GENETIC STRUCTURE OF POPULATIONS (Genetika Populasi)

Genetika Populasi

Genetika Populasi adalah cabang dari ilmu genetik yang terfokus pada sifat turun temurun yang muncul pada populasi (kumpulan dari individu). Populasi genetik mempelajari tentang populasi konstitusi genetika yang berubah dari generasi ke generasi berikutnya. Sifat turun-temurun berubah seiring dengan peristiwa evolusi.

Populasi dan Gene Pools

Unit yang nyata dari materi kehidupan adalah organismenya. Pada organisme  uniseluler, tiap sel adalah satu individu, sedangkan pada organisme yang multiseluler terdiri atas banyak sel yang saling tergantung. Banyak yang mati dan diganti oleh sel lain sepanjang hidup dari individu tersebut. Pada evolusi, unit yang bersangkut paut adalah populasi. Populasi adalah kumpulan dari individu-individu yang dihubungkan oleh ikatan perkawinan dan induk, dengan kata lain populasi adalah kumpulan dari individu-individu yang sejenis (1 spesies). 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 kematangan individu.

            Individu bukan merupakan unit yang relevan pada evolusi karena 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). Populasi, dengan kata lain, telah terjadi kesinambungan dari generasi ke generasi, bahkan konstitusi genetik dari populasi mungkin berubah -berkembang- berakhirnya generasi. 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.

            Spesies tidak selalu didistribusikan secara homogen tetapi mereka dapat lebih bertahan hidup atau kurang pada populasi lokal. Populasi lokal adalah suatu grup dari individu-individu yang memiliki spesies yang sama, bersama pada  wilayah yang sama.     Konsep dari “gen pools” sangat menguntungkan untuk mempelajari evolusi. “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.

Variasi Genetik Dan Evolusi

            Kehadiran variasi genetik merupakan kondisi penting yang dibutuhkan untuk evolusi. Diasumsikan bahwa lokus gen tertentu pada semua individu dari suatu populasi adalah homozygous untuk alela yang sama. Evolusi tidak dapat terjadi pada lokus tersebut, karena frekuensi alela tidak dapat berubah dari generasi ke generasi. Asumsi saat ini bahwa pada populasi yang berbeda terdapat 2 alela pada lokus tertentu. Perubahan evolusioner dapat terjadi pada populasi ini, satu alela mungkin meningkat dalam hal frekuensinya pada alela yang lainnya.

            Teori modern tentang evolusi didasarkan pada Charles Darwin (1809-1882) dan teori klasiknya,  On The Virgin of Spesies dipublikasikan pada tahun 1859. Kehadiran dari variasi hereditas pada populasi 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. Organisme mempunyai  barbagai keuntungan antara lain dapat lebih bertahan hidup dan bereproduksi daripada organism yang tidak seperti mereka. Konsekuensinya, berbagai variasi yang berguna akan terjadi dengan lebih sering melalui generasi, sedangkan variasi yang berbahaya atau kurang/jarang digunakan akan tereliminasi. Hal ini adalah proses seleksi alam yang memainkan peran utama dalam evolusi.

            Korelasi langsung di antara 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 intuisi 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 dibutuhkan, karena akan ada seleksi untuk merubah beberapa sifat dan variasi tersebut akan sesuai dengan perubahan sifat yang terseleksi tersebut.

Gambar 1. Korelasi antara sejumlah variasi genetik dan rata-rata evolusi

Korelasi di antara sejumlah variasi genetik dengan rata-rata evolusi dalam populasi Drosophila serrata di laboratorium yang didedahkan pada kondisi baru. Grafik menunjukkan bahwa perubahan jumlah lalat selama kurang lebih 25 generasi. Populasi strain campuran memiliki variasi genetik yang lebih besar daripaad populasi strain tunggal. Kedua populasi meningkat jumlahnya selama periode eksperimen, akan tetapi rata-rata peningkatan lebih besar pada populasi strain campuran daripada populasi strain tunggal. Peningkatan dalam jumlah lalat dari generasi ke generaasi mencerminkan peningkatan adaptasi dari populasi terhadap lingkungan percobaan yang  mana didorong oleh evolusi.

Tabel di bawah ini menggambarkan korelasi di antara sejumlah variasi genetic dan rata-rata evolusi pada populasi Drosophila serrata  dari Popondetta, Papua Nugini, dan Sydney, Australia. Jumlah evolusi meningkat dengan jumlah lalat yang meningkat pada populasi lebih dari 25 generasi.

Populasi	Jumlah rata-rata lalat dalam populasi	Peningkatan rata-rata pada sejumlah lalat per generasi
Percobaan pada suhu 25o C Strain tunggal (popendetta) Strain campuran (popendetta x Sydney) Percobaan pada suhu 19o C Strain tunggal (popendetta) Strain campuran (popendetta x Sydney)	1863 = 79 2750 = 112 1724 = 58 2677 = 102	31,5 = 13,6 58,5 = 17,4 25,2 = 9,9 61,2 = 13,8

           

Frekuensi  Genotip Gen

Variasi dalam kelompok gen adalah ekspresi dalam tiap hubungan frekuensi genotip atau frekuensi fenotip. Marilah kita mempelajari tentang golongan darah M-N. Disana ada 3 golongan darah, M, N dan MN, yang mana ditentukan oleh 2 alela L^M dan L^N, pada satu lokus.

Penelitian pada 730 orang aborigin australia diketahui sebagai berikut: 22 memiliki gologan darah M, 216 memiliki golongan darah MN dan 492 memilki golongan darah N. Frekuensi dari golongan darah dan genotip yang sesuai dihasilkan dengan membagi angka dari setiap macam penelitian dari jumlah total. Contoh frekuensi dari golongan darah M adalah 22/730 = 0,030.

Tabel di bawah ini menggambarkan golongan Darah M-N dan Frekuensi Genotip di dalam Sebuah Populasi dari Orang Aborigin Australia

Golongan Darah	Genotip	Angka	Frekuensi
M	LMLM	22	0.030
MN	LMLN	216	0,296
N	LNLN	492	0,674
Total		730	1.000

Kita bisa menjelaskan variasi pada gen lokus M-N di dalam kelompok orang ini yang mempunyai frekuensi dari 3 genotip. Jika kita menganggap bahwa 730 individu dari sampel yang acak dari suku aborigin australia, kita dapat memperoleh frekuensi yang diamati  sebagai karakteristik dari orang aborigin australia secara umum, sebuah sampel acak mewakili atau tidak bias (tidak condong pada suatu kesimpulan tertentu) dari suatu populasi.

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. Sebuah individu L^ML^M terdiri dua alel L^M, sebuah individu L^ML^N terdiri dari saru alel L^M. oleh karena jumlah alel L^M pada sampel orang Aborigin Australia adalah (2x22) + 216 = 260. Jumlah total gen pada sampel adalah kedua jumlah individu karena setiap individu mempunyai dua gen: 2 x 730 = 1460. Frekuensi alel L^M pada sampel yaitu =0,178. Sama dengan frekuensi alel L^N yaitu   = 0,822.

            Frekuensi alel dapat juga dihitung dari frekuensi genotip dengan mengamati sebelum dua gen homozigot diberikan, sebaliknya hanya setengah gen hetrozigot yang diberikan. Frekuensi sebuah alel ini adalah frekuensi individu homozigot untuk  alel tersebut ditambah setengah frekuensi heterozigot untuk alel tersebut. Antara orang aborigin australia, frekuensi L^M adalah 0,030 + V₂(0,296) = 0,178, sama dengan frekuensi  L^N adalah 0,674 + V₂(0,296) = 0,822. Tabel di bawah ini memberikan frekuensi genotip dan alela untuk lokus gen M-N pada empat populasi manusia. Kelihatan jelas bahwa populasi manusia tersebut cukup heterogen dengan melihat lokus gen ini.

Tabel di bawah ini menggambarkan Frekuensi Genotip dan Frekuesi Alella untuk Gen Lokus M-N pada Empat Populasi Manusia. 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.

Populasi	Angka yang memiliki golongan darah			Total	Frekuensi Genotip			Frekuensi Alellic
	M	MN	N		LMLM	LMLN	LNLN	LM	LN
Australian Aborigin	22	216	492	730	0,030	0,296	0,674	0,178	0,822
Navaho Indians	305	52	4	361	0,845	0,144	0,011	0,917	0,083
U.S Caucasians	1787	3039	1303	6129	0,292	0,496	0,213	0,539	0,461
Spaniards	726	1677	697	3100	0,234	0,541	0,225	0,505	0,495

Frekuensi genotip diperoleh dengan memisahkan/memutuskan beberapa kali masing-masing genotip yang diamati dengan jumlah total genotip. Jadi frekuensi dari 98/98 adalah 2/300=0,004. Frekuensi pembagian alel dapat diperoleh dari frekuensi genotip ditambah frekuensi dari homozigot pada alel dan sebagian dari masing-masing frekuensi heterozigot pada alel. Kemudian frekuensi dari alel 98 merupakan frekuensi dari 98/98 homozigot ditambah sebagian dari frekuensi 98/100 heterozigot dan 98/103 heterozigot, atau 0,004 + 1/2 (0,076) + ½ (0,040) = 0,006. Demikian halnya, pada frekuensi 100 dan 103 alel dijumlahkan  menjadi 0,596 dan 0,342 berturut-turut. Jumlah dari 3 frekuensi ini adalah pasti 1000.

            Frekuensi alel juga dapat dihitung dengan menambahkan beberapa kali masing-masing alel yang muncul dan memisahkannya dengan jumlah total gen pada sampel. 98 alel yang muncul dua kali pada 98/98 homozigot, atau (2 × 2) + 38 +20 = 62 kali, karena jumlah gen pada sampel adalah 2 × 500 = 1000, frekuensi alel 98 adalah 0,062.            Frekuensi alel lebih sering muncul digunakan daripada frekuensi genotip untuk menambah variasi genetic pada lokus, karena biasanya lebih sedikit alel daripada genotip. Dengan dua alel, jumlah yang mungkin pada genotip adalah 3, 3 alel, genotip 6, 4 alel, genotip 10. Umumnya, jika jumlah dari alel yang berbeda adalah k, maka jumlah genotip yang mungkin berbeda adalah k(k+1)/2.

Dua Model Struktur Populasi

            Dua hipotesis yang berbeda pada tahun 1940 dan 1950 mengenai struktur genetic populasi. Model klasik yang membantah itu terdapat variasi gen yang sangat kecil. Model keseimbangan itu merupakan suatu kesepakatan.

            Berdasarkan 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.

            Menurut model keseimbangan, sering tidak ada alel tipe liar tunggal. Sebagian besar lokus terdiri dari kesatuan alel dengan frekuensi yang beraneka ragam.Oleh karena itu, beberapa individu bersifat heterozigot pada sebuah proporsi besar lokus-lokus tersebut. Di dalamnya tidak ada genotip tunggal atau ideal, populasi terdiri dari kesatuan genotip yang berbeda dari setiap lokus tetapi diadaptasi pada sebagian besar lingkungan populasi.

            Model seimbang menunjukkan evolusi sebagai proses perubahan bertahap pada frekuensi dan berbagai jenis alel pada banyak lokus. Alel tidak berpindah ketika diisolasi. Kemampuan suatu alela tergantung pada eksistensi alella yang lain dalam suatu genotip. Sejumlah sekumpulan alella pada berbagai lokus yang diadaptasikan dengan sekumpulan alella pada lokus lain karena itu perubahan alella pada suatu lokus diikuti perubahan alella pada lokus lainnya. Bagaimanapun seperti halnya model klasik, model keseimbangan menerima bahwa banyak mutan yang tidak terkondisikan berbahaya ke karier mereka. Alella yang hilang ini tereliminasi atau tetap tersimpan pada frekuensi rendah melalui seleksi alam, tetapi hanya terjadi pada yang kedua, yaitu arah evolusi yang negatif.

            Gambar dua model struktur gen populasi genetik hipotesis genotip dari tiga tipe individu ditunjukkan berdasarkan masing-masing model. Huruf kapital menandakan gen lokus dan masing-masing nomor mewakili alella yang berbeda, postulat alella wild type oleh model klasik diwakili oleh sebuah tanda + berdasarkan model klasik individu yang homozigot untuk alella wild type berdekatan setipe lokus walaupun mungkin heterozigot untuk alella wild type dan alella mutan pada sebuah lokus umum (C adalah individu pertama, B kedua, O ketiga). Berdasarkan model keseimbangan individu gen yang heterozigot pada kebanyakan lokus gen.

Variasi yang Tampak

            Sekarang telah diketahui bahwa proses populasi alami adalah perlakuan besar dari bentuk genetik. Fakta ini tidak berlaku hingga akhir 1960.

            Variasi  individu adalah suatu fenomena yang menyolok mata ketika organisme dari spesies yang sama diuji coba secara hati-hati. Populasi manusia contohnya, menunjukkan variasi pada bentuk wajah, pigmen kulit, warna rambut, dan bentuk tubuh, tinggi dan berat badan, golongan darah dan hal lainnya. Tanaman biasanya berbeda pada bunga dan warna biji dan juga pada bentuknya, begitu juga pada pertumbuhannya. Sesuatu hal yang sulit adalah tidak dapat didapatkan secara jelas berapa banyak variasi morfologi yang sesuai dengan variasi genetic dan berapa banyak efek dari lingkungan.

Sumber meyakinkan dari fakta mengindikasi bahwa variasi genetic beasal 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 organisme asal telah mengandung variasi genetic yang menjadi ciri bawaan.

Masalah Pengukuran Variasi Genetik

Fakta menyebutkan dalam bagian sebelumnya bahwa variasi genetik menyatu di dalam populasi-populasi alami, oleh sebab itu ada banyak kesempatan untuk perubahan evolusioner.

Sesuai dengan apa yang kita butuhkan untuk dapat melakukan tujuan menemukan proporsi ukuran dari gen polimorf dari populasi kita dapat mempelajari setiap lokus gen dari organisme, karena kita pernah tahu berapa banyaknya lokus di sana dan karena itu merupakan tugas yang besar, solusinya kemudian lihat hanya sebuah contoh dari lokus gen jika contohnya acak, yaitu tidak bias dan ion kebenaran yang bersifat representatif dari populasi sejumlah penelitian dalam contoh ini dapat dieksplorasi dalam populasi.

Pemecahan dari permasalahan ini menjadi mungkin dengan adanya penemuan pada molekuler genetik. Sekarang ini dikenal bahwa informasi pengkode genetik dalam rangkaian nukleotida. Pada DNA dalam struktur gen diterjemahkan dalam sebuah rangkuman dari asam amino yang membentuk sebuah polipeptida. Kita dapat memilih untuk mempelajari rentetan protein tanpa mengetahui apakah tidak mereka berbeda dalam sebuah populasi sebelumnya. Rangakain 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.

Penghitungan Variasi Genetik

Mulai 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. Kemudian masing-masing dari 20 protein akan dirangkai dalam individu, kira-kira 100 (pilih secara acak) untuk mengetahhui barapa banyak variasi, jika ada beberapa untuk masing-masing protein. Jumlah rata-rata variasi protein yang ditemukan dalam 100 individu untuk 20 protein akan ditaksirkan sebagai jumlah variasi dalam genom dari populasi.

Hal yang sulit adalah 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. Untungnya, ada sebuah teknik gel elektroforesis sehingga memungkinkan untuk mempelajari variasi protein dengan hanya mengetahui investasi dari waktu dan ruang. 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: polimorfisme dan heterozigositas.

Polimorfisme Dan Heterozigositas

Polimorfisme populasi merupakan ketidaktepatan kadar variasi genetik 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.

Kadar yang lebih baik dari variasi genetic yang tidak berubah dan tepat adalah frekuensi rata-rata individu yang heterozigot pada tiap lokus atau heterozigositas dari populasi. Hal ini dihitung melalui frekuensi pertama yang dihasilkan dari individu heterozigot pada tiap lokusnya dan diambil rata-rata frekuensi dari semua lokus. Kita kaji 4 lokus dari suatu populasi dan diperoleh frekuensi heterozigot sebagai berikut: 0,25; 0,42; 0,09 dan 0. Maka heterozigositas populasi berdasarkan 4 lokus tersebut yaitu (0,25+0,42+0,09+0)/4=0,19. Maka dapat disimpulkan bahwa heterozigositas populasi adalah 19%. Perkiraan heterozigositas harus valid dan harus berdasar pada sampel yang lebih dari 4 lokus dengan prosedur yang sama. Jika beberapa populasi dari spesies yang sama diuji, maka yang pertama dihitung adalah heterozigositas dari masing-masing populasi dan rata-ratanya. Misalnya 4 populasi dengan hasil 0,19; 0,15; 0,15; 0,17 maka rata-rata heterozigositas adalah 0,16.

Heterozigositas populasi merupakan kadar variasi genetik yang lebih dominan oleh sebagian besar populasi secara genetik. 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.

Jika kesulitan, dapat dihitung dengan menghitung heterozigositas harapan, yaitu dari frekuensi alel pada individu dalam suatu populasi yang melakukan mating satu sama lain secara acak. Contoh, pada suatu lokus ada 4 alel dengan frekuensi f1, f2, f3 dan f4, maka frekuensi harapan dari 4 homozigot jika melakukan mating acak adalah f1², f2², f3² dan f4². Heterozigositas pada lokus menjadi:

He= 1- (f1²+ f2²+ f3² + f4²)

Contoh: f1= 0,05; f2= 0,30; f3= 0,10; f4= 0,10

Maka He= 1 – (0,05² + 0,30² + 0,10² + 0,10²) = 0,64

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. Dua studi akan diulas disini.

Tabel  22.9 menunjukkan daftar 20 lokus variable dari 71 lokus sampel pada populasi dari orang Eropa. Simbol digunakan untuk menunjukkan lokus, enzim dikode oleh lokus dan frekuensi dari heterozigositas individu pada lokus diberikan untuk setiap 20 lokus variabel. Heterozigositas dari populasi adalah jumlah dari penyusun heterozigositas pada 20 lokus variabel dibagi dengan total dari lokus sampel = 4,73/71 = 0,067.

Tabel di bawah ini menggambarkan heterozigositas pada 20 variabel gen loci yang keluar dari 71 loci sampel dalam populasi dari Eropa yang dihasilkan dengan elektroforesis.

Lokus gen	Enzim yang dikode	Heterozigositas
ACP1	Acid phosphatase	0,52
PGM1	Phosphoglucomutase-1	0,36
PGM2	Phosphoglucomutase-2	0,38
AK	Adenylate kinase	0,09
PEPA	Peptidase-A	0,37
PEPC	Peptidase-C	0,02
PEPD	Peptidase-D	0,02
ADA	Adenosine deaminase	0,11
PGD	Phosphogluconate dehydrogenase	0,05
ACP2	Alkaline phosphatase (placental)	0,53
AMY2	α-amilase (prancreatic)	0,09
GPT	Glutamate-pyvurate transaminase	0,50
GOT	Glutamate-oxaloacetate transaminase	0,03
GALT	Galactose-1-phosphat uridyltransferase	0,11
ADH2	Alcohol dehydrogenase-2	0,07
ADH3	Alcohol dehydrogenase-3	0,48
PG	Pepsinogen	0,47
ACE	Acetylcholinesterase	0,23
ME	Malic enzyme	0,30
HK	Hexokinase (white-cell)	0,05
Rata-rata heterozigositas (termasuk 51 loci invarian)		0,067

Total 39 lokus gen yang mengkode enzim telah dipelajari dalam populasi ikan marin air panas (Phillum pharanida) phacanopsis viridis dari Bodega Bay, California. Tabel  di bawah ini memberi symbol yang digunakan unt uk  mewakili 27 lokus yang padanya tidak ditemukan 2 alel. Tabel ini menunjukkan observasi dan menunjukkan heterozigositas sebagaimana lokus yang polimorfik ketika kriteria polimorfisme pada frekuensi alel yang paling umum tidak lebih besar dari 0,95. Dengan kriteria 28,2% dari 39 lokus yang dipelajari adalah polimorfik. Bagaimanapun dengan menggunakan 0,99 kriteria polimorfisme 20 dari 39 lokus atau 51,2% adalah polimorfik. Heterozigositas yang diobservasi adalah 7,2% berkemungkinan lebih sedikit dari pada heterozigositas 9,4%. Perbedaan ini mungkin terjadi pada keakuratan dan fertilisasi sendiri karena P.viridis adalah hewan hermaprodit.

Tabel di bawah ini menggambarkan frekuensi alela pada 27 variabel loci dalam 120 individu cacing laut Phoromopsis viridis. Angka digunakan untuk menunjukkan alela (1, 2, 3 dan seterusnya) yang mengindikasikan peningkatan mobilitas dalam elektrik  medium dari protein yang dikode oleh beberapa alela.

Lokus gen	Frekuensi alela						Heterozigot				Polimorfik <1
	1	2	3	4	5	6	Yg Diamati		Yg Diharapkan
Acph-1	0,095	0,005					0,010		0,010		Tidak
Acph-2	0,009	0,066	0,882	0,014	0,005	0,024	0,160		0,217		Ya
Adk-1	0,472	0,528					0,224		0,496		Ya
Est-2	0,008	0,992					0,017		0,017		Tidak
Est-3	0,076	0,924					0,151		0,140		Ya
Est-5	0,483	0,396	0,122				0,443		0,596		Ya
Est-6	0,010	0,979	0,012				0,025		0,041		Tidak
Est-7	0,010	0,990					0,021		0,021		Tidak
Fum	0,986	0,014					0,028		0,028		Tidak
αGpd	0,005	0,995					0,010		0,010		Tidak
G3pd-1	0,040	0,915	0,017	0,011	0,011	0,006	0,159		0,161		Ya
G6pd	0,043	0,900	0,057				0,130		0,185		Ya
Hk-1	0,996	0,004					0,008		0,008		Tidak
Hk-2	0,005	0,978	0,016				0,043		0,043		Tidak
Idk	0,992	0,008					0,017		0,017		Tidak
Lap-3	0,038	0,962					0,077		0,074		Tidak
Lap-4	0,014	0,986					0,028		0,027		Tidak
Lap-5	0,004	0,551	0,326	0,119			0,542		0,576		Ya
Mdh	0,008	0,987	0,004				0,025		0,025		Tidak
Me-2	0,979	0,021					0,042		0,041		Tidak
Me-3	0,017	0,824	0,159				0,125		0,296		Ya
Odh-1	0,992	0,008					0,017		0,017		Tidak
Pgi	0,995	0,005					0,010		0,010		Tidak
Pgm-1	0,159	0,827	0,013				0,221		0,290		Ya
Pgm-3	0,038	0,874	0,071	0,017			0,185		0,229		Ya
Tpi-1	0,929	0,071					0,000		0,133		Ya
Tpi-2	0,008	0,004	0,962	0,013	0,013		0,076		0,074		Tidak
Rata-rata (termasuk 12 invarian loci)
Heterozigot							0,072	0,094
Polimorfisme										11/9=0,282

Tabel di atas juga menunjukkan frekuensi alel pada 27 lokus variabel. Jumlah alel per lokus berkisar hanya 1 (pada 12 lokus varian) sampai 6 (pada lokus Acph-2 dan G3pd-10. Lokus dengan jumlah alel yang lebih besar tidak selalu mempunyai heterozigositas yang lebih besar. Sebagai contoh, observasi dan penelitian heterozigositas pada lokus Acph-2 adalah masing-masing 0,16 dan 0,17 sedangkan pada lokus Adk-1 hanya mempunyai 2 alel dengan heterozigositas 0,222 dan o,496.

Gambar di bawah ini menunjukkan distribusi heterozigot diantara 180 studi loci dalam 6 hubungan spesies Drosophilla. Karakteristiknya, distribusi penyebarannya luas (jarak H dari O sampai 0,6 s) dan semuanya tidak menyerupai distribusi normal.

            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.

 

Gambar 2. Distribusi heterozigisitas diantara 180 gen loci yang dipelajari melalui elektroforesis dalam 6 spesies kelompok Drosophilla willistoni. Rata-rata heterozigositas untuk 180 loci adalah 0.177.

Variasi Genetik pada Populasi Alami

            Umumnya, inventebrata mempunyai lebih banyak variasi genetic 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 elektroforesis telah membuat ini mungkin untuk memperkirakan variasi genetic pada populasi alami. Ada dua hal untuk membuat perkiraan yang baik dari variasi genetic:

a)      Bahwa sampel secara acak dari semua lokus gen dipelihara

b)      Bahwa semua alela terdeteksi pada setiap lokus

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.

Berdasarkan pengamatan diperoleh ringkasan hasil yang didapatkan dengan elektroporesis sekuan dan dua metode denaturasi. Rata-rata keheterozigotan adalah 0,04 dengan elektrophoresis sekuen dan sekitar 0,08 dengan metode denaturasi atau meningkat pada variasi jumlah 25%. Metode ini digunakan untuk membuka dan menutupnya variasi cryptic ketika sampel lokus adalah 0,81 hingga 0,410 yang dilihat pada populasi Drosophila, ketika sampel acak dari lokus yang diuji.

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. Jika kita mengasumsikan harga 20% untuk mendeteksi perkiraan dari sejumlah variasi protein cryptic, kita dapat menghitung varisi protein yang ditentukan secara genetic dalam populasi alami. Dengan standart elektrophresis H=0,134 untuk invertebrate n_c= 1/1 (1-0,134)=1,15 dan n_c’= 1,2x 1,15=1,38 dimana H’=0,28. Untuk vertebrata n_c=1,28 dan H’=0,22 dan untuk tanaman n_c’= 1,37 dan H’=0,22 dan untuk tanaman n_c’=1,37 dan H’=0,27. Rata-rata keheterozigotan menjadi hampir dua kali untuk invertebrate dan tanaman serta tiga kali untuk vertebrata.

DNA Polymorphisme

Sebagian kecil dari semua perbedaan pada rangkaian DNA yang digambarkan dalam variasi protein. Perbedaan antara codon synonymous tidak mengubah asam amino yang dikodekan, dan 90% atau lebih dari DNA menjadi tidak diterjemahkan ke dalam protein. DNA yang tidak diterjemahkan termasuk mencampuri antara rangkaian (intron-intron) dan daerah pengkode (exon-exon) 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). Batasan analisis endonuklease dan rangkaian DNA telah diungkap untuk menyelidiki masalah ini.

Gambar 22.14 menunjukkan perbedaan antara 2 alela, berasal dari 2 kromosom homolog dari sebuah individu tunggal dari gen ^γ globin pda manusia. Ada 13 substitusi dari satu nukleotida oleh yang lain dan 3 segmen dihapus pada slah satu dari alela (atau diinsersi kedalam yang lain). Tidak ada substitusi yang terjadi didalam exons, hampir (9) dipusatkan pada ujung 5’ sepanjang intron. 2 delesi yang mesing-masing panjangnya 4 np (posisi 741-744 dan 791-794 dari rangkaian); yang ketiga terdiri dari 18 pasang nukleotida yang berdekatan (mulai pada posisi 1080).

Jiga gen ^γ adalah tipe contohnya, ini kelihatan seperti tingkatan dari rangkaian DNA setiap individu yang disilangkan akan menjadi heterozigot mendekati semua, jika tidak semua, loci –ini, jika rangkaian nonkoding ditulis dalam catatan. Pertanyaan dari kebutuhan heterozigot  menjadi diformulasikan pada akhir dari proporsi dari perbedaan nukleotida, yang mungkin disebut heterozigot nukleotida atau keanekaragaman nukleotida. Mencoba menjawab pertanyaan ini, kita menemui beberapa hal ambigu. Jika hanya substitusi yang dipertimbangkan, heterozigosity nukleotida dari ^γ adalah 13/1647 = 0.008. tetapi jika delesi juga ditulis dalam catatan, berapa banyak yang dijumlahkan? Jika masing-masing segmen yang dihapus dijumlahkan sebagai satu perbedaan yang tidak terikat (independen) dari panjangnya, ada 3 tambahan perbedaan antara 2 alela dan heterozigositasnya adalah 16/1647 = 0.010; jika masing-masing nukleotida yang dihapus dijumlahkan sebagai satu perbedaan, heterozygosity adalah 39/1647 = 0.024 (tabel 22.15).

Heterozigositas nukelotida pada gen yang lain untuk 2 alela yang tidak terikat  telah dirangkai pada tabel 22.15. 3 gen (Adh pada Drosophila, C pada tikus, dan ^γ pada manusia) mempunyai substitusi heterozigosity mendekati 1% atau beberapa lebih tinggi. Rangkaian DNA dari Adh dan C termasuk hanya pada daerah koding, dan kemudian tidak ada delesi yang diamati. Untuk gen insulin substitusi heterozigosity hanya 1.003, tetapi daerah sisi 5’ berisi sebuah delesi/insersi dari 467 pasangan nukleotida yang berdekatan, yang didalamnya sebuah rangkaian yang tinggi berulang.

Daerah konstan pada rantai berat dari immunoglobulin tikus terdiri dari 8 protein. Salah satunya, γ2a, diketahui berbeda secara luas dari satu strain tikus yang dikawinkan sesama jenis dari yang lain. Gen IgG2a, mengkode untuk protein ini telah dirangkai dalam 2 strain. Dari 1108 rangkaian basa , 111 (10%) berbeda. Hanya 18 (16.2 %) dari substitusi nukleotida adalah diam; hasil yang lain asam amino berbeda pada 15% dari tempatnya. Ada alasan yang mengira bahwa variasi yang diobservasi pada gen  IgG2a tikus mungkin bukan menjadi tipe dari loci yang structural. Gen immunoglobulin adalah sangat polymorphic; 2 alela dirangkai datang dari 2 strain yang kawin sesama bangsa, disbanding dengan dari individu yang kawin berbeda bangsa, 2 protein telah diketahui menjadi sangat berbeda sebelum DNA dirangkai. Tentu saja frekuensi dari perbedaan asam amino antara produk 2 alela adalah satu pesanan dari jarak terbesar daripada rata-rata diobservasi pada jenis lain dari protein.

Perkiraan dari heterozigosity nukleotida telah dihasilkan pada 4 spesies urchin laut oleh denaturasi DNA diikuti dengan gabungan yang competitive (hibridisasi). Teknik ini tidak tepat tetapi keuntungannya yaitu untuk menguji kadar logam pada genom komplit dari suatu organisme. Akibat dari copy DNA tunggal disimpulkan pada tabel 22.16. Diperkirakan frekuensi dari substitusi nukleotida sekitar 2-4%.

Setelah koreksi selama substitusi diam, 2-4% substitusi nukleotida pada  terjemahan DNA menghasilkan 5-9% perbedaan asam amino. Pada studi electrophoretic dari sistem enzim pada S.intermedius telah memberikan sebuah perkiraan heterozigosity 0.18, yang sangat tidak berbeda dari rata-rata nilai untuk invertebrate (lihat tabel 22.11). Jika kita memperkirakan bahwa H= 0.18 kurang lebih koresponden untuk perbedaan asam amino per 5 protein, dan bahwa rata-rata panjang dari protein adalam 300 asam amino, data electrophoretic harus direfleksikan jadi satu substitusi per 1500 asam amino. Nilai heterozigosity dihasilkan dari data gabungan sekitar 100 kali lebih besar (5-9% substitusi asam amino sekitar I dalam 15). Perbedaan mungkin pada bagian ketidakmampuan untuk mendeteksi semua substitusi asam amino dengan electrophoresis. Tetapi itu kelihatan seperti proporsi terluas dari keanekaragaman nukleotida diobservasi dengan gabungan yang meliputi DNA yang tidak mengkode untuk asam amino. Pada banyak kasus, yang pantas menerima peringatan tentang frekuensi dari heterozigosity nukleotida diobservasi dengan hibridisasi DNA (2-4%) tidak sangat berbeda dari nilai 1-2% dihasilkan dengan merangkai gen Adh, C , dan ^γ.

Kita bisa menyimpulkan, dengan cara dari sebuah perkiraan sementara sampai data lebih tersedia, yang rata-rata heterozigositas nukleotida untuk gen structural dan rangkaian DNA tunggal yang lain dari makhluk hidup eukariot sekitar 1 atau 2%.