7/10 November 2011 Tatap Muka 7: Heredity II
IX. Genetika Mendel (Mendel and the Gene Idea) Diambil dari Campbell et al (2009), Biology 8th
Jika Anda bertemu dengan seseorang yang berambut ungu, maka Anda akan berpikir bahwa rambut ungu tersebut tidak diwarisi dari orangtuanya. Disadari atau tidak, Anda sebenarnya telah melakukan observasi tentang warna rambut, dan barangkali juga sifat-sifat lain dan melihat variasi yang terdapat secara alami pada populasi. Rambut berwarna hitam, coklat, atau merah dan tipe rambut yang lurus atau keriting merupakan sebagian dari variasi sifat yang diturunkan. Prinsip genetika apakah yang bertanggungjawab terhadap transmisi trait tertentu dari orang tua kepada anak-anaknya? Penjelasan tentang hereditas pada tahun 1800an adalah hipotesis “blending”, yaitu materi genetik yang berasal dari dua orang tua bercampur seperti bercampurnya warna biru dan kuning yang membentuk warna hijau. Hipotesis ini memprediksi bahwa dalam beberapa generasi, suatu populasi yang melakukan perkawinan bebas akan menghasilkan populasi yang memiliki individu yang seragam. Namun demikian, pengamatan kita seharihari dan hasil dari percobaan pemuliaan hewan dan tumbuhan menunjukkan hasil yang kontradiktif. Hipotesis blending, juga gagal dalam menjelaskan fenomena lain pewarisan, seperti trait yang muncul kembali sesudah beberapa generasi. Bentuk alternatif dari model blending adalah hipotesis pewarisan: gen. Menurut model ini orang tua mewariskan unit keturunan (gen) yang menyimpan identitas terpisah kepada anak-anaknya. Genetika modern diawali oleh Gregor Mendel, yang mengembangkan teori pewarisan jauh sebelum kromosom ditemukan dan tingkah lakunya dipahami. Pada bab ini akan dibahas percobaan Mendel dan bagaimana Mendel sampai pada teori pewarisan. Pola pewarisan trait yang lebih kompleks dari observasi Mendel juga akan dibahas dengan konsep kunci: 1. Mendel used the scientific approach to identify two laws of inheritance 2. Inheritance patterns are often more complex than predicted by simple Mendelian genetics Kompetensi yang diharapkan adalah: ________________________________________________________________________ 1. Mahasiswa mampu menerangkan hukum segregasi dan hukum independent assortment 2. Mahasiswa mampu menjelaskan bagaimana expresi fenotif pada heterozigot berbeda dari complete dominance, incomplete dominance, dan codominance 3. Mahasiswa mampu mendefinisikan dan memberi contoh pleiotropy dan epistasis ________________________________________________________________________
120
1. Mendel used the scientific approach to identify two laws of inheritance Mendel’s Experimental, Quantitative Approach Salah satu alasan Mendel memilih bekerja dengan tanaman polong pea adalah karena tanaman ini memiliki varietas yang beragam (sebagai contoh, satu varietas memiliki bunga ungu dan varietas lain memiliki bunga putih). Variasi karakter diantara individu seperti warna bunga disebut karakter. Tiap-tiap varian dari sebuah karakter seperti ungu atau putih untuk warna bunga disebut trait (sifat). Alasan lain Mendel menggunakan tanaman tersebut adalah waktu generasinya yang pendek dan anakan yang dihasilkan dalam jumlah besar dalam satu kali perkawinan. Lebih jauh lagi Mendel dapat mengendalikan perkawinan antar tumbuhan. Organ reproduktif dari tanaman pea terdapat pada bunganya dan tiap bunga pea memiliki organ penghasil polen (stamen) dan organ penghasil sel telur (karpel). Di alam, tanaman ini pada umumnya melakukan fertilisasi sendiri: polen dari stamen membuahi karpel dari bunga yang sama, dan sperma yang dilepaskan oleh polen membuahi sel telur yang ada dalam karpel. Untuk memperoleh polinasi silang (fertilisasi antara tumbuhan berbeda), Mendel menghilangkan stamen muda pada tumbuhan sebelum mampu menghasilkan polen dan kemudian menyapukan polen dari tumbuhan lain pada bunga yang dipilih (Figure 14.2). Tiap-tiap zigot yang dihasilkan berkembang menjadi embrio tumbuhan yang dilindungi oleh biji. Mendel memilih untuk mengikuti karakter-karakter yang memiliki perbedaan yang mencolok. Sebagai contoh, tumbuhan yang dipakainya hanya memiliki bunga ungu atau bunga putih, dan tidak terdapat warna intermediate diantara dua verietas tersebut. Mendel juga meyakinkan bahwa ekperimen yang dilakukan dimulai dengan varietas yang selama beberapa generasi melakukan polinasi sendiri, yang hanya memproduksi varietas sama dengan induknya. Tumbuhan seperti ini disebut true-breeding (galur murni).
121
Sebagai contoh, tumbuhan dengan warna bunga ungu adalah true-breeding jika biji yang dihasilkan melalui self polination pada beberapa generasi juga menghasilkan tumbuhan yang berwarna bunga ungu. Dalam percobaan breeding, Mendel melakukan polinasi silang
122
dua galur murni varietas pea yang memiliki sifat berlawanan (sebagai contoh, tumbuhan berbunga ungu dan berbunga putih). Perkawinan atau penyilangan diantara dua varietas galur murni ini disebut hibridisasi. Induk galur murni disebut sebagai generasi P (generasi parental), dan anakannya disebut generasi F1 (generasi filial pertama). Hibrid F1 yang melakukan penyerbukan sendiri menghasilkan generasi F2 (generasi filial kedua). Mendel selanjutnya mengikuti perkembangan sifat dari P, F1 dan F2.
The Law of Segregation Jika model ”blending” benar maka hibrid F1 yang berasal dari persilangan antara tanaman pea yang berbunga ungu dan putih akan menghasilkan pohon dengan bunga ungu pucat, sebuah sifat intermediate antara kedua generasi P. Perhatikan Figure 14.2 yang menunjukkan eksperimen memberikan hasil yang berbeda: semua generasi F1 memiliki bunga ungu seungu induknya. Apa yang terjadi dengan gen tumbuhan berbunga putih pada hibrid tersebut? Jika hilang maka tumbuhan F1 hanya dapat menghasilkan anakan berbunga ungu pada generasi F2. Ketika Mendel membiarkan tumbuhan F1 untuk melakukan penyerbukan sendiri dan kemudian menanam bijinya, bunga putih muncul lagi dalam generasi F2. Mendel menggunakan sampel berukuran besar dan mencatat hasilnya secara akurat: 705 tumbuhan F2 memiliki bunga ungu, dan 224 memiliki bunga putih. Data ini sesuai dengan ratio tiga ungu dan satu putih (Figure 14.3). Mendel memberikan rational bahwa faktor keturunan untuk bunga putih tidak menghilang pada tumbuhan F1, tetapi tertutup ketika faktor keturunan bunga ungu ada. Dalam terminologi Mendel, warna bunga ungu adalah sifat dominan dan warna putih adalah sifat resesif. Munculnya kembali tumbuhan bunga putih pada generasi F2 merupakan bukti bahwa faktor keturunan menyebabkan warna putih tidak larut atau tidak rusak dengan adanya faktor bunga ungu dalam hibrid F1. Mendel mendapatkan pola keturunan yang sama dalam enam karakter lainnya yang masing-masing diwakili oleh dua sifat yang berbeda (Tabel 14.1). Sebagai contoh, ketika Mendel menyilangkan galur murni varietas yang memiliki biji halus bundar dengan biji berkeriput, semua hibrid F1 menghasilkan biji bundar halus yang merupakan sifat dominan bentuk biji. Pada generasi F2, 75% biji adalah biji bundar dan 25% biji keriput (perbandingan 3:1 seperti disajikan Figure 14.3).
123
124
125
Mendel’s Model Mendel mengembangkan suatu model untuk menjelaskan pola penurunan 3:1 yang secara konsisten ditemukan dalam experimennya dalam anakan F2. Terdapat empat konsep yang saling berhubungan yang menyususn model tersebut, dimana yang keempat adalah law of segregation. Pertama, alternative version of genes account for variations in inherited characters. Gen untuk warna bunga pada tanaman pea sebagai contohnya terdapat dalam dua versi, yaitu versi pertama untuk bunga ungu dan yang lainnya untuk bunga putih. Versi alternative dari gen disebut allel (Figure 14.4). Pada masa sekarang konsep ini dapat dikaitkan dengan kromosom dan DNA. Tiap-tiap gen adalah urutan tertentu nukleotida pada tempat yang spesifik yang disebut locus pada kromosom tertentu. DNA pada locus tersebut dapat sedikit bervariasi dalam urutan nukleotidanya demikian juga dengan informasi yang dikandungnya. Alel bunga ungu dan alel bunga putih adalah kemungkinan dua variasi DNA pada locus warna bunga pada salah satu kromosom tanaman pea.
Kedua, for each characters, an organism inherits two alleles, one from each parent. Mendel menarik deduksi ini tanpa mengetahui peran kromosom. Ingatlah bahwa tiap sel somtik pada organisme diploid memiliki dua set kromosom, tiap-tiap set diwarisi dari tiap orang tua. Dua alel pada locus tertentu dapat bersifat identik seperti tanaman galur murni pada generasi P atau kedua alel tersebut bisa berbeda seperti pada hybrid F1.
126
Ketiga, if the two alleles at a locus differ, then one, the dominant allele, determines the organism’s appearance; the other, the recessive allele, has no noticeable effect on the organism’s appearance. Tumbuhan F1-nya Mendel memiliki bunga ungu karena alel untuk sifat tersebut dominan dan alel bunga putih resesif. Keempat dan bagian terakhir dari model Mendel, law of segregation (hukum segregasi), menyatakan bahwa the two alleles for a heritable character segregate (separate) during gamete formation and end up in different gametes. Dengan demikian, sel telur atau sel sperma hanya mendapatkan satu dari dua alel yang terdapat di dalam sel somatik organisme yang membentuk gamet. Dalam kromosom, pemisahan ini sejalan dengan distribusi dari dua anggota pasangan kromosom homolog ke dalam gamet yang berbeda pada pembelahan meiosis (lihat Figure 13.7). Ingatlah bahwa jika sebuah organisme memiliki alel yang identik untuk karakter tertentu, berarti organisme tersebut adalah galur murni untuk karakter tersebut, sehingga alel tersebut terdapat di keseluruhan gamet. Tetapi jika alel yang ada berbeda, maka 50% dari gamet menerima alel dominan dan 50% menerima alel resesif. Apakah model segregasi Mendel menentukan ratio 3:1 yang diamatinya pada generasi F2? Untuk karakter warna bunga, model tersebut memprediksikan bahwa dua alel yang berbeda pada individu F1 akan bersegregasi ke dalam gamet sedemikian rupa sehingga separoh dari gamet akan memiliki alel bunga ungu dan separoh lagi akan memiliki alel bunga putih. Selama penyerbukan sendiri, gamet dari tiap-tiap kelompok menyatu secara random. Sel telur dengan alel bunga ungu memiliki kesempatan yang sama untuk dibuahi oleh sperma dengan alel bunga ungu atau dengan alel bunga putih. Karena hal yang sama dapat terjadi pada sel telur dengan warna bunga putih maka terdapat empat kemungkinan kombinasi yang sama dari sel telur dan sperma. Figure 14.5 menggambarkan kombinasi tersebut menggunakan Punnett square, sebuah diagram praktis untuk memprediksi komposisi alel anakan dari penyilangan antara individu yang telah diketahui susunan genetiknya. Ingatlah bahwa huruf besar digunakan untuk menyimbolkan alel dominan dan huruf kecil untuk alel resesif. Pada contoh diatas, P adalah alel bunga ungu, dan p adalah alel bunga putih. Bagaimanakah penampilan fisik dari anakan F2? Seperempat dari tanaman mewarisi dua alel bunga ungu sehingga memiliki bunga yang berwarna ungu. Setengah dari anakan F2 mewarisi satu alel bunga ungu dan satu alel bunga putih; dan memiliki bunga warna ungu. Seperempat dari anakan F2 mewarisi dua alel bunga pitih dan mengekspresikan bunga warna putih. Mendel memperoleh ratio 3:1 untuk sifat yang terdapat pada generasi F2.
127
128
The Law of Independent Assortment Hukum segregasi Mendel berawal dari ekperimen dengan karakter tunggal seperti warna bunga. Semua keturunan F1 yang dihasilkan adalah galur murni monohibrid. Mendel mengidentifikasi hukum kedua dengan mengamati dua karakter pada waktu yang bersamaan seperti warna biji dan bentuk biji. Figure 14.8 menggambarkan penyilangan dihibrid yaitu penyilangan antara dihibrid F1. Hasil dari percobaan dihibrid tersebut menjadi dasar dari law of independent assortment, yang menyatakan bahwa each pair of alleles segregates independently of each other pair of alleles during gamete formation. Hukum ini hanya berlaku bagi gen (pasangan alel) yang terletak pada kromosom yang berbeda yaitu pada kromosom yang tidak homolog. Gen yang terletak berdampingan pada kromosom yang sama cenderung untuk diwariskan secara bersama-sama dan memiliki pola penurunan yang lebih kompleks dari pada yang dapat diprediksikan oleh hukum independent assortment.
2. Inheritance patterns are often more complex than predicted by simple Mendelian genetics Extending Mendelian Genetics for a Single Gene Penurunan karakter oleh gen tunggal menyimpang dari pola Mendel jika alel secara keseluruhan tidak menunjukkan sifat dominan atau sifat resesif yaitu ketika gen tertentu memiliki lebih dari dua alel atau ketika satu gen menghasilkan lebih dari satu fenotif. Degrees of Dominance Alel dapat menunjukkan tingkat dominansi atau resesif yang berbeda satu dengan lainnya. Pada penyilangan pea yang dilakukan Mendel, anakan F1 selalu menunjukkan salah satu sifat dari sifat kedua induknya karena satu alel dari pasangan alel menunjukkan complete dominance (dominansi lengkap) terhadap alel lainnya dari pasangan tersebut. Pada beberapa gen, tidak ada alel yang secara lengkap mendominasi, sehingga anakan F1 memiliki fenotif diantara variasi kedua induknya. Fenomena ini disebut incomplete dominance dan ditunjukkan oleh penyilangan tanaman snapdragon berbunga merah dan putih dimana seluruh hibrid F1 memiliki bunga berwarna pink (Figure 14.10). Fenotif ketiga ini muncul karena bunga dari heterozigot memiliki pigmen merah lebih sedikit dibandingkan dengan homozigot warna merah.
129
Variasi lain dari hubungan dominansi antar alel disebut codominance. Pada variasi ini kedua alel mempengaruhi fenotif dengan cara yang terpisah dan berbeda. Sebagai contoh, golongan darah MN manusia ditentukan oleh alel codominan untuk dua molekul khusus yang terletak di permukaan sel darah merah yaitu molekul M dan molekul N. Sebuah lokus tunggal (dengan dua kemungkinan variasi alel) menentukan fenotif golongan darah. Individu homozigot untuk alel M (MM) memiliki sel darah merah dengan molekul M saja sedangkan individual homozigot untuk alel N (NN) hanya memiliki sel darah merah dengan molekul N saja. Jika kedua molekul M dan N terdapat pada sel darah merah, individu tersebut adalah heterozigot untuk alel M dan N (MN). Ingatlah bahwa fenotif MN bukan fenotif intermediate antara M dan N.
130
Frequency of Dominant Alleles Terdapat suatu anggapan bahwa alel dominan suatu karakter akan lebih umum ditemukan dalam suatu populasi dari pada alel yang resesif, namum tidaklah selalu demikian. Sebagai contoh, hanya sekitar satu dari 400 bayi di US dilahirkan dengan jari tangan atau kaki lebih dari lima (polydactyly). Kasus polydactyly disebabkan oleh terdapatnya alel dominan. Rendahnya frekuensi polydactyly menunjukkan bahwa alel resesif (menghasilkan 5 jari) lebih prevalen dari pada alel dominan dalam suatu populasi. Multiple Alleles Sebagian besar gen memiliki lebih dari dua bentuk alel. Golongan darah ABO manusia sebagi contohnya ditentukan oleh tiga alel dari satu gen yaitu IA, IB dan i. Satu orang dapat memiliki golongan darah A, B, AB atau O. Huruf-huruf tersebut mengacu pada karbohidrat yang terdapat pada permukaan sel darah merah. Darah seseorang dapat memiliki karbohidrat A (golongan darah A), karbohidrat B (golongan darah B), keduanya (AB) atau tidak memiliki sama sekali (O) (Figure 14.11).
131
Pleiotropy Sebagian besar dari gen memiliki multiple effect (efek ganda) terhadap fenotifnya, disebut pleiotropy. Pada manusia, alel pleiotropi bertanggungjawab terhadap gejala multipel yang berhubungan dengan penyakit yang dirunkan seperti cystic fibrosis dan sickle-cell. Pada tanaman pea, gen yang menentukan warna bunga juga mempengaruhi warna lapisan luar biji (abu-abu atau putih).
132
Extending Mendelian genetics for Two or More Genes Epistasis Pada epistasis, satu gen pada satu lokus mengubah ekspresi fenotik dari gen pada lokus lain. Sebagai contoh, pada tikus dan mamalia lain, bulu warna hitam (B) dominan terhadap warna coklat (b). Untuk mendapatkan bulu warna coklat seekor tikus harus memiliki genotif bb; tetapi gen kedua menentukan apakah pigmen akan didepositkan pada bulu. Alel dominan C menghasilkan deposisi pigmen baik hitam maupun putih tergantung dari genotif pada lokus pertama. Jika tikus tersebut adalah homozigot resesif (cc), maka bulunya berwarna putih walaupun genotif warna menunjukkan hitam/coklat pada lokus pertama. Dalam kasus ini gen deposisi pigmen (C/c) dikatakan epistatik terhadap gen pengkode pigmen hitam atau coklat (B/b). Apakah yang terjadi jika tikus hitam heterozigot disilangkan? Lihat gambar 14.12.
133
Polygenic Inheritance Mendel mempelajari karakter yang dapat dipisahkan (contoh warna ungu dan warna putih pada bunga) namun banyak karakter yang tidak dapat dipisahkan dengan jelas seperti warna kulit manusia dan tinggi manusia karena karakter ini bervariasi sepanjang continuum (memiliki gradasi). Hal tersebut dikatakan debagai quantitatif characters. Variasi kuantitatif pada umumnya menunjukkan adanya polygenic inheritance, yaitu suatu efek tambahan dari dua atau lebih gen terhadap satu karakter fenotif (kebalikan dari pleiotropy dimana satu gen mempengaruhi beberapa karakter fenotif). Pigmentasi kulit manusia ditentukan oleh paling sedikit tiga gen terpisah yang diwariskan (Figure 14.13).
134
RINGKASAN Gen memiliki bentuk alternatifnya (alel). Pada organisme diploid, dua alel dari suatu gen terpisah selama pembentukan gamet: setiap sel sperma atau sel telur hanya membawa satu alel dari setiap pasangnya. Hukum ini menjelaskan ratio 3:1 pada fenotif monohibrid F2 yang melakukan polinasi sendiri. Setiap organisme mewarisi satu alel dari tiap gen dari tiap orang tua. Pada organisme heterozigot, dua alel tersebut berbeda, dan expresi dari salah satu (alel dominan) menutupi efek fenotifik dari alel yang lainnya (alel resesif). Organisme homozigot memiliki alel identik pada gen tertentu dan disebut sebagai galur murni.
135
Setiap pasangan alel (untuk satu gen) terpisah ke dalam gamet secara independen terhadap pasangan yang lainnya. Pada perkawinan silang dihibrid (individu heterozigot untuk dua gen), keturunannya menghasilkan empat fenotif dengan ratio 9:3:3:1.
136
QUIZ 1. Dalam proses pembentukan gamet, sel telur atau sel sperma hanya memiliki satu dari dua alel yang terdapat dalam sel. Hal ini merupakan penjelasan dari A. law of segregation B. dominasi alel C. law of independent assortment D. model Mendel 2. Fenomena incomplete dominance disebabkan oleh tidak adanya alel yang secara lengkap mendominasi (B/S) 3. Contoh gen yang memiliki multiple alleles adalah A. gen warna kulit manusia B. gen warna bulu tikus C. gen golongan darah ABO D. semua jawab salah 4. Versi alternatif dari gen disebut lokus (B/S) 5. Replikasi DNA dimulai dari tempat yang disebut origins of replication (B/S)
137
X. Biologi Molekuler Gen (The Molecular Basis of Inheritance) Diambil dari Campbell et al (2009), Biology 8th
Dari semua molekul alam, asam nukleat memiliki keunikan dalam mereplikasi dirinya sendiri dengan menggunakan monomer-monomer. Kemiripan keturunan dengan induknya adalah berdasarkan replikasi DNA yang akurat dan transmisi DNA dari satu generasi kepada generasi berikutnya. Informasi hereditas terkandung di dalam bahasa kimia DNA yang mampu menggandakan diri dalam sel. Program DNA inilah yang mengararahkan perkembangan biokimia, anatomi, fisiologi, dan dalam beberapa hal trait tingkah laku organisme. Dalam bab ini akan dibahas bagaimana DNA bereplikasi dan bagaimana sel melakukan reparasi terhadap DNA yang rusak. Pada bagian akhir akan dikaji bagaimana DNA dikemas dalam bentuk kromosom. Konsep kinci yang diacu adalah: 1. Many proteins work together in DNA replication and repair 2. A chromosome consists of a DNA molecule packed together with proteins Sedangkan kompetensi yang diharapkan meliputi ________________________________________________________________________ 1. Mahasiswa mampu mendeskripsikan struktur DNA 2. Mahasiswa mampu mendeskripsikan proses replikasi DNA 3. Mahasiswa mampu mendeskripsikan kerja dari DNA polymerase, DNA ligase, primer, primase, helicase, topoisomerase, dan single-strand binding proteins 4. Mahasiswa mampu mendeskripsikan pengemasan kromosom ________________________________________________________________________
Struktur DNA The DNA Double Helix Molekul DNA memiliki dua polinukleotida yang terpilin seperti spiral disepanjang axis imajiner membentuk double helix (Figue 5.28). Kedua rangka gula-fosfatnya terletak dengan arah yang saling terbalik terhadap salah satu pasangannya (suatu aransemen/ tataletak yang disebut sebagai antiparalel). Rangka gula-fosfat terletak dibagian luar dari helix dan basa-basa nitrogen saling berpasangan di bagian dalam helix. Kedua untai polinukleotida ini terikat oleh ikatan hidrogen. Hanya basa-basa tertentu dalam double helix yang kompatibel. Adenin (A) selalu berpasangan dengan timin (T) dan guanin (G) selalu berpasangan dengan sitosin (C). Jika urutan basa dari salah satu untai DNA dibaca maka akan diketahui urutan basa pada untai pasangannya. Sebagai contoh, salah satu untai memiliki urutan basa 5’-AGGTCCG-3’ maka urutan basa pada untai pasangannya adalah 3’-TCCAGGC-5’. Sifat inilah yang memungkinkan DNA mampu melakukan salinan yang akurat dan bertanggungjawab terhadap penurunan sifat. Pada
138
pembelahan sel, tiap-tiap untai DNA menjadi template (cetakan) untuk menyusun untai baru. Hasilnya berupa salinan yang identik dengan molekul DNA untai ganda yang asli. Jadi struktur DNA menjelaskan fungsi DNA dalam mentransmisikan informasi genetik pada saat sel bereproduksi.
1. Many proteins work together in DNA replication and repair DNA Replication: A Closer Look Bacteria E. coli memiliki kromosom tunggal yang terdiri dari sekitar 4.6 juta pasang nukleotida. Pada lingkungan yang menguntungkan, sel E. coli mampu menyalin seluruh DNA-nya dan memisahkan diri untuk membentuk dua individu baru yang identik secara genetik dalam waktu kurang dari satu jam. Tiap sel manusia memiliki sekitar enam milyard pasang basa; dan sel manusia hanya membutuhkan waktu beberapa jam saja untuk
139
menyalin seluruh DNA-nya. Replikasi dari informasi genetik yang sangat banyak ini dilakukan dengan kesalahan yang sangat rendah (sekitar satu diantara 10 milyard nukleotida). Lebih dari 12 macam enzim dan protein lain terlibat dalam replikasi DNA.
Getting Started Replikasi molekul DNA dimulai dari tempat khusus yang disebut origins of replication (rangkaian pendek DNA yang memiliki sequence nukleotida tertentu). Kromosom E. coli seperti pada bacteria lainnya berbentuk sirkular dan memiliki satu origin. Protein yang mengawali replikasi DNA mampu mengenali sequence origin kemudian menempel pada DNA, memisahkan dua untai dan membentuk replication bubble (gelembung replikasi). Replikasi DNA selanjutnya berjalan dari dua arah sampai seluruh DNA disalin (Figure 16.12a). Pada kromosom sel eukariot terdapat ratusan bahkan ribuan origins of replication. Terbentuk banyak gelembung replikasi yang akhirnya akan menyatu sehingga mempercepat penyalinan molekul DNA yang sangat panjang (Figure 16.12b). Pada ujung gelembung replikasi terdapat replication fork (garpu replikasi) yaitu suatu are berbentu huruf Y dimana untai DNA induk dibuka jalinanya. Beberapa macam protein berperan dalam proses terbukanya jalinan/untaian DNA (16.13). Helicase adalah enzim yang berperan dalam membuka pilinan dari double helix pada area replication fork sehingga memisahkan dua untai induk DNA dan membuat untai ini sebagai untai cetakan. Sesudah pemisahan untai induk, single-strand binding protein, mengikat untai tunggal DNA dan menstabilkan untai ini. Terbukanya lipatan dari double helix menyebabkan terjadinya lipatan yang lebih erat/kuat dan ketegangan pada area didepan replication fork. Oleh karena itu topoisomerase yang berfungsi membantu mengurangi ketegangan menggabungkan diri dengan untai DNA.
140
Dua untai DNA induk yang telah terpisah berlaku sebagai template (cetakan) untuk mensintesa untai DNA baru. Namun demikian, enzim yang mensintesa DNA tidak dapat memulai sintesis polinukleotida; enzim ini hanya mampu menambahkan nukleotida pada ujung dari rantai yang sudah ada yaitu yang telah berpasangan dengan untai dari cetakan induk. Rantai nukleotida awal yang dihasilkan selama sintesis DNA sebenarnya adalah untai pendek dari RNA, bukan DNA. Rantai pendek RNA ini disebut primer dan primer tersebut disintesa oleh enzim primase. Primase mengawali rantai pendek RNA dari satu nukleotida RNA yang ditambahkan satu persatu mengikuti untai DNA induk sebagai template-nya. Primer pada umumnya memiliki 5-10 nukleotida. Untai DNA yang baru dimulai dari ujung 3’ primer RNA.
141
Synthesizing a New DNA Strand Enzim DNA polimerase mengkatalisis sintesis DNA baru dengan menambahkan nukleotida pada rantai yang telah terbentuk sebelumnya. Pada E. Coli terdapat beberapa DNA polimerase yang berlainan tetapi hanya dua yang berperan sangat penting dalam replikasi DNA: DNA polimerase III dan DNA polimerase I. Situasi pada sel eukariot lebih kompleks dan paling sedikit terdapat 11 DNA polimerase yang berlainan. Namun demikian prinsip dasar replikasi DNA antara sel prokariotik dan sel eukariot adalah sama. Dalam bekerjanya, DNA polimerase membutuhkan primer, untai DNA template dan nukleotida DNA. Pada E. Coli DNA polemerase III menambahkan nukleotida DNA pada ujung primer RNA dan seterusnya menambahkan nukleotida DNA pada ujung yang baru terbentuk sesuai dengan yang telah didiktekan oleh untai induk dari DNA template. Laju dari perpanjangan DNA ini mencapai 500 nukleotida per detik pada bacteria dan 50 per detik pada sel manusia.
Proof reading and Repairing DNA Ketepatan dari replikasi DNA tidak hanya tergantung dari spesifikasi pasangan basa saja. Kekeliruan dapat terjadi terhadap salinan DNA dan kekeliruan ini dapat mencapai satu dalam 10 milyard nukleotida. Kekeliruan yang terjadi pada awal pasangan antara nukleotida yang dipasangkan dan nukleotida yang ada pada untai induk DNA template dapat mencapai satu dalam 100,000 nukleotida. Selama terjadinya replikasi DNA, DNA polimerase melakukan proofreading terhadap tiap nukleotida yang dipasangkan dengan nukleotida untai induk segera sesudah ditambahkan pada untai baru. Jika polimerase mendeteksi adanya pasangan nukleotida yang keliru, polimerase memindahkan nukleotida yang tidak cocok tersebut dari untai baru, enzim ini kemudian memulai kembali proses sintesis untai DNA baru. Pasangan nukleotida yang keliru dapat terjadi sesudah proses replikasi. Pada kenyataannya pemeliharaan informasi genetik dalam DNA membutuhkan reparasi. Molekul DNA secara terus menerus terekspose pada lingkungan kimiawi dan fisik yang membahayakan. Berbagai zat kimia reaktif (dalam lingkungan maupun secara alami di
142
dalam sel), emisi radioaktif, sinar X, sinar UV dan beberapa molekul dalam asap rokok mampu mengubah nukleotida dan mempengaruhi pengkodean informasi genetik. Selain itu, basa DNA seringkali melakukan perubahan kimiawi secara spontan pada kondisi sel normal tetapi perubahan ini pada umumnya diperbaiki sebelum terjadi mutasi. Setiap sel secara terus menerus memonitor dan memperbaiki materi genetiknya. Karena reparasi dari DNA yang rusak penting untuk kelangsungan hidup sel, maka tidak mengherankan jika banyak terdapat enzim yang mereparasi DNA dalam sel. Sekitar 100 enzim reparasi DNA diketahui terdapat pada E. coli dan sekitar 130 sudah teridentifikasi sebagai enzim reparasi DNA pada manusia. Sebagian besar sistem sel yang bekerja memperbaiki pasangan nukleotida yang keliru (baik karena kerusakan DNA ataupun karena kekeliruan dalam replikasi) dilakukan menggunakan mekanisme struktur pasangan basa DNA . Segmen dari untai DNA yang mengandung pasangan keliru dipotong oleh enzim pemotong DNA, nuklease. Area kosong karena pemotongan tersebut diisi dengan nukleotida yang sesuuai dengan informasi pada DNA template. Enzim yang terlibat adalah DNA polimerase dan DNA ligase (Figure 16.18).
143
Replicating the Ends of DNA Molecules Molekul DNA sel eukariot memiliki sequence nukleotida khusus yang disebut telomere pada akhir dari untai DNA yang direplikasi. Telomere tidak mengandung gen tetapi mengandung DNA dengan pengulangan nukleotida. Pada manusia, telomere mengandung sequence enam nukleotida TTAGGG yang diulang antara 100 hingga 1000 kali. Telomere melindungi gen organisme (bersama-sama dengan protein yang berasosiasi dengannya) (ujung untai baru DNA bergerak tidak menentu dan dapat mengakibatkan terpisahnya molekul DNA menjadi dua untai yang kemudian mengaktifkan jalur signal transduction yang menyebabkan berhentinya siklus sel atau mengakibatkan kematian sel).
144
2. A chromosome consists of a DNA molecule packed together with proteins Komponen utama genome dari sebagian besar bacteria berupa satu molekul sirkular DNA yang memiliki dua untai. Molekul tersebut berasiosiasi dengan sejumlah kecil protein. Kromosom eukariot tersusun atas DNA linier yang berasosiasi dengan protein dalam jumlah besar. Pada E. coli kromosomnya tersusun atas 4.6 juta pasang nukleotida yang terdiri atas 4,400 gen. Jumlah ini 100 kali lipat jumlah DNA yang dapat ditemukan pada virus tetapi hanya merupakan seper seribu DNA pasda sel somatik manusia. Jika dipanjangkan, DNA E. coli dapat mencapai satu milimeter (500 kali panjang selnya). Dalam sel bakteria, protein tertentu menyebabkan kromosom tergulung, dan memadat sedemikian rupa sehingga mampu menempati sebagian sitoplasma. Kromosom eukariot masing-masing tersusun atas DNA double-helix yang pada manusia terdiri atas kurang lebih 1.5 x 108 pasang nukleotida. Di dalam sel, DNA eukatriot bergabung dengan sejumlah besar protein. Secara bersama-sama komponen DNA dan protein yang disebut chromatin, mampu menempati nukleus melalui sistem pengepakan yang rumit dan bertingkat. Figure 16.21 menyajikan tahapan tingkatan pengepakan DNA dalam kromosom.
145
146
147
RINGKASAN
DNA polimerase melakukan proofreading terhadap DNA baru, mengganti nukleotida yang tidak tepat. Dalam kasus pasangan basa yang keliru, enzim-enzim mengkoreksi kekeliruan yang ada. Reparasi pemotongan nukleotida merupakan proses umum dimana enzim memotong dan mengganti DNA yang rusak. Ujung akhir dari DNA kromosom organisme eukariot memendek dalam setiap siklus replikasi . Terdapatnya telomere (yaitu suatu sekuen repetitif yang terdapat di ujung molukul DNA) mampu menunda terjadinya erosi pada gen. Kromosom bakteria pada umumnya berbentuk molekul DNA sirkular dengan protein. Kromatin eukariotik yang membentuk kromosom tersusun atas sebagian besar DNA, histone, dan protein lain. Histone berikatan satu dengan lainnya dan berikatan dengan DNA membentuk nukleosom, yang merupakan unit dasar pengepakan DNA
QUIZ 1. Pada tahap awal replikasi DNA, pilinan dari untai ganda DNA dipisahkan oleh enzim A. primase B. single-strand binding protein C. helicase D. topoimerase 2. Protein yang bertanggungjawab terhadap pengepakan DNA pada level pertama adalah A. nucleosome B. binding protein C. primase D. histone 3. Kromatin adlah struktur pada intisel yang tersusun atas molekul DNA dan enzim-enzim yang berasosiasi (B/S) 4. Di dalam nukleosom, molekul DNA membungkus protein ___________ a. molekul polimerase b. ribosom c. histone d. timin 5. Agar sintesis polinukleotida dapat dimulai pada replikasi molekul DNA, primer harus disintesa terlebih dahulu oleh _______ yang sebenarnya merupakan untai pendek dari molekul ______ a. primase; DNA b. DNA polimerase; DNA c. RNA polimerase; RNA d. primase; RNA
148
