Gen Dan Kromosom

 

Pada ketika Mendel mempublikasikan hasil penelitiannya, konsep sel sebagai unit dasar hidup telah berumur kurang-lebih 30 tahun. Namun ketika itu, elemen-elemen struktural sel gres dalam proses penelitian intensif sejalan dengan dikembangkannya mikroskop dan sistem pewarna sel. Rekaan pertama hasil studi ini yakni bahwa sel terdiri dari dua domain yang terpisah dengan jelas: pecahan inti (nukleus) dan pecahan pinggiran (sitoplasma). Keduanya dipisahkan oleh selaput inti.

              Ditemukan selanjutnya bahwa pada pecahan inti ada dua pecahan yang secara morfologi sanggup dibedakan, yaitu kawasan butiran (kromatin) yang berwarna lebih berpengaruh bila di warnai dengan pewarna tertentu, dan pecahan inti nukleus (nucleolus) yang warnanya tidak serupa dengan kromatin. Sitoplasma sendiri terdiri dari beberapa organela menyerupai sentriola dan vakuola.

              Studi-studi embriologi mengambarkan bahwa sel-sel penyusun badan organisme tingkat tinggi berasal dari suatu seri pembelahan sel yang diawali oleh sel telur yang dibuahi (diktum Rudolf Virchow, tahun 1850-an). Dari studi-studi sitologi sel kelamin jantan dan sel kelamin betina, ditemukan bahwa walaupun ukuran sel telur sangat besar, namun baik sel kelamin jantan dan sel kelamin betina mempunyai inti sel dengan ukuran yang sama, dan kedua-duanya memberi proteksi hereditas yang sama.

              Dikarenakan kesamaan proteksi sel kelamin jantan dan sel kelamin betina kepada pewarisan sifat, dan ketidakseimbangan bantuan kawasan sitoplasma, maka diduga inti sel dan bukan sitoplasma sebagai tempat bersemayannya pewarisan sifat seluler.

              Pada ketika Mendel meninggal tahun 1884, telah diketahui bahwa kromatin inti sel terdiri dari partikel-partikel yang membentuk benang-benang dengan jumlah tertentu, atau kromosom, dan yang sangat penting yakni bahwa inti sel jantan dan inti sel betina menyumbangkan kromosom dalam jumlah yang sama kepada telur yang dibuahi. Setelah pembelahan sel telur, setiap anggota dari satuan ganda kromosom ini nampak terbelah secara longitudinal dan dipilah ke dalam dua sel turunan (daughter cells) melalui suatu proses yang dinamakan mitosis. Melalui proses ini, setiap sel memperoleh kedua set ganda kromosom dari sel telur yang dibuahi.

              Analisis mikroskopik sel-sel ovarium dan testis hewan remaja yang aktif membela tersingkap bahwa ada proses lain dari pemilahan kromosom. Pada sel-sel ini, jumlah kromosom per badan sel menjadi setengah, sehingga inti sel dari sel telur dan sel sperma mengandung satu set tunggal kromosom yang dimiliki oleh telur dan sperma dari bapak dan ibu. Proses-proses tersebut disebut meiosis.

              Wilhelm Roux (1880-an) beropini bahwa sangat sulit membayangkan bila mitosis dan meiosis hadir tanpa maksud yang baik. Proses meiosis dan mitosis ada lantaran kromosom yakni penyusun materi hereditas, demikian argumentasinya. Tanpa sadar atas inovasi Mendel, ia mengajukan postulat bahwa unit-unit hereditas diatur secara linier dalam benang-benang kromosom.

              Pemikiran Roux’s pribadi di sambar oleh August Weismann dan mengembangkannya ke dalam teori yang lebih tepat mengenai hereditas dan perkembangan. Ia mengemukakan bahwa pada organisme multiseluler yang berbiak secara seksual, jumlah satuan-satuan hereditas diparuh pada ketika pembentukan sel telur betina dan sperma atau tepungsari (sel-sel germ). Jumlah awal satuan-satuan hereditas kemudian dipulihkan ketika penggabungan inti sel telur betina dan jantan dalam proses pembuahan yang menghasilkan individu baru. Bahan hereditas individu gres ini setengahnya berasal dari sang ibu dan setengahnya lagi dari sang ayah.

              Sayangnya Weissmann gegabah dengan menyampaikan bahwa setiap kromosom dalam inti sel membawa semua informasi untuk memproduksi satu individu tunggal. Hal ini tidak sesuai kenyataan bahwa tanaman kapri mempunyai 14 kromosom, dan tidak cocok dengan inferensi Mendel (yang ketika itu belum diketahui) bahwa tanaman kapri mempunyai dua, dan bukan empat belas, kopy dari setiap satuan hereditasnya. Teori Weissman menjadi sangat dikenal ketika itu, dan mendorong studi-studi pemuliaan kuantitatif menyerupai yang telah dibentuk Mendel 35 tahun sebelumnya.

              Salah satu pendukung utama Teori Weissman yakni Hugo de Vries.  Walaupun de Vries menolak beberapa pandangan teori ini, ia melengkapinya dengan menyampaikan bahwa setiap satuan-satuan hereditas yang dipostulatkan mengendalikan huruf tunggal, dan unit-unit ini sanggup di kombinasikan dengan banyak sekali cara pada turunannya. Untuk menguji dugaan ini, ia melaksanakan percobaan menyerupai yang dilakukan oleh Mendel, dengan kesimpulan yang sama menyerupai yang diperoleh Mendel. Percobaan dan kesimpulan yang sama pada waktu yang hampir bersamaan (dua bulan dilaporkan lebih awal) juga dilakukan oleh Carl Correns (Januari 1900)                                          Ditemukannya kembali tulisan-tulisan Mendel melahirkan kegemparan yang luar biasa di kalangan ilmuan lantaran hukum-hukum yang dideduksi dari percobaan-percobaannya kemudian sanggup dipahami dalam pengertian sikap kromosom dalam mitosis dan meiosis, yaitu bahwa setiap kromosom membawa hanya sebagian dari semua satuan hereditas yang penting untuk memproduksi individu sempurna, sehingga keseluruhan unit kromosom yang ada dalam sel germ meliputi hanya satu jiplakan (copy) dari setiap unit. Sel yang membawa unit kromosom tunggal ini disebut dalam keadaan haploid. Sehingga, individu yang berasal dari telur yang dibuahi mengandung sepasang satuan hereditas homologi, yaitu yang berasal dari bapak dan ibu. Sel yang membawa satuan kromosom ganda dikatakan dalam keadaan diploid.

              Di ketika terjadi reduksi dalam meiosis dari dua kromosom dalam sel-sel diploid menjadi masing-masing unit tunggal, maka individu menunjukkan satu jiplakan tunggal dari setiap satuan hereditas ke sel-sel germ haploid yang dengannya ia memperanakan turunannya.

              Terjelaskannya faktor Mendel dalam sikap mitosis dan meiosis melahirkan dorongan yang luar biasa untuk melaksanakan studi-studi genetika. Istilah-istilah gres kemudian muncul. Yang muncul pertama kali yakni disiplin itu sendiri diberi nama genetika (genetics), dan unit bawaan dasar Mendel disebut gen (gene). Dua gen homologi mewakili dua bentuk alternatif disebut allelomorf (allelomorphs) yang kemudian disingkat allela (alleles).  Individu yang berkembang dari telur yang dibuahi disebut zigot (zygote), individu homozigot (homozygote) yaitu individu yang membawa sepasang allela identik, dan sebaliknya heterozigot (heterozygote) bagi individu yang membawa sepasang allela yang berbeda dari gen tertentu. Jumlah keseluruhan gen yang ada dalam satu individu, dengan kata lain seluruh kromosom disebut genom (genome).

              Di tahun 1901 de Vries mengajukan anjuran bahwa alella-allela berbeda dari gen yang sama muncul melalui perubahan tidak kontinu dan sekonyong-konyong, suatu proses yang dinamainya mutasi (mutation). Dengan inspirasi mutasi, berkembang selanjutnya mutasi gen sebagai sumber keragaman genetis. Konsep-konsep yang diturunkan dari aturan Mendel kemudian diperluas pada banyak sekali organisme yang lain.

              Impetus gres penelitian genetika diperoleh pada tahun 1910 sewaktu Thomas H. Morgan dan kelompoknya di Universitas Columbia melaksanakan penelitian genetika pada lalat buah anggur (vinegar fly; Drosophila) untuk menjawab satu dari duduk perkara genetis dan filosofis ketika itu yaitu “apa yang memilih sel telur yang telah dibuahi menjadi jantan atau betina?

              Melalui studi morfologi kromosom, Morgan dan kawan-kawan membuktikan bahwa terdapat perbedaan yang sangat nyata dalam perangkat kromosom jantan dan betina.  Pada sel diploid betina terdapat 4 pasang kromosom homologi; pada sel diploid jantan hanya terdapat tiga pasang, dua kromosom sisanya nampaknya tidak sepadan, yang satu berukuran besar dan yang lain berukuran kecil. Kedua kromosom berbeda itu disebut X dan Y.

              Membandingkan dengan pasangan-pasangan yang ada pada betina, disimpulkan bahwa sang betina membawa dua kromosom X dan tidak mempunyai kromosom Y.  Dengan demikian, bila individu membawa sepasang kromosom XX maka individunya yakni betina, dan individu dengan kromosom XY yakni jantan.  Baik kromosom X dan Y kemudian dinamai Kromosom Seks. Hal ini kemudian menjadi terang bahwa seks diturunkan sesuai dengan gen-gen Mendelian yang sederhana dimana X/X homosigot yakni betina, dan X/Y heterosigot yakni jantan.

              Dengan demikian, semua telur haploid dari betina yang di hasilkan oleh meiosis membawa satu kromosom X, sebaliknya sperma haploid yang dihasilkan meiosis dalam testis jantan, setengahnya membawa kromosom X dan setengahnya lagi membawa kromosom Y.  Dengan demikian, pembuahan sel telur oleh sperma pembawa kromosom X akan menghasilkan zigot betina, dan sebaliknya pembuahan sel telur oleh sperma pembawa kromosom Y akan menghasilkan zigot jantan.

              Impetus kedua berasal dari T.H Morgan dan kelompoknya. Mereka menemukan 85 bentuk mutan yang menyimpang dari tipe normal (wild type), seperti  bentuk sayap, warna tubuh, warna mata, bentuk bristel, dan ukuran mata. Mutan-mutan tersebut disebabkan oleh mutasi impulsif tunggal yang jarang.

              Tersedianya mutan-mutan tersebut di laboratorium memungkinkan percobaan kawin silang dirancang guna mendalami prosedur pewarisan sifat.  Hasil persilangan antara lalat bermutan dua gen (yang letaknya di dua kromosom yang berbeda) dengan lalat pembawa allela normal,  meneguhkan temuan Mendel bahwa huruf resesif menghilang pada generasi pertama dan muncul kembali dalam rekombinasi acak di antara turunan kedua sesudah kawin sendiri.

              Apabilah kawin silang dilakukan untuk dua huruf yang berada pada kromosom yang sama, maka kedua allela tersebut cenderung muncul di antara rekombinasi turunan kedua dalam kombinasi yang sama. Temuan ini melahirkan pemahaman bahwa gen-gen yang berpaut demikian (linked genes) membentuk satu kesatuan struktur genetis, sehingga mereka harus bergerak tolong-menolong dalam segregasi kromosom diploid selama meiosis.

              Namun demikian, walaupun kedua huruf itu terpaut dalam satu kromosom, beberapa rekombinasi juga berlangsung antara gen dalam kromosom yang sama.  Dalam hal ini, pada turunan kedua terdapat lalat yang membawa pada kromosom yang sama satu gen yang allela-nya disuplai oleh induk yang satu dan gen yang lain allelanya disuplai oleh induk yang lain. Morgan menafsirkan hasil ini dalam pengertian terjadinya pindah silang (crossing over) kromosom-kromosom homologi.

              Basis sitogetika pindah silang sebelumnya telah ditunjukkan oleh F.A. Janssens dalam pembelahan sel meiosis. Pada tahapan tertentu dalam meiosis,  setiap pasang kromosom homologi dari sel diploid membentuk penjajaran titik-demi-titik (point-by-point alignment) atau disebut juga sinapsis (synapsis). Dalam sinapsis terjadi pelukaan ditempat-tempat persentuhan antar dua kromosom homologi yang berpasangan, yang dilanjutkan dengan pertukaran potongan dari masing-masing kromosom yang berpasangan. Jadilah dua kromosom rekombinan.

              Dikarenakan probabilitas menciptakan suatu pelukaan dan penggabungan kembali bersifat tetap untuk setiap satuan panjang kromosom yang bersinapsis maka semakin bersahabat jarak antara dua gen pada kromosom yang sama semakin kecil kemungkinan insiden pindah-silang antara keduanya, sehingga semakin kecil rekombinasi antara alela-alelanya. Hal ini memungkinkan dilakukannya pembuatan peta posisi gen mutan pada kromosom lalat buah.

              Dengan melaksanakan perhitungan frekuensi segregasi gen-gen yang berpaut di antara turunannya (offspring) dari sejumlah besar mutan, Morgan dan kawan-kawan sanggup membangun peta genetika gen-gen mutan pada ke empat kromosom Drosophila.

              Penemuan-penemuan T. H Morgan dan para jago genetika lain memantapkan pemahaman gen sebagi suatu faktor yang berlokasi dalam tempat tertentu dalam kromosom, yang kemudian menjadi dasar-dasar penting dari apa yang disebut dengan genetika klasik. Namun demikian, dalam genetika klasik, gen masih dipahami sebagai suatu konsep yang abnormal dan tidak sanggup dipecah-pecah menjadi serpihan-serpihan material. Pemahaman gen sebagai sesuatu yang bersarang dalam struktur-struktur materi dikenal kemudian sesudah penelitian mengenai sikap kromosom dan penelitian mutasi dikembangkan.

                        Mengomentari pemahaman ketika itu wacana teori genetika H. J. Muller, spesialis genetika populer dan peserta hadial Nobel, dalam pesta mengenang 50 tahun ditemukannya kembali hasil kerja Mendel mengatakan: “Inti riil teori genetika masih nampak berada pada ketidaktahuan yang dalam. Yaitu bahwa kita masih belum mempunyai pengetahuan yang konkret dari prosedur dibalik sifat-sifat unik yang menciptakan suatu gen yakni gen –yaitu kemampuannya menyebabkan sintesis struktur yang lain menyerupai dirinya sendiri, dimana bentuk mutasinyapun ikut di-copy.