Genetik

Genetik merupakan bidang sains yang mengkaji fenomena pewarisan dan variasi dalam kesemua makhluk hidup, samada manusia mahupun bakteria. Istilah "genetik" pertama kali diperkenalkan oleh pakar genetik British William Bateson. Beliau juga bertanggungjawab dalam memperkembangkan penemuan kajian Gregor Mendel. Dalam organisma hidup, maklumat genetik disimpan dalam kromosom yang dibentuk daripada molekul DNA dan sejenis protein yang dikenali sebagai histon. Maklumat genetik perlu berinteraksi bersama faktor luaran yang lain seperti permakanan dan persekitaran untuk menentukan faktor fizikal dan perlakuan organisma secara keseluruhan. 
Kini bidang genetik boleh dibahagikan kepada dua peringkat: genetik klasik dan genetik molekul. Sebahagian besar genetik klasik merupakan sumbangan uji kaji Gregor Mendel dan penemuan gen-gen terangkai. Genetik molekul terbit daripada penemuan kod genetik dan perkembangan teknik pengklonan. Walaupun genetik molekul lebih berguna dari segi aplikasinya dalam perubatan dan forensik, genetik klasik masih digunapakai.

Sejarah bidang genetik

Jean-Baptiste Lamarck pernah mengemukakan teori evolusinya yang mencadangkan bahawa sesuatu ciri yang diperolehi semasa jangka hayat sesuatu organima boleh diwarisi oleh generasi yang berikutnya, tetapi teori ini lenyap selepas penerbitan The Origins of the Species oleh Charles Darwin. Antara tokoh terawal dalam bidang ini ialah seorang paderi Augustian, Gregor Mendel. Sumbangan terbesar beliau adalah kajiannya dengan pokok kacang pis yang membuktikan kewujudan unit-unit diskrit, atau gen, yang membawa maklumat genetik. Penemuan DNA sebagai unsur genetik dibuktikan oleh Alfred Hershey dan Martha Chase pada tahun 1952. James Watson, Francis Crick dan Maurice Wilson berjaya menerangkan struktur DNA yang berbentuk gegelung dwi-heliks pada tahun 1953. Penemuan penting ini dikurniakan Hadiah Nobel tahun 1962 dalam Perubatan. Projek Genom Manusia pada tahun 2000 yang dipelopori oleh Craig Venter menunjukkan hasil yang menakjubkan; 3.1 billion unit nukleotid dalam tubuh badan manusia, hanya 1% (kira-kira 30,000 gen) ditranskripsikan kepada bentuk protein.

Prinsip-prinsip asas genetik Mendelian

Melalui pembiak-bakaan dalam pokok kacang pis (Pisum sativum), Mendel medapati bahawa progeni memiliki rupa kedua-dua induk bunga jantan dan betina tanpa menghasilkan rupa perantaraan. Sebahagian besar eksperimen Mendel melibatkan pokok-pokok berbaka tulen kerana ia memudahkan pengukuran ciri-ciri yang "mutlak" seperti warna, bentuk, dan kedudukan anak pokok. Hasil eksperimennya banyak menggunakan analisis statistik dan prinsip kebarangkalian yang melibatkan saiz sampel yang besar, yang mengukuhkan lagi hasil penemuannya. Mendel mengatakan bahawa:
1. Pewarisan sesuatu ciri atau rupa ditentukan oleh “unit“ atau “faktor“ yang diwarisi oleh progeni, dan unit ini tidak berubah.
2. Individu mewarisi satu jenis unit dari setiap induk untuk sesuatu ciri tertentu.
3. Sesuatu ciri atau rupa tidak semestinya hadir pada inidividu tetapi boleh diwarisi oleh generasi yang berikutnya.

Kesan Poligen/Aditif

Sesetengah ciri individu ditentukan oleh kesan gabungan beberapa gen. Ini dikenali sebagai ciri poligenik atau selanjar. Salah satu ciri poligenik ialah warna kulit dimana warna kulit seseorang adalah hasil dan interaksi beberapa gen yang mengkodkan warna kulit.

Kodominan

Bagi sesetengah ciri, dua alel boleh disifatkan sebagai kodominan. Ini bermakna kedua-dua alel diekspreskan dalam individu heterozigus, contohnya, orang yang memiliki darah jenis AB dalam sistem darah ABO. Bila darah dianalisis, inidividu berdarah AB mempunyai sifat kedua-dua darah A dan B. Fenotipnya bukan perantaraan darah A dan darah B.

Pengekspresan perantaraan/dominan tidak lengkap

Fenotip campuran boleh hadir apabila terdapat alel separa lengkap menghasilkan ciri perantaraan dalam individu heterozigus. Bunga primrose heterozigus yang berwarna merah jambu merupakan hasil induk bunga merah dan putih.

Penetrans tidak lengkap

Gen yang tidak penetran sepenuhnya tidak diekspreskan tanpa kehadiran faktor luaran tertentu. Contohnya, seseorang individu yang sihat boleh memiliki gen yang bertanggungjawab untuk penyakit diabetes jenis 2 jika permakanannya dijaga. Gen yang menyebabkan sklerosis berganda (multiple sclerosis) tidak aktif tanpa jangkitan virus Epstein-Barr.

Pleiotropi

Satu gen boleh menyebabkan lebih daripada satu jenis penyakit. Ini dinamakan fenomena pleiotropi. Penyakit anemia sel sabit melibatkan pewarisan satu jenis gen yang boleh mencetuskan pelbagai masalah kepada jantung, hati, buah pinggang, dan mata disebabkan pembentukan sel darah merah yang abnormal.

Kromosom

Maklumat genetik terletak dalam kromosom yang terdiri daripada organisasi DNA dan protein histon. Sel-sel hidup yang menghasilkan generasi sel-sel anak memindahkan maklumat genetiknya melalui kromosom dengan bilangan yang sama, kecuali sel gamet. Bentuk dan saiz kromosom adalah berlainan mengikut organisma tertentu. Bakteria mempunyai satu kromosom yang berbentuk gelungan yang panjang manakala organisma eukariot seperti manusia secara lazimnya mempunyai kromosom berbentuk linear yang wujud berpasangan yang serupa, kecuali kromosom seks X dan Y. 
Perkataan 'kromosom' adalah gabungan dua perkataan bahasa Yunani yang bererti 'jasad' (soma) 'berwarna' (chroma). Kromosom biasanya diwarnakan dengan pewarna Giemsa supaya boleh dilihat dengan jelas di bawah mikroskop. Kromosom boleh diperhatikan sebagai bebenang kromatin yang berjalur. Jaluran ini boleh dibahagikan kepada eukromatin dan heterokromatin. Heterokromatin adalah kawasan yang padat, "berlipat", dan aktif dalam transkripsi gen. Eukromatin pula merangkumi kawasan yang terlibat dalam pengawalaturan gen. Strukturnya yang kurang padat membenarkan pengikatan RNA polymerase untuk memulakan transkripsi gen. 
Bagi organisma diploid, kromosom autosomal (kromosom yang bermitosis) di turunkan kepada sel-sel progeni secara berpasangan. Kromosom seks X dan Y diwarisi oleh progeni melalui gabungan dua sel gamet yang haploid. Kesilapan semasa pembahagian sel, samada mitosis ataupun meiosis, boleh menyebabkan pelbagai sindrom kongenital seperti sindrom Turner dan sindrom Klinefelter, dan sindrom Down.

Pewarisan prokariotik

Bakteria dan virus tidak terlibat dalam pembiakan seks untuk menghasilkan progeni baru. Namun, mekanisme yang lebih ringkas dijalankan bagi memanjangkan zuriat sesuatu strain bakteria dan virus. Terdapat tiga cara organisma prokariot "membiak":
 Transformasi 
 Transduksi 
 Konjugasi

Transformasi

Transformasi banyak dilakukan dalam makmal untuk menghasilkan bakteria yang mempunyai kandungan genetik yang khas. Walau bagaimanapun, transformasi boleh berlaku secara semulajadi melalui penerimaan maklumat genetik daripada organisma yang sudah mati. Dalam mekanisme transformasi, fragmen DNA bebas daripada sel terpecah memasuki sel bakteria penerima yang hidup. Sel penerima mestilah daripada genus yang sama dan hadir dalam keadaan "kompeten". Sel yang kompeten bermakna sel berada dalam persekitaran dan memudahkan kemasukan unsur luar. Kemasukan DNA secara transformasi hanya boleh berlaku sebelum pembentukan dinding sel. DNA yang berjaya memasuki sel penerima boleh bergabung dengan kromosom perumah secara rekombinasi. Sel penerima kini dinamakan 'transforman' dan boleh mengekspres gen asing.

Transduksi

Virus seperti bakteriofaj atau faj bereplikasi melalui transduksi. Bakteriofaj membiak dengan menyerang sel bakteria (sel perumah), mengambil alih sistem replikasi dan metabolisme perumah, dan akhirnya membunuh sel perumah melalui lisis dan pembebasan virus-virus yang baru. Sesetengah virus tidak menyebabkan kemusnahan sel perumah. Ia hanya memindahkan maklumat genetiknya kepada sel perumah menghasilkan kandugan genetik yang baru. Namun, atas keadaan yang kurang menyenangkan, DNA virus boleh mengaktifkan penghasilan virus-virus baru menggunakan "jentera" sel perumah e.g. RNA polymerase, ligase, dan menyerang bakteria lain.

Konjugasi

Konjugasi berbeza daripada transformasi dan tranduksi kerana ia melibatkan kehadiran dua sel bakteria dan ia juga melibatkan pemindahan maklumat genetik yang lebih banyak. Mekanisme konjugasi pertama kali diterangkan oleh Joshua Lederberg pada tahun 1946. Dalam ujikajinya, dua jenis sel, F⁺ dan F⁻, masing-masing sel penderma dan sel penerima dicampurkan bersama dalam tabung uji. Sel F⁺ yang mempunyai plasmid F (fertility) boleh memindahkan bebenang DNA melalui sehelai pilus (bahasa Latin untuk rambut) F, kepada sel penerima F⁻. Hasil daripada konjugasi dua sel bakteria ialah perubahan sel penerima kepada sel penderma.

Pengekspresan dan pengawalaturan gen

Segala penghasilan protein yang terlibat dalam proses-proses penting dalam tubuh badan organisma seperti respirasi dan metabolisme bermula dari gen. Sel organisma perlu mengawal pengekspresan gen bagi mengelakkan masalah patologi yang boleh timbul seperti barah. Beberapa peringkat dalam pengekspresan gen boleh dikawal, daripada transkripsi gen kepada mRNA hinggalah ke peringkat pengubahsuaian pasca-translasi.