BAB III - WordPress.com

BAB III. STRUKTUR MOLEKULER KROMOSOM
Pada bab ini akan dibahas struktur molekuler kromosom, baik pada prokariot
maupun pada eukariot. Dengan mempelajari pokok bahasan ini akan diperoleh gambaran
mengenai organisasi DNA di dalam kromosom kedua kelompok organisme tersebut.
Setelah mempelajari pokok bahasan di dalam bab ini mahasiswa diharapkan mampu
menjelaskan:
1. pengertian domain DNA,
2. macam-macam protein yang terikat pada DNA prokariot,
3. struktur molekuler kromosom pada prokariot,
4. pengertian kromatin,
5. pengertian nukleosom,
6. macam-macam protein yang terikat pada DNA eukariot,
7. struktur molekuler kromosom pada eukariot, dan
8. kompleksitas genom eukariot.
Pengetahuan awal yang diperlukan oleh mahasiswa agar dapat mempelajari pokok
bahasan ini dengan lebih baik adalah struktur sel dan struktur asam nukleat, khususnya
DNA, yang masing-masing telah dijelaskan pada Bab I dan Bab II. Selain itu, konsep
dasar tentang pembelahan sel dan daur sel yang telah diperoleh pada mata kuliah
Genetika juga sangat mendukung pemahaman materi bahasan di dalam bab ini.
Struktur Molekuler Kromosom Prokariot
Gambaran umum genom prokariot dapat diwakili oleh kromosom E. coli, yang
merupakan gulungan DNA tunggal berbentuk sirkuler tertutup sepanjang 4,6 x 106 pb.
Seperti telah dijelaskan pada Bab I, DNA tersebut dikemas di suatu tempat di dalam sel
yang dinamakan nukleoid. Di tempat ini terdapat konsentrasi DNA yang sangat tinggi,
mungkin mencapai 30 hingga 50 mg/ml, dan semua protein yang berhubungan dengan
DNA seperti polimerase, represor, dan lain sebagainya.
Percobaan-percobaan yang memungkinkan isolasi DNA E. coli dari semua protein
yang melekat padanya serta pengamatan melalui mikroskop elektron dapat menunjukkan
satu tingkat organisasi nukleoid. Ternyata, DNA terdiri atas 50 hingga 100 domain atau
kala (loop), yang ujung-ujungnya dipersatukan oleh suatu struktur yang diduga terdiri
atas protein-protein terikat membran plasma (Gambar 3.1). Masing-masing kala tersebut
27
berukuran lebih kurang 50 hingga 100 kb. Belum diketahui apakah kala bersifat statis
atau dinamis, tetapi ada satu model yang menyebutkan bahwa DNA mungkin berputarputar melalui struktur pemersatu yang ada di dasar kala tersebut.
struktur pemersatu
domain-domain independen
sepanjang 50 hingga 100 kb
(hanya digambarkan 12)
domain yang mengalami
superkoiling
Gambar 3.1. Struktur skematik kromosom E. coli
Kromosom
E.
coli
secara
keseluruhan
mengalami
superkoiling
negatif
(berkebalikan dengan arah putaran heliks untai ganda DNA) meskipun ada bukti bahwa
masing-masing domain dapat mengalami superkoiling secara independen. Bahkan,
gambaran mikrograf elektron menunjukkan bahwa beberapa domain tidak mengalami
superkoiling, mungkin karena salah satu untai DNAnya patah.
Protein-protein terikat membran plasma yang terdapat pada struktur pemersatu
domain ada beberapa macam. Protein yang paling banyak dijumpai adalah HU, suatu
protein dimerik (mempunyai dua subunit) yang bersifat basa dan H-NS (dulu disebut
H1), suatu protein monomerik netral. Kedua-duanya mengikat DNA secara nonspesifik
dalam arti tidak bergantung kepada sekuens tertentu, dan sering dikatakan sebagai
protein mirip histon. Akibat pengikatan oleh kedua protein tersebut DNA menjadi
kompak. Hal ini sangat penting bagi pengemasan DNA di dalam nukleoid dan stabilisasi
superkoiling kromosom.
Struktur Molekuler Kromosom Eukariot
Berbeda dengan DNA prokariot yang berbentuk sirkuler tertutup, DNA eukariot
merupakan molekul linier yang sangat panjang. Panjang DNA eukariot di dalam nukleus
jauh melebihi ukuran nukleus itu sendiri. Oleh karenanya, agar dapat dikemas di dalam
nukleus, DNA harus dimampatkan dengan suatu cara. Derajad pemampatan (kondensasi)
DNA dinyatakan sebagai nisbah pengepakan (packing ratio)-nya, yaitu panjang
molekul DNA dibagi dengan panjang pengepakannya. Sebagai contoh, kromosom
28
manusia yang terpendek, yaitu kromosom nomor 21, berisi 4,6 x 107 pb DNA (sekitar 10
kali ukuran genom E. coli). Ukuran DNA kromosom ini setara dengan panjang 14.000
μm jika DNA ditarik lurus. Pada kondisi yang paling mampat, yaitu selama mitosis,
kromosom tersebut panjangnya hanya sekitar 2 μm. Angka ini memberikan nisbah
pengepakan sebesar 7.000 (14.000/2).
Untuk mencapai nisbah pengepakan totalnya, DNA tidak langsung dikemas ke
dalam struktur terakhirnya (kromatin). Pengemasan DNA dilakukan melalui sejumlah
tingkatan organisasi kromosom. Tingkatan yang pertama diperoleh ketika DNA melilitlilit di sekeliling sumbu protein sehingga menghasilkan struktur seperti manik-manik
yang disebut nukleosom. Pada tingkatan ini terdapat nisbah pengepakan sebesar 6.
Tingkatan yang kedua adalah pemutaran sejumlah nukleosom membentuk struktur heliks
yang disebut serabut 30 nm. Struktur serabut 30 nm dijumpai baik pada kromatin
interfase maupun pada kromosom mitosis. Dengan struktur ini nisbah pengepakan DNA
meningkat menjadi sekitar 40. Pengemasan terakhir terjadi ketika serabut 30 nm tersusun
dalam sejumlah kala, struktur tangga, dan domain, yang memberikan nisbah pengepakan
tertinggi sebesar lebih kurang 1.000 pada kromatin interfase dan 10.000 pada kromosom
mitosis.
Kromosom eukariot terdiri atas suatu kompleks DNA-protein yang tersusun sangat
kompak sehingga memungkinkan DNA yang ukurannya begitu panjang tersimpan di
dalam nukleus. Istilah bagi struktur dasar kromosom adalah kromatin, sedangkan satuan
dasar kromatin adalah nukleosom. Dengan demikian, kromatin merupakan satuan analisis
kromosom yang menggambarkan struktur umum kromosom.
Nukleosom
Nukleosom dijumpai pada semua kromosom eukariot. Telah dikatakan di atas
bahwa nukleosom merupakan struktur yang paling sederhana dalam pengemasan DNA
eukariot. Pengemasan terjadi dengan cara pelilitan DNA di sekeliling sumbu nukleosom,
yang merupakan oktamer protein basa berukuran kecil dan disebut histon sumbu. Protein
histon sumbu ini bersifat basa atau bermuatan positif karena banyak mengandung asam
amino arginin dan lisin.
Ada empat macam histon sumbu yang menyusun sumbu nukleosom, yaitu H2A,
H2B, H3, dan H4. Keempat macam histon ini berada dalam bentuk oktamer karena
29
masing-masing terdiri atas dua molekul. Selain itu, ada satu macam histon lagi, yaitu H1,
yang letaknya bukan di sumbu nukleosom, melainkan di bagian tepi nukleosom. Dengan
adanya molekul H1 ini, ukuran nukleosom menjadi lebih besar 20 pb dan biasanya
disebut dengan kromatosom.
Setiap untai DNA sepanjang 146 pb mengelilingi satu sumbu nukleosom, sementara
bagian-bagian DNA lainnya menjadi penghubung (linker) antara satu sumbu nukleosom
dan sumbu nukleosom berikutnya. Pelilitan DNA di sekeliling sumbu nukleosom
berlangsung dengan arah ke kiri atau terjadi superkoiling negatif. Pelilitan terjadi
demikian kuat karena DNA bermuatan negatif, sedangkan histon sumbu bermuatan
positif.
Gambar 3.2. Struktur skematik nukleosom dan kromatosom
Serabut 30 nm
Telah dikatakan di atas bahwa terbentuknya rangkaian heliks nukleosom secara
keseluruhan terlihat sebagai serabut dengan diameter 30 nm yang dikenal sebagai serabut
30 nm (Gambar 3.3). Keberadaan histon H1 berfungsi menstabilkan struktur serabut 30
nm. Hal ini didukung oleh bukti percobaan bahwa penghilangan histon tersebut dari
30
kromatin ternyata tidak dapat mempertahankan struktur serabut 30 nm meskipun struktur
nukleosomnya tetap dipertahankan.
Hasil studi menggunakan mikroskop elektron menunjukkan bahwa nukleosomnukleosom di dalam serabut 30 nm membentuk heliks yang berputar ke arah kiri dengan
jumlah nukleosom sebanyak enam buah tiap putaran. Meskipun demikian, organisasi
struktur serabut 30 nm yang tepat sebenarnya masih berupa suatu perkiraan.
Struktur kromatin yang tertinggi
Organisasi kromatin pada tingkatan yang paling tinggi nampak agak menyerupai
struktur DNA prokariot. Hasil pengamatan menggunakan mikroskop elektron terhadap
kromosom
eukariot
yang
telah
dibersihkan
dari
protein-protein
histonnya
memperlihatkan gambaran struktur domain (kala) seperti pada kromosom prokariot
(Gambar 3.1). Bahkan, ukuran tiap kalanya pun lebih kurang sama, yaitu hingga sekitar
100 kb. Meskipun demikian, pada kromosom eukariot terdapat lebih banyak kala.
Kala-kala tersebut dipersatukan oleh kompleks protein yang dinamakan matriks
nuklear. DNA di dalam kala berada dalam bentuk serabut 30 nm, dan kala-kala tersebut
membentuk susunan yang membentang sekitar 300 nm (Gambar 3.4).
Gambar 3.3. Struktur skematik serabut 30 nm
31
Gambar 3.4. Organisasi serabut 30 nm ke dalam domain kromosom
Kromosom mitosis
Gambaran fisik kromosom eukariot yang dapat kita lihat dengan jelas adalah ketika
kromosom mengalami kondisi yang paling mampat pada tahap mitosis, khususnya
metafase. Pada waktu kromosom-kromosom hasil replikasi ditarik ke dua kutub yang
berlawanan, DNA kromosom yang mempunyai nisbah aksial sangat tinggi (sangat tipis
memanjang) seharusnya akan terpotong-potong oleh kekuatan penarikan tersebut.
Namun, tidaklah demikian kenyataannya. Hal ini karena, seperti telah disinggung di atas,
DNA kromosom eukariot telah mencapai nibah pengepakan yang paling tinggi.
Gambar 3.5. Struktur kromosom mitosis
32
Sentromir
Sentromir merupakan daerah pada kromosom eukariot yang mengalami
penyempitan dan menjadi tempat bersatunya dua kromatid kembar (kromosom hasil
replikasi) pada saat metafase. Di dalam sentromir terjadi perakitan kinetokor, suatu
kompleks protein yang berikatan dengan mikrotubulus dari benang spindel. Mikrotubulus
akan bekerja memisahkan kromatid kembar pada anafase. Oleh karena itu, dengan
adanya sentromir, segregasi kromatid kembar ke masing-masing kutub sel dapat
berlangsung dengan tepat.
DNA pada sentromir khamir diketahui hanya terdiri atas suatu sekuens pendek (88
pb) yang kaya akan AT dan diapit oleh dua sekuens konservatif (selalu tetap) yang sangat
pendek. Sementara itu, DNA pada sentromir mamalia berupa sekuens yang agak lebih
panjang dan diapit oleh sejumlah besar sekuens repetitif (berulang) yang disebut dengan
DNA satelit.
Telomir
Telomir adalah ujung kromosom eukariot yang sekaligus juga merupakan ujung
molekul DNA. Sebuah telomir terdiri atas beratus-ratus salinan (copy) sekuens pendek
repetitif yang disintesis oleh enzim telomerase dengan mekanisme yang tidak bergantung
kepada replikasi DNA biasa. Pada manusia, misalnya, sekuens ini berupa 5’-TTAGGG3’.
DNA telomerik membentuk struktur sekunder tertentu, yang fungsinya untuk
melindungi ujung kromosom dari degradasi. Sintesis DNA telomerik yang bersifat
independen dari replikasi DNA lainnya akan mengimbangi terjadinya pemendekan
kromosom secara bertahap. Pemendekan itu sendiri terjadi karena ketidakmampuan
replikasi biasa untuk menyintesis bagian yang paling ujung pada suatu molekul DNA
linier.
Kromosom interfase
Pada waktu interfase, gen-gen di dalam kromosom mengalami transkripsi.
Demikian pula, replikasi DNA berlangsung. Selama kurun waktu tersebut, yang
merupakan bagian terbesar di antara tahapan-tahapan daur sel, kromosom mempunyai
struktur yang sangat baur dan tidak dapat dilihat satu demi satu. Meskipun demikian,
33
diyakini bahwa kala-kala kromosomal seperti pada Gambar 3.4. tetap ada dan terikat
pada matriks nuklear.
Heterokromatin
Bagian kromatin yang selama interfase tetap nampak sangat kompak meskipun
tidak sekompak ketika metafase dinamakan heterokromatin. Jika diamati di bawah
mikroskop, heterokromatin terlihat sebagai daerah yang gelap di bagian tepi nukleus.
Dewasa ini telah diketahui bahwa heterokromatin berisi sejumlah sekuens repetitif yang
secara genetik tidak aktif atau tidak banyak mengalami transkripsi. Diyakini bahwa
kebanyakan heterokromatin terdiri atas DNA satelit yang letaknya berdekatan dengan
sentromir. Meskipun demikian, dalam kasus tertentu seluruh kromosom bisa saja berupa
heterokromatin, misalnya salah satu dari dua kromosom X pada mamalia betina.
Eukromatin
Eukromatin adalah bagian kromatin yang berisi sekuens-sekuens nonrepetitif
(tunggal, tidak berulang) yang secara genetik sangat aktif atau banyak mengalami
transkripsi. Kenampakan eukromatin tidak sejelas heterokromatin. Meskipun demikian,
eukromatin tidaklah homogen sempurna. Masih banyak juga daerah-daerah yang secara
genetik relatif inaktif. Hanya sekitar 10% di antaranya merupakan daerah dengan gen-gen
yang sedang dan akan ditranskripsi. Di daerah semacam ini serabut 30 nm mengalami
disosiasi menjadi struktur seperti tasbih. Bahkan, beberapa bagian di antaranya
kehilangan nukleosom. Diduga hal ini dimaksudkan untuk memudahkan pengikatan
faktor-faktor transkripsi dan protein lainnya.
Sensitivitas kromatin terhadap enzim DNase I, yang memotong tulang punggung
molekul DNA kecuali jika DNA tersebut terlindungi oleh protein yang terikat padanya,
telah digunakan untuk memetakan daerah-daerah yang aktif mengalami transkripsi.
Daerah-daerah pendek yang hipersensitif terhadap DNase I dianggap menggambarkan
daerah yang serabut 30 nm-nya diselingi oleh pengikatan suatu protein regulator tertentu
sehingga memperlihatkan DNA yang tebuka dan mudah diserang oleh DNase I.
Sementara itu, daerah sensitif yang lebih panjang menggambarkan sekuens-sekuens yang
mengalami transkripsi. Daerah-daerah tersebut bevariasi di antara jenis sel yang berbeda,
sesuai dengan tempat gen yang akan diekspresikan pada sel tertentu.
34
Suatu modifikasi kimia penting yang diduga terlibat dalam sinyal pengemasan
kromosom di tempat gen-gen yang diekspresikan pada sel-sel mamalia adalah metilasi
atom C ke 5 pada basa sitosin (C) dengan sekuens 5’-CG-3’, yang biasa dikenal sebagai
metilasi CpG. Keberadaan CpG biasanya relatif jarang karena 5-metil sitosin secara
spontan akan mengalami deaminasi menjadi timin. Metilasi CpG berkaitan dengan
daerah-daerah kromatin yang tidak aktif mengalami transkripsi. Akan tetapi, ada daerah
sepanjang lebih kurang 2 kb yang dinamakan kepulauan CpG, yang berisi CpG yang
tidak mengalami metilasi dan ternyata sensitif terhadap DNase I. Kepulauan CpG
menjadi tempat pengikatan promoter gen-gen yang akan ditranskripsi.
Gambar 3.6. Eukromatin
Kompleksitas Genom Eukariot
Genom organisme eukariot dapat mengandung jumlah DNA lebih dari 1000 kali
jumlah yang ada pada genom prokariot seperti E. coli. Akan tetapi, banyaknya protein
pada eukariot, misalnya manusia, tidaklah 1000 kali jumlah protein pada E. coli. Dengan
demikian, dapat dipastikan bahwa tidak semua sekuens DNA eukariot menyandi
pembentukan protein. Sekuens DNA eukariot yang tidak menyandi sintesis protein ini
dinamakan intron.
35
Intron akan menginterupsi daerah penyandi protein (coding sequence) di dalam
gen-gen eukariot sehingga sekuens gen-gen tersebut dapat mencakup panjang beberapa
kilobasa tetapi tidak semuanya merupakan coding sequence. Hingga sekarang fungsi
intron, kalau pun ada, tidak diketahui. Hal yang pasti adalah bahwa kebanyakan intron
terdiri atas sejumlah pengulangan salinan beberapa macam sekuens yang serupa atau
sama. Salinan sekuens tersebut dapat dijumpai berurutan (tandemly repeated) seperti
pada DNA satelit yang ada di dekat sentromir, atau tersebar (interspersed) di sepanjang
genom, misalnya pada elemen Alu pada genom manusia.
Kinetika reasosiasi
Sebelum teknik sekuensing DNA dalam skala besar seperti yang akan dibicarakan
pada Bab XIII ditemukan, kompleksitas genom eukariot dipelajari berdasarkan atas
kemampuan penggabungan kembali (reasosiasi/renaturasi) untai DNA tunggal hasil
denaturasi. Hal pertama yang dilakukan pada teknik analisis ini adalah melakukan
pemotongan molekul DNA kromosom menjadi fragmen-fragmen yang relatif sama
panjangnya, yaitu sekitar 400 pb. Kemudian, fragmen-fragmen tersebut didenaturasi
menggunakan pemanasan pada suhu tinggi sehingga akan terbentuk sejumlah fragmen
DNA untai tunggal. Fragmen DNA untai tunggal selanjutnya didinginkan secara
perlahan-lahan agar terjadi renaturasi di antara sekuens-sekuens yang komplemeter.
Makin banyak sekuens repetitif dengan sendiriya makin banyak sekuens yang
komplementer. Akibatnya, renaturasi dapat berlangsung lebih cepat.
Kecepatan renaturasi atau kinetika reasosiasi sampel DNA kromosom digambarkan
sebagai kurva yang dikenal sebagai kurva Cot. Pemberian nama ini berkaitan dengan
variabel-variabel yang dihubungkan. Sumbu X memetakan variabel yang merupakan
hasil kali konsentrasi DNA awal (Co) dengan waktu yang dibutuhkan untuk renaturasi (t).
Sementara itu, sumbu Y memetakan banyaknya fragmen DNA yang masih tetap berupa
untai tunggal (f).
Kurva Cot untuk DNA kromosom manusia memperlihatkan adanya tiga fase, yaitu
fase cepat, fase sedang, dan fase lambat. Fase cepat menunjukkan bahwa fragmenfragmen untai tunggal membawa sekuens repetitif yang sangat banyak sehingga mudah
sekali untuk mengalami renaturasi. Fase sedang menunjukkan bahwa fragmen-fragmen
untai tunggal membawa sekuens repetitif dalam jumlah yang tidak terlalu besar sehingga
36
kecepatan renaturasinya pun sedang-sedang saja. Fase lambat menunjukkan bahwa
fragmen-fragmen untai tunggal sedikit sekali atau sama sekali tidak membawa sekuens
repetitif sehingga sangat sulit untuk mengalami renaturasi. Dengan demikian, genom atau
DNA kromosom manusia dapat dibagi dalam tiga daerah, yaitu daerah dengan banyak
sekuens repetitif (highly repetitive DNA), daerah dengan beberapa sekuens repetitif
(moderately repetitive DNA), dan daerah dengan sekuens unik atau tanpa sekuens
repetitif. Sementara itu, genom prokariot, misalnya E. coli, hanya terdiri atas sekuenssekuens unik.