Topik 5 DNA : Organisasi Dalam Kromosom Material genetik suatu

Topik 5
DNA : Organisasi Dalam Kromosom
Material genetik suatu sel tersusun dalam suatu organisasi secara fisik yang
khusus yang sebut kromosom. Kromosom organisme eukariot jauh Iebih kompleks
dibanding organisme prokariot (bakteri, archaea dan virus). Kromosom eukariot
merupakan komplek DNA dan protein dengan aturan yang rumit, dengan suatu
bagian khusus, yaitu sentromer dan telomer, yang memiliki fungsi khusus dari suatu
kromosom. Oleh karena ekspresi gen terkait dengan bagaimana DNA terorganisir
dalam struktur kromosom, maka pengetahuan akan struktur kromosom akan sangat
membantu memahami bagaimana ekspresi gen dikendalikan.
5.1. Kromosom prokariot
Beberapa bakteri, misalnya E. coil, memiliki sebuah kromosom DNA utas
ganda. Beberapa bakteri lain memiliki dua atau beberapa kromosom sirkuler atau
linier. Jika suatu sel E. coil mengalami lisis secara perlahan-lahan, maka DNA-nya
akan keluar. Sebuah DNA utas ganda berukuran 4,6 Mb dan membentuk kromosom
sirkuler sepanjang 1.100 µm akan terlihat. Kromosom akan terlihat berada di tengah
sel dan disebut nukleoid. Secara umum pada organisme prokariot tidak dijumpai
adanya selaput inti, sehingga antara inti sel dengan organel lain dalam sel tidak ada
sekat pemisah. Panjang DNA E. coil kira-kira sepanjang 1000 kali panjang selnya.
Virus mampu menginfeksi semua jenis organisme hidup. Sebagai contoh kita
mengenal adanya virus yang menginfeksi bakteri yang populer dikenal dengan nama
bakteriophage atau phage. Karakteristik bakteriophage adalah memiliki sebuah
kromosom dengan DNA utas ganda, linier, yang dikelilingi protein yang berfungsi
sebagai mantel. Phage sangat virulen sehingga hampir semua sel bakteri yang
terinfeksi phage akan mengalami lisis. Ada berbagai jenis phage a.l. phage yang
menginfeksi E. coil, phage A, dll. Phage A merupakan salah satu jenis phage yang
memiliki kromosom DNA utas ganda yang linier, tetapi di bagian ujung utasnya
memiliki 12 segmen nukleotida utas tunggal. Setiap kali melakukan infeksi, sebuah
phage akan mengalami konversi kromosom dari bentuk linier menjadi sirkuler.
5.2. Kromosom Eukariot
Eukariot memiliki material genetik yang terletak di dalam inti (kromosom),
mitokondria dan kloroplas (pada tanaman). Di dalam inti, DNA dalam suatu genom
Universitas Gadjah Mada
terbagi kedalam kromosom-kromosom yang berbentuk linier. Pada manusia jumlah
kromosom individu diploid adalah 46 yang berasal dari satu set genom yang terdiri
dari 23 kromosom dari induk dan 23 dari tetua jantan. Dalam mempelajari organisasi
kromosom kita mengenal istilah karyotipe, yaitu satu set kromosom pada keadaan
metafase dari suatu sel. (karyotype, carry-o-type, nucleus type). Keadaan metafase
digunakan sebagai dasar karena kromosom berada pada keadaan paling kompak
selama proses pembelahan sehingga setelah dicat terlihat jelas di bawah mikroskop.
Karyotipe bersifat spesifik menurut species (species-specific), sehingga bervariasi
dalam hal jumlah, ukuran, dan bentuk dari masing-masing individu kromosom.
Diantara organisme yang berkerabat dekat sekalipun sering menunjukkan karyotipe
yang berlainan.
Dalam pembuatan karyotipe (karyotyping), kromosom senng diberi nomor
berdasarkan ukuran dan posisi sentromemya. Kromosom yang paling besar biasa
diberi nomor 1 dan sebaliknya kromosom dengan ukuran paling kecil diberi nomor unit
paling besar. Berdasarkan letak sentromemya dikenal beberapa tipe kromosom, yaitu :
a. metasentris, kromosom dengan posisi sentromer di tengah kromosom
b. telosentris, kromosom dengan posisi sentromer di ujung kromosom
c. akrosentris, kromosom dengan posisi sentromer mendekati ujung kromosom
d. sub-telosentris atau sub-metasentris, kromosom dengan posisi sentromer diantara
tengah dan ujung kromosom.
Dalam proses pengecatan, masing-masing individu kromosom menyerap zat
wama dengan intensitas yang berbeda-beda. Karakteristik inilah yang membantu
mengenali kromosom dalam karyotipenya. Hal ini sangat bermanfaat untuk
mengidentifikasi terjadinya disfungsi atau mutasi dari suatu kromosom. Teknik
pengecatan ini dikenal dengan istilah G-banding. Dengan teknik pengecatan Giemsa
ini akan terlihat pita-pita gelap yang disebut G-band.
5.3. Untai DNA Eukanot
Jumlah DNA dalam genom haploid merupakan karakteristik suatu species, balk
prokariot maupun eukariot, dan biasa dikenal dengan istilah nilai C (C value).
Berdasarkan nilai tersebut organisme bervariasi dari satu species ke species lain.
Besarnya nilai C tidak selalu menggambarkan kompleksitasnya karena tergantung
pada banyaknya sekuen pengulangan (repetitive) dalam DNA-nya. DNA manusia
berukuran ribuan kali DNA E. coil dimana untuk setiap sel apabila diurai DNA-nya
memiliki panjang 2 meter. Namun demikian karena banyaknya sekuen pengulangan
Universitas Gadjah Mada
dan DNA berada pada struktur yang kompak maka bisa dikemas dalam ukuran yang
sangat kecil.
Struktur DNA eukariot yang kompak karena berasosiasi dengan protein
khusus. Setiap kromosom eukariot tersusun atas satu molekul utas ganda linier
sepanjang kromosom dan membawa protein yang memiliki bobot dua kali lipat DNAnya. Komplek antara DNA, protein kromosom, dan RNA di dalam kromosom senng
disebut kromatin. Struktur kromatin identik untuk semua sel eukariot.
Dikenal dua tipe kromatin yakni eukromatin dan heterokromatin. Eukromatin
menyerap sedikit zat warna dan sangat kompak pada metafase, sebaliknya
heterokromatin menyerap kuat zat warna karena memiliki struktur yang Iebih kompak
dibanding eukromatin. Secara fungsional, eukromatin bersifat aktif (gen yang
terkspresi), sebaliknya heterokromatin bersifat inaktif, balk karena tidak mengandung
gen atau gen yang dikandungnya tidak bisa diekspresikan.
Disemua jenis eukariot, heterokromatin ditemukan di dekat sentromer, pada
telomer, dan di bagian lain kromosom yang bersifat spesifik untuk setiap spesies.
Heterokromatin dibedakan menjadi dua, yakni heterokromatin konsekutif yang selalu
tidak aktif secara genetis (yang terletak pada sentromer dan telomer), dan
heterokromatin fakultatif yaitu kromatin yang dapat memadat
menjadi
heterokromatin. Kromatin demikian bisa mengandung gen yang menjadi tidak aktif
pada kondisi heterokromatin (misalnya, barr bodies, suatu kromosom X inaktif pada
mamalia betina).
Terdapat dua tipe protein yang terkait dengan DNA di dalam kromatin, yaitu
histone dan nonhiston. Histon dan nonhiston sangat vital peranannya dalam
menentukan struktur fisik kromosom. DNA membungkus molekul histone yang
berfungsi sebagai pusat (core) struktur, sedang nonhiston berasosiasi dengan
berbagai cara dengan kompleks tersebut. Beberapa nonhiston memiliki fungsi
struktural dalam kromosom. Sebagai contoh apabila protein histon diambil dari
struktur kromosom, maka DNA akan terurai tetapi protein nonhiston tetap pada
strukturnya.
Histone
Histon merupakan protein yang paling banyak dijumpai dalam kaitannya
dengan kromosom. Histon merupakan protein yang relatif berukuran kecil, bermuatan
positif sehingga memudahkannya bersenyawa dengan DNA yang bermuatan negatif.
Ada lima tipe histon terkait dengan DNA eukariot, yakni: H1, H2A, H2B, H3 dan H4.
Perbandingan sekuen asam amino antara histon H2A, H2B, H3 dan H4 dalam
berbagai organisme mengisyaratkan adanya kemiripan sekuen antar spesies yang
bersangkutan meskipun berkerabat jauh. Sebagai contoh, antara histon H4 pada sapi
Universitas Gadjah Mada
dan buncis hanya memiliki perbedaan dalam dua jenis asam aminonya. Dan jenis
sekuen yang lestari selama proses evoluasi suatu species merupakan indikator yang
kuat bahwa histon memiliki kesamaan fungsi dalam mengorganisir DNA dalam
kromosom semua jenis eukariot.
Protein kromosom nonhiston
Protein nonhiston merupakan jenis protein kromosom yang melimpah
keberadaannya disamping protein histon. Ada banyak jenis protein nonhiston. Protein
nonhiston memiliki beragam fungsi a.l. peran struktural, dan peran-peran lain terkait
dengan kromatin, misalnya enzim dan protein terkait dengan proses replikasi DNA,
transkripsi, dan pengaturan ekspresi suatu gen. Protein nonhiston sangat berbeda
dari protein histon. Umumnya protein nonhiston bersifat asam, bermuatan negatif, dan
cenderung bersenyawa dengan protein histon yang berm uatan positif yang berada
dalam kromatin. Perbedaan mendasar antara protein nonhiston dari protein histon
adalah bahwa protein nonhiston sangat bervariasi dari suatu jenis sel ke jenis sel lain
dalam suatu organisme tertentu, dari suatu waktu ke waktu lain untuk suatu jenis sel
tertentu, dan dari suatu organisme ke organisme lain.
Nukleosom
Dengan berbagai tingkatan kemasan menyebabkan DNA dalam kromosom
memiliki struktur tertentu sehingga memungkinkan kromosom yang panjangnya
beberapa mm bahkan cm dapat dikemas di dalam sebuah inti sel yang diametemya
hanya beberapa µm. Salah satu struktur kemasan seperti di atas yang paling
sederhana adalah nukleosom, yang susunannya melibatkan beberapa orde coiling
dan looping dari kompleks DNA-histon seperti terlihat pada kromosom saat metafase.
Secara umum ekspresi suatu gen ditunjang oleh suatu perubahan dalam kromosom
dari coiling orde lebih tinggi ke orde lebih rendah. Dengan kata lain semakin
kompak/padat struktur suatu bagian kromosom semakin kecil peluang terekspesinya
suatu gen dalam sekuen tersebut.
Sekuen unik dan sekuen repetitif DNA
Secara sederhana telah diketahui struktur dasar DNA dan organisasinya di
dalam
kromosom
yang
merupakan
kompleks
DNA-protein
histon/nonhiston.
Selanjutnya perlu diketahui bagaimana pola distribusi sekuen tertentu di dalam
genom. Dalam perspektif genetika telah diketahui bahwa suatu sekuen tertentu hanya
didapati satu kali di dalam suatu genom, sedang sekuen tertentu lainya didapati
berulang dalam suatu genom yang bersangkutan.
Universitas Gadjah Mada
Secara sederhana dikenal tiga macam sekuen DNA, yakni sekuen unik
(sekuen tunggal, hanya didapati satu atau beberapa kali dalam suatu genom), sekuen
berulang (repetitif) moderat (didapati beberapa kali sampai 103-105 di dalam suatu
genom), dan sekuen berulang tinggi (105-107 kali dalam suatu genom), walaupun
tidak ada batas yang tegas diantara ketiga jenis sekuen tersebut. Pada prokariot
dengan pengecualian gen RNA ribosom, gen RNA transfer, dan beberapa sekuen
lain, keseluruhan genomnya merupakan sekuen unik DNA. Sebaliknya pada eukariot
tersusun atas sekuen unik maupun sekuen berulang, dimana sekuen berulangnya
jauh Iebih banyak dan kompleks distribusinya. Mendasarkan pada kategori sekuen di
atas, pada manusia terdiri atas 64% sekuen unik DNA, 25% sekuen berulang
moderat, dan 10% berupa sekuen berulang tinggi. Pada sisi lain, katak hijau tersusun
atas 22% sekuen unik DNA, 67% sekuen berulang moderat, dan 9% berupa sekuen
berulang tinggi.
Sekuen unik DNA
Sekuen unik sering juga disebut sekuen copy tunggal (terdapat dua sekuen
untuk individu diploid). lstilah ini sering dimaksudkan untuk sekuen yang terdapat satu
kali atau beberapa kali dalam kromosom dalam suatu genom. Sebagian besar gen
yang telah diketahui fungsinya (menyandi sintesis protein dalam suatu sel)
merupakan sekuen unik. Akan tetapi tidak semua material sekuen unik mengandung
sekuen penyandi sintesis protein.
Sekuen berulang DNA
Sekuen berulang DNA dibedakan menjadi dua, yakni DNA berulang secara
tandem (tandemly repeated DNA) dan sekuen berulang terpencar (dispersed repeated
sequences). DNA berulang tandem dimaksudkan untuk model pengulangan DNA yang
tersusun atas dua sekuen (dua-dua sekuen). Model pengulangan ini sangat jamak
pada kelompok eukariot. Sebagian besar sekuen berulang tandem tidak berkaitan
dengan fungsi gen, tetapi lebih berkaitan dengan sentromer dan telomer. Untuk setiap
sentromer didapati ratusan bahkan ribuan sekuen berulang tandem. Pada eukariot
sebagian sekuen berulang terdapat pada sentromer, yakni 8% pada tikus, 50% pada
tikus kanguru, dan 5% pada manusia. Sekuen berulang terpencar dimaksudkan untuk
model pengulangan DNA yang tersusun secara acak/terpencar dalam suatu genom,
dan bukannya dua sekuen seperti pada sekuen tandem. Baik sekuen gen maupun
sekuen non-gen berada pada model pengulangan ini. Sebagai contoh, sekuen
beberapa famili multigenik terpencar di seluruh genome. Gen histon berulang pada
mamalia dan burung terpencar di seluruh genomnya. Secara umum model
Universitas Gadjah Mada
pengulangan ini relatif sedikit, biasanya kurang dari 50. Contoh lain dari sekuen
berulang terpencar adalah sistem transposon, yaitu suatu kemampuan bagian DNA
berpindah dari satu lokasi ke lokasi lain dalam genome yang bersangkutan. Pada
kelompok eukariot banyak dijumpai DNA yang memiliki sekuen pengulangan terpencar
yang tidak befungsi sebagai gen,. dimana sekuen seperti ini bisa berulang jutaan kali.
Gambar 4. Struktur double helix DNA
Universitas Gadjah Mada