DNA REPAIR, MUTASI GEN dan POLIMORFISME

20/12/2015
DNA REPAIR,
MUTASI GEN dan
POLIMORFISME
oleh:
PERBAIKAN DNA
DNA bukanlah substansi yang lemah, 
mampu menetralisasi “gangguan-gangguan”
 tidak membawa efek negatif.
dr.Syazili Mustofa
Departemen Biokimia dan Biologi Molekuler
Fakultas Kedokteran Universitas Lampung
2015
Pada fase G1 (Gap 1) terdapat check point
Apabila ada kesalahan DNA, sel mempunyai
dua pilihan :
Pertama, kesalahan tersebut diperbaiki
dengan cara mengaktifkan DNA repair.
Mekanisme yang dimiliki DNA tersebut
adalah mekanisme DNA repair (perbaikan
DNA) yang terjadi pada fase tertentu dalam
siklus sel.
MEKANISME PERBAIKAN DNA
Ada 3 mekanisme utama: 1.Base excision,
2. Nucleotide excision
3. Mismatch repair.
kedua yaitu “dimatikan” berapoptosis
Sel dengan DNA normal melengkapi
siklus yang tersisa yaitu S (Sintesis), G2
(Gap 2) dan M (Mitosis).
1
20/12/2015
Base excision
(Pemotongan Basa)
Basa-basa DNA dapat dirusak melalui
deamination atau alkylation. Tempat kerusakan
basa tersebut disebut dengan "abasic site" atau
"AP site". Pada E.coli, enzim DNA glycosylase
dapat mengenal AP site dan membuang
basanya.
Kemudian AP endonuclease
membuang AP site dan
nucleotida
sekitarnya.
Kekosongan akan diisi dengan
bantuan DNA polymerase I dan DNA ligase.
Nucleotide excision
(Pemotongan nukleotida)
Pada E. coli, protein UvrA, UvrB, dan UvrC
berperan dalam membuang nukleotida
( dimer akibat UV light). Kemudian kekosongan
akan diisi dengan bantuan enzim DNA
polymerase I dan DNA ligase.
Pada
yeast, proteins Uvr's dikenal dengan nama
RADxx ("RAD" kependekan dari "radiation"),
seperti RAD3, RAD10 dll
2
20/12/2015
1. Reparasi dengan memotong (excission repair)
Terdiri dari 3 tahap:
a. Mengenali DNA yang ‘rusak’ kemudian memotong
DNA tersebut  oleh enzim DNA glycosilase
b. Menginkorporasi nukleotida pada daerah yang
terpotong/hilang tersebut  oleh enzim DNA
polymerase
in the gap
c. Menyambungkan nukleotida yang baru pada untaian
DNA asal  oleh enzim DNA ligase
2. Reparasi yang tergantung oleh sinar (light-dependent
repair)
Misalnya, untuk kerusakan karena terjadinya Timin
dimer
Tahap-tahapnya:
a. Enzim Fotoliase mengenali adanya timin dimer dan
mengikat timin dimer tsb
b. Dengan bantuan sinar, enzim fotoliase
memotong/menguraikan ikatan antar timin tsb
Beberapa penyakit disebabkan oleh rusaknya sistem reparasi DNA
Nama
Fenotip
Enzim yang dipengaruhi
--------------------------------------------------------------------------------Xeroderma pigmentosum
Kanker kulit, sensititif thdp UV
nucleotide excission repair
Ataxia-telangecia (AT)
Leukemia, limfoma
ATM protei,
3
20/12/2015
Mismatch repair
(Perbaikan yang tidak berpasangan)
Untuk memperbaiki basa yang tidak berpasangan
harus diketahui pasangan basa mana yang salah. Pada
E. coli, ini dapat diketahui oleh methylase yang disebut
dengan "Dam methylase", dimana dapat memetilasi
adenines yang terdapat pada urutan (5')GATC . Segera
sesudah replikasi DNA, template strand dimetilasi,
tetapi strand yang baru disintesa belum dimetilasi. Jadi
antara template strand dan new strand akan berbeda. .
Dimulai dengan berikatannya protein MutS
pada mismatched base pairs. Kemudian MutL
mengaktifkan MutH untuk bergabung bersama
pada urutan GATC. MutH akan membelah
strand yang tidak dimetilasi pada tempat
GATC . Selanjutnya, segment dari tempat
pembelahan akan dibuang oleh enzim
exonuclease (dengan bantuan enzim helicase II
dan SSB proteins).
Bila pembelahannya pada bagian 3' dari kerusakan,
akan dipotong oleh enzim exonuclease I dan bila pada
bagian 5' oleh enzim exonuclease VII atau RecJ untuk
mendegradasi single tranded DNA. Kekosongannya
akan diisi dengan bantuan enzim DNA polymerase III
dan DNA ligase.
Jarak antara tempat GATC dengan kerusakan bisa
mencapai sepanjang 1,000 base pairs
Bagaimanapun juga perbaikan sistem ini mahal dan
tidak efisien.
4
20/12/2015
Mutasi gen
- Perubahan pada materi genetik (DNA) yang dapat
diturunkan
- Disebabkan oleh 2mekanisme dasar:
* kesalahan pada proses replikasi DNA
* kegagalan dalam mereparasi DNA yang rusak
- terjadi secara spontan atau diinduksi oleh
agent fisik atau bahan kimia (mutagen)
- organisma yg mengalami mutasi : mutan
- berperan dlm evolusi mahluk hidup; pada bakteri
utk resistensi thdp antibiotik
Contoh-contoh mutasi gen:
3 Faktor utama yang menyebabkan terjadinya
mutasi spontan
1. Keakuratan komponen-komponen (“mesin”)
dalam
replikasi DNA
2. Efisiensi mekanisme proses perbaikan DNA yg
rusak
(DNA repair mechanism)
3. Tingkat pemaparan mutagenic agents yg ada di
lingkungan
Proses mutasi dan ekspresinya pada individu
normal dan mutannya
5
20/12/2015
“Point mutation” : mutasi yang melibatkan perubahan
tempat spesifik dalam suatu gen, termasuk substitusi, delesi
dan insersi pasangan basa.
Mekanisme terjadinya mutasi
1. Tautomerisasi pada replikasi DNA
“Missense mutation” : mutasi yang menyebabkan perubahan
kodon spesifik suatu asam amino ke asam amino yang lain
“Nonsense mutation” : mutasi yang menyebabkan perubahan
kodon spesifik suatu asam amino ke kodon terminasi
“Frameshift mutation” : mutasi yang merubah “pembacaan”
dari mRNA, disebabkan oleh adanya delesi atau insersi
pasangan basa
Tautomerisasi: proses berpindahnya atom hidrogen
dari basa nitrogen yg satu ke yang lain.
Mutasi yang ditimbulkan:
- Mutasi transisi: perubahan basa nitrogen dari
purin ke purin atau pirimidin ke pirimidin
- Mutasi tranversi: perubahan basa nitrogen dari
purin ke pirimidin atau sebaliknya
2. Kegagalan dalam mereparasi DNA yang rusak
Reparasi DNA yang rusak dapat dilakukan dengan
cara, antara lain:
- Pengguntingan DNA
yang rusak dengan
menggunakan
enzim DNA glikosilase
6
20/12/2015
- Reparasi DNA dengan
menggunakan cahaya/sinar
(fotoreaktivasi), dengan
menggunakan enzim DNA
fotoliase
“Mutagenic agent”
• Bahan Kimia
- “alkylating agent”: bahan kimia yang dapat
memindahkan gugus alkyl ke basa nitrogen pada
DNA.
Contoh: Gas mustard [Di-(2-chloroethyl) sulfide]
EMS (Ethyl methane sulfonate)
- Basa analog: bahan kimia yg strukturnya mirip
dengan basa nitrogen normal, yang dapat terinkoporasi
ke dalam DNA
Contoh: 5-Bromouracil (BU)
2-Aminopurin (2-AP)
- “Deaminating agent”: dapat mendeaminasi
gugus amino pada basanitrogen
Contoh: Asam nitrous (HNO2)
- “Hydroxylating agent”: menghidroksilasi gugus
amino pada pada basa nitrogen, sehingga
terjadi mutasi transisi. Contoh: Hydroxylamine
- Zat warna akridin (proflavin): mengikat
molekul DNA
-Sinar Radiasi: Radiasi ion (sinar X, sinar
gamma, sinar kosmik dan Radiasi non ion (sinar
ultra violet)
Kelainan-kelainan akibat mutasi gen
- “Sickle cell anemia”: mutasi substitusi pada gen
beta globin sehingga terjadi perubahan dalam alel
hemoglobin S dari hemoglobin A yang normal,
menyebabkan bentuk sel darah merah abnormal
(“sickle”)
- “Tay-Sachs disease”: mutasi pada gen HEXA
yang mengkode enzym Hexosamidase A
meyebabkan enzim tidak dapat mengkatalisis
perubahan ganglioside GM2 menjadi GM3 yang
diperlukan untuk menyelubungi sel saraf,
sehingga fungsi sel saraf terganggu
7
20/12/2015
- Penyakit/kelainan yang disebabkan oleh adanya defek
dalam metabolisme fenilalanin-tirosin, yang merupakan
asam amino penting dalam sintesis protein
Mutation in exon 6 of VDAC3 gene in sperm with low motility
Polimorfisme
174
Sequence of PCR
product from sperm
with normal motility
Posisition 174 : AAG
(Lysine)
Sequence of PCR
product from sperm
with low motility
• Variasi biologis merupakan fenomena
alami
• Dapat diamati pada semua mahluk hidup
organisma unisel sampai multisel
• Ada dalam populasi maupun antar populasi
• Dapat bersifat kontinyu dan tak-kontinyu
Posisition 174 : GAG
(glutamic acid)
8
20/12/2015
• Merupakan hasil antaraksi faktor
genetik dan nir-genetik
• Dapat dilihat pada aras fenotipik bahkan
genotipik
• Mudah diamati pada aras fenotipik lewat
indera dan/atau alat bantu
• Dapat menghasilkan polimorfisma
Polimorfisma genetik?
Keberadaan lebih dari satu alel dalam
suatu lokus genetik dengan frekuensi
alel-jarang ≥1% di dalam suatu populasi
Mutasi
Definisi lain
• “The occurrence in a population (or among
populations) of several phenotypic forms
associated with alleles of one gene or
homologs of one chromosome”
• “Difference in DNA sequence among
individuals, groups, or populations (e.g.,
genes for blue eyes versus brown eyes)”
Variasi biologis &
polimorfisma
“Genetic
Drift”
Migrasi
(“gene flow”)
Isolasi
genetik
Seleksi
9
20/12/2015
Forms of polymorphism
• Single Nucleotide Polymorphisms
(SNP)
• Variable number of tandem repeats
(VNTR)
• Microsatellites
10
20/12/2015
POLY
MORPHISM
SNPs
MU
Sequence repeats
TA
Insertions
TI
Deletions
ON
Recombination
Chance
procesess
Induced by
external agents
e.g. viruses or
radiation
Polymorphism throughout human
genome
• 1.42 million SNPs estimated (other
estimation: 1 in 1000 DNA bp in
human genome  over 3 million SNPs
in the entire human genome)
• 60,000 SNPs fall within coding
regions
• Approx. 25% non-synonymous SNP
could affect the function of
corresponding gene product
Efek polimorfisme
• Is reflected in the diversity of the gene
products – structural proteins, enzymes,
channel proteins, transporters & binding
proteins, receptors & post receptor
signaling cascades
• Immune biology is characterized by
extensive polymorphism
• Adanya variasi genetik menyebabkan
perbedaan aktivitas dan kapasitas suatu
enzim dalam menjalankan fungsinya
misalnya respon individual terhadap obat,
stress oksidatif dll
• Contoh lokus HLA
– Sangat polimorfik
– > 1300 alel dari 12 lokus klas I & II yang
diekspresikan di seluruh dunia
– Paling bervariasi untuk klas I: HLA B & C,
untuk klas II: HLA DPB, DQ, DRB
11