen dapat dialokasikan pada urutan sekuen yang sesuai urutannya di dalam kromosom. Tujuan utama dari pemetaan genom adalah untuk mendeterminasi sekuen nucleotide secara lengkap dari tiap-tiap kromosom (Figure 21.2 level 3). Dengan kemajuan teknologi, Human Genome Project mampu men-sekuen 1000 pasang basa setiap detiknya, 24 jam sehari, tujuh hari dalam seminggu (tahun 1980, 1000 pasang basa disekuen selama minimum 24 jam). Dengan demikian, jumlah data yang dihasilkan menjadi sangat besar.
187
188
Whole-Genome Shotgun Approach to Genome Sequencing Pada tahun 1992, J.C. Venter memberikan pendekatan alternative terhadap sekuen keseluruhan genom yang disebut whole-genome shotgun approach. Metode ini tidak memerlukan linkage mapping dan physical mapping dan dapat dimulai langsung dengan sekuen fragmen DNA secara random. Sebuah program computer selanjutnya akan menyusun sekuen-sekuen pendek menjadi sekuen tunggal yang kontinyu (Figure 21.3).
189
Poendekatan yang dilakukan oleh Venter membuahkan hasil ketika tahun 1995 berhasil melakukan sekuen genom bakteri Haemophilus influenzae secara lengkap. Tahun 1998 Verter mendirikan Celera Genomic dan menyatakan keinginannya untuk mensekuen keseluruhan genom manusia. Lima tahun kemudian Celera Genomic dan konsorsium public mengumumkan bahwa genom manusia sebagian besar sudah lengkap (dua tahun lebih awal dari yang ditargetkan oleh Human Genome Project). Hingga hari ini, pendekatan Venter telah banyak digunakan. Tahun 2007, hanya sebagian kecil saja dari bagian genom manusia yang belum di-sekuen.
Scientists use bioinformatics to analyze genomes and their function Human Genome Project membuat bank data dan software analisis. Data dan software tersebut disentralisasikan dan dapat diakses melalui internet. Suatu badan diberi mandate untuk menyusun data dan membuat software sehingga para ilmuwan dapat 190
menganalisis data sekuen. Di Amerika Serikat terdapat National Center for Biotechnology Information (NCBI) yang memelihara satu website, www.ncbi.nml.nih.gov dengan sumber bioinformatika yang melimpah. Database yang dimiliki NCBI disebut Genbank. Hingga Agustus 2007, Genbank memiliki 76 juta sekuen fragmen genom DNA dengan total 80 milyard pasang basa dan sselalu diupdate. NCBI memiliki program yang disebut BLAST pada websitenya. Sofware ini memungkinkan pengunjung untuk membandingkansekuen DNA yang dimilikinya dengan sekuns yang ada di Genbank basa demi basa. Program lain dapat membandingkan sekuen protein yang diprediksikan, dapat pula mencari sekuen protein.
1. Genomes vary in size, number of genes, and gene density Genome Size Ukuran genom prokariot dan eukariot adalah berbeda (Table 21.1). Sebagian besar genom bacteria memiliki 1 hingga 6 juta pasang basa (Mb). Genom eukariot cenderung berukuran lebih besar sebagai contoh yeast Saccharomyces cereviseae memiliki 13Mb sedangkan hewan dan tumbuhan multiseluler memiliki genom dengan paling sedikit 100 Mb. Number of Genes Prokariot memiliki jumlah gen lebih sedikit dibandingkan dengan eukariot. Bakteria yang hidup bebas memiliki lebih kurang 1500 hingga 7500 gen sedangkan eukariot memiliki sekitar 5000 hingga setidaknya 40000 gen. Gene Density and Noncoding DNA Kepadatan gen adalah jumlah gen yang terdapat pada DNA dengan panjang tertentu. Eukariot pada umumnya memiliki genom lebih besar tetapi memiliki jumlah gen lebih sedikit dalam tiap jumlah pasang basa tertentu dibandingkan dengan prokariot. Manusia memiliki ratusan atau ribuan kali lebih banyak pasang basa dari pada bacteria tetapi hanya memiliki 5-15 kali lebih banyak jumlah gen sehingga kepadatan gen lebih rendah pada manusia daripada bacteria.
191
2.Multicellular eukaryotes have much noncoding DNA and many multigene families Sebagian besar dari genom eukariot terdiri atas sekuen DNA yang tidak mengkode protein maupun tidak ditranskripsikan untuk menghasilkan RNA. DNA nonkoding ini pernah disebut sebagai “junk DNA” namun banyak bukti terkumpul yang menunjukkan nonkoding DNA memiliki peran penting di dalam sel. Sebagai contoh, perbandingan genom manusia, tikus, dan mencit menunjukkan adanya hampir 500 regions DNA nonkoding yang memiliki sekuen identik pada ke tiga spesies tersebut. Hal ini menunjukkan tingkatan sekuen yang lebih tinggi dibandingkan dengan region DNA pengkode protein dari ke tiga spesies tersebut; dan menunjukkan bahwa region nonkoding memiliki fungsi penting. Bagaimanakah gen dan sekuen DNA nonkoding terorganisir dalam genom manusia?
192
Sekuen terhadap genom manusia menunjukkan bahwa hanya sebagian kecil (1.5%) yang menkode protein atau ditranskripsikan ke dalam rRNA atau tRNA. Figure 21.7 menunjukkan tipe sekuan DNA pada genom manusia (total 98.5%). Sekuen gen yang berhubungan dengan pengaturan dan intron adalah sebanyak 24% dari genom manusia; sekuan yang lain adalah DNA nonkoding (fragmen gen dan pseudogen yaitu gen terdahulu yang terakumulasi dan mengalami mutasi selama periode waktu yang sangat panjang dan menjadi tidak fungsional). Sebagian besar DNA yang terletak antara gen-gen adalah DNA repetitif yang tersusun atas sekuen yang bersifat multiple copy di dalam genom. Sebanyak tiga per empat dari DNA repetitive ini (44% dari keseluruhan genom) tersusun atas unit yang disebut transposable element.
193
RINGKASAN Dalam linkage mapping, urutan gen dalam genom dan jarak relative diantaranya dapat dideterminasi dari frekuensi rekombinasi. Physical mapping menggunakan overlap diantara fragmen DNA untuk mengurutkan fragmen dan mendeterminasi jarak dalam pasangan basa diantara marker. Pada akhirnya, fragmen yang telah diurutkan disekuen sehingga menghasilkan sekuen genom. Pendekatan whole-genome terhadap sekuen genom: keseluruhan genom dipotong menjadi bagian-bagian kecil yang saling overlap kemudian di sekuen; sebuah software akan menyusun potongan-potongan tersebut menjadi sekuen lengkap. Jikan informasi mapping tersedia maka akan membantu mendapatkan penyusunan yang tepat. Website dalam internet menyediakan akses untuk memperoleh database sekuen genom, analisis, dan informasi lain terkait dengan genom.
Hanya 1.5% dari genom manusia mengkode protein, rRNA atau tRNA; bagian yang lain adalah DNA nonkoding termasuk DNA repetitive.
194
