single nucleotide polymorphism

TUGAS BIOMOLEKULER
SINGLE NUCLEOTIDE POLYMORPHISM
OLEH
Ni Nyoman Trisna Dewi
NIM: 1214068105
PPDS I ILMU PENYAKIT SARAF
UNIVERSITAS UDAYANA
2013
PENDAHULUAN
Dampak dari bioteknologi yang tidak sedikit terhadap biologi modern
terutama di bidang biologi molekuler dan genetika menyebabkan peneliti ingin
menemukan hal baru yang lebih spesifik dalam hal sampel DNA. Kata
”polymorphism” sering digunakan oleh para ahli genetika modern. Secara umum
sebuah lokus yang polimorfik adalah lokus yang memiliki alel atau varian yang
sedemikian rupa sehingga varian yang paling umum di antara mereka terjadi
dengan frekuensi kurang dari 99% dari total populasi. Bagaimana pun juga
penggunaan polimorfisme dalam genetika modern memulai perkembangan dalam
bidang fisiologi dan biokimia seperti pada protein isoform dan grup antigen dalam
darah. Variasi variasi yang timbul telah diperkirakan berasal dari variasi pada
sekuen DNA, yang dimana hal ini setelah dikonfirmasi menimbulkan banyak
pertanyaan. Pertama, perubahan jenis apa yang terjadi pada genom sehingga dapat
memberikan dampak variasi pada fenotip? Kedua, bagaimana variasi ini dapat
dipertahankan? Ketiga, bagaimana bisa satu perubahan genom dapat memberikan
variasi pada fenotip, dan keempat bagaimana suatu perubahan langsung
memberikan variasi pada biokimia dan fenotip. Secara teori, jawaban dari
pertanyaan ini tampaknya mudah, hanya dengan melakukan studi memeriksa
hubungan varian DNA dengan varian fenotip individu dalam satu populasi yang
sama atau di antara individu dari populasi yang berbeda. Namun ternyata hal ini
sulit diterapkan karena perubahan varian sekuan DNA dapat melibatkan hanya
satu pasang hingga ratusan pasang basa, selain itu kita belum tentu dapat langsung
menentukan titik perubahan ini.
Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs)
Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) memiliki definisi sebagai variasi
dari sekuens DNA yang terjadi ketika nukleotida tunggal (A, T, C, atau G) di
dalam sekuens genome berubah. Seperti contoh SNPs dapat merubah AAGCTAA
menjadi ATGGCTAA. Perubahan SNPs ini terjadi paling sedikit 1% dari seluruh
populasi. Pendapat ahli menyatakan SNPs ditemukan meningkat hingga 90%
untuk semua variasi genetik manusia, kejadian tiap 100 sampai 300 basa diantara
3 juta basa genome manusia. Dua dari masing-masing tiga SNPs melibatkan
perubahan sitosin (S) menjadi timin (T). SNPs ini dapat terjadi pada dua kode gen
dan nonkoding regio genome. Banyak diantara SNPs tidak memiliki efek untuk
fungsi sel dalam tubuh, akan tetapi peneliti percaya bahwa pada kondisi berbeda
dapat menimbulkan penyakit pada manusia atau mempengaruhi respon tubuh
manusia terhadap obat-obatan.
Walau lebih dari 99% dari genome sekuens DNA manusia memiliki
persilangan yang sama dalam suatu populasi,variasi di dalam sekuens DNA dapat
memiliki efek yang besar dan proses bagaimana manusia merespon penyakit yang
ditimbulkan, merespon kesehatan lingkungan yang dicemari oleh bakteri, virus,
toxin, dan zat kimia serta obat-obatan dan terapi lainnya. Hal ini membuat SNPs
memiliki nilai yang berharga untuk penelitian biomedikal dan untuk
mengembangkan produk farmasi atau diagnostik kedokteran. SNPs juga
berevolusi secara stabil, dan tidak merubah banyak dari generasi ke generasi yang
membuat SNPs mudah untuk ditelusuri dalam studi populasi.
Sebelumnya SNP dikenal juga sebagai „restriction fragment length
polymorphism (RFLP), karena pernah diteliti bahwa varian pada basa tunggal
teridentifikasi pada titik ensim restriksi, dimana perubahan satu pasang basa dapat
menyebabkan ada atau tidaknya titik restriksi. Sampai akhirnya ditemukan juga
SNP tipe lain yang tidak secara langsung menciptakan atau menghilangkan titik
restriksi. Beberapa penelitian menyampaikan bahwa SNP dapat ditemukan kira –
kira setiap 0,3 – 1 kilobasa (kb) genom. Meskipun tidak dapat diketahui secara
pasti lokasi dan jenis SNP nya. Namun satu hal yang dapat dipastikan bahwa
frekuensi terjadinya SNP jauh lebih besar daripada jenis polimorfisme lain.
SNP adalah jenis yang paling umum dari variasi genetik dan dapat terjadi
setiap 100 hingga 300 basa. Secara umum, SNP terjadi pada 1% populasi
manusia. Dan sekitar 3-5% dari sekuen DNA individu yang dikodekan (ekson)
untuk produksi protein, hanya sejumlah kecil SNP ditemukan berada di dalam
ekson karena sebagian besar SNP ditemukan berada di luar ekson (intron).
Keberadaan SNP pada daerah promoter, situs pemotongan pasca transkripsi pada
coding region suatu gen, intron, dan non coding region lainnya menarik perhatian
para peneliti karena SNP tersebut mungkin dapat merubah fungsi regulasi dan
ekspresi suatu protein yang berasosiasi dengan suatu fenotip atau penyakit.
Jenis polimorfisme lain merupakan akibat dari proses insersi dan delesi
dari fragmen DNA. Tipe paling umum dari insersi dan delesi polimorfisme adalah
adanya variasi jumlah dari pengulangan basa atau pola nukleotida pada regio
genetik. Pengulangan pola basa dalam jumlah sekitar beberapa pasang basa sering
disebut “minisattelites” sedangkan pengulangan dua, tiga, atau empat pasang basa
disebut “microsattelite” atau dapat pula disebut sebagai “simple tandems repeat
(STR)”. Polimorfisme berulang seperti di atas menghasilkan banyak variasi dalam
suatu populasi, oleh karena itu sering disebut sebagai polimorfisme tingkat tinggi.
Walau demikian SNPs dapat membedakan secara jelas karakter dari :
predisposisi untuk suatu penyakit, dapat diasuransikan atau tidak, dan sering
merupakan dasar diskriminasi dari stigma yang berbeda. Beberapa variasi dapat
menyebabkan penyakit. SNPs yang seperti ini sangatlah jarang. SNPs dapat
berfungsi sebagai marker genetik untuk sifat yang berbeda seperti : klinikal trial
hubungan SNPs dengan efisiensi obat, klinikal trial hubungan adverse drug
rections, dan konsumsi genomik yang berhubungan antara SNPs dengan banyak
sifat atau ciri lainnya.
TIPE SNPs
SNP dapat terbagi menjadi tiga berdasarkan lokasinya yaitu pada regio
coding, regio non-coding dan regio intergenic ( regio antara 2 gen ). SNPs pada
regio coding terbagi lagi menjadi dua tipe : synonimous dan nonsynonymous.
Dimana synonymous SNPs tidak memberikan efek pada sekuens protein,
sedangkan nonsynomymous SNPs merubah sekuens asam amino dan merubah
sekuens protein. Nonsynonimous SNPs dibagi lagi menjadi dua yaitu : missense
dan nonsense.
Adapun beberapa nonkoding SNPs meliputi : 5‟ UTR, 3‟ UTR, introns,
intergenic regions, pseudogenes, regulator mencakup splicing,
regulasi
transkripsional (promoter & tf binding sites), translational regulation (initiation
or termination), regulatory miRNA target sites. Koding SNPs meliputi :
synonymous SNPs (third position variation), replacement SNPs (change Amino
acid), functional SNPs (acceptable amino acid replacement), non-functional SNPs
(traits & diseases).
Eric Green‟s View of SNPs(Director of NHGRI)
SNPs yang tidak terletak pada regio coding masih dapat memberikan efek
pada penyambungan gen, transcription factor binding, degradasi mRNA, atau
sekuen RNA lain.
Contoh SNPs :

rs6311 dan rs6313 adalah SNPs pada gen HTR2A pada kromosom 13
pada manusia.

SNP pada gen F5 menyebabkan gangguan hiperkoagulasi dengan varian
factor V Leiden.

rs3091244 adalah contoh SNP trialelik pada gen CRP pada kromosom 1
manusia.

TAS2R38 adalah kode untuk kemampuan merasakan PTC, dan
mengandung sekitar 6 SNPs
Kebaikan untuk SNPs diantaranya dapat menghasilkan PCR yang sangat
kecil dimana marker akan bekerja dengan kuat pada sampel DNA, lebih umum
dalam mewakili suatu genome, terdapat ratusan multipel atau ribuan dalam satu
lokus, proses sampel dapat terjadi lengkap secara otomatis dan tidak ada produk
gagal. Selain itu hanya dibutuhkan alel yang sedikit pada tiap marker namun
sudah informatif, genotip pada banyak SNPs dapat berada pada level yang sama
dari informasi mengenai sampel DNA, dengan interpretasi mixture lebih susah
dilakukan. Mengenai berapa banyak jumlah SNPs ada beberapa informasi dimana
sejak tiap SNPs menjadi kurang informatif karena hanya memiliki dua alel
sehingga dibutuhkan genotipe lebih dari SNPs untuk menyamai profil DNA
secara khusus.
SNPs ternyata membutuhkan frekuensi alel tertentu karena satu alel saja
dari SNP bukan merupakan marker yang baik dan tiap orang akan menghasilkan
informasi yang sama. Walau demikian SNPs yang berbeda akan bermanfaat pada
populasi yang berbeda. Mengenai SNPs marker terdapat ribuan jenis yang sudah
diketahui dengan pasti dan ada beberapa grup yang mengidentifikasi genotip
SNPs, lokasinya di genome, dan rekuensi alelnya pada populasi yang berbeda.
KEPENTINGAN SNPs DALAM ANALISA GENETIK
Variasi sekuen DNA pada manusia dapat mempengaruhi manusia dalam
timbulnya penyakit, respon terhadap patogen, bahan kimia, obat – obatan, vaksin
dan agen – agen lain. SNP memiliki banyak keuntungan dibanding polimorfisme
jenis lain dalam diseksi genetik suatu penyakit dan dalam
penelitian yang
mengidentifikasi gen. Untuk selanjutnya akan dibahas lebih lanjut mengenai
keuntungan – keuntungan SNPs dalam identifikasi gen dan pemetaan gen.
Apabila ditemukan SNPs dalam frekuensi yang cukup banyak dalam suatu
genom, maka dapat pula ditemukan gene dari suatu penyakit genetik. Atau dapat
pula digunakan sebagai suatu tes yang secara langsung pada suatu genom apakan
SNPs ini merupakan penyebab mutasi gen dalam suatu penyakit. SNPs ditemukan
di dalam genom, dalam ekson, intron, regio intergenik dan lain lain. Karenanya,
mereka lebih fisiologis dibandingkan polimorfisme jenis lain. Yang menarik dari
hal ini adalah bagaimana subtitusi basa sederhana mampu menyebabkan suatu
penyakit. Sebagian kecil SNP menjadi penanda biologis untuk penentuan suatu
penyakit pada peta genom manusia karena SNP tersebut terletak pada gen yang
ditemukan terkait dengan penyakit. SNP yang diasosiasikan dengan suatu
penyakit dapat digunakan untuk mencari dan mengisolasi gen penyebab penyakit
tersebut. Pola SNP di gen – gen target dari hasil studi perbandingan ntara
kelompok kasus dan kontrol pada studi asosiasi dapat digunakan untuk merancang
target terapi dan desain serta respon obat pada suatu populasi.
Penggunaan SNPs ;
1. Pemetaan penyakit kompleks dan asosiasinya, forensik dan inference
sejarah populasi pada manusia
2. Penting dalam breeding programs. Untuk membantu identifikasi
kesalahan genetik dan penyakit. Karena bentuknya yang biallelik, maka
SNPs sangat mudah di identifikasi.
3. Identifikasi individu hewan dan analisa tetuanya atau tes paternitas
4. Identifikasi hibrid, contoh : spruce, dimana 2-4 SNPs, 96-100% mampu
membedakan antar ketiga spruce
5. Ketahanan terhadap patogen
6. Asosiasinya dengan karakter ekonomis seperti gen yang terkait dengan
pembentuan pati pada padi.
7. Pengetahuan yang cukup mengenai SNPs dapat membantu dalam
farmakokinetik dan farmakodinamik suatu obat, misalnya bagaimana
interaksi suatu abat dalam varian genetik individu yang berbeda.
8. Berbagai macam penyakit seperti cancer, AIDS, lepra, hepatitis, autoimun,
neuropsikiatri, sickle cell anemia, thalassemia dan cystic fibrosis diyakini
merupakan hasil dari SNPs, hal ini diharapkan dapat membantu dalam
pengambangan pengobatan penyakit – penyakit tersebut.
9. SNPs tanpa efek signifikan pada fenotip dapat digunakan sebagai marker
genetik dikarenakan jumlah dan kestabilan ketika diturunkan ke generasi
berikutnya.
KEUNGGULAN PENANDA SNPs
1. Direct marker
2. Potensinya untuk membuat peta genetik yang mempunyai density yang
tinggi (very high density genetics maps)
3. Tingkat mutasi yang rendah ( 10-8 – 10-9 )
4. Lebih stabil dan pewarisannya lebih tinggi dibandingkan SSR dan AFLP
5. Nomenklatur alel yang sederhana
6. Kemudahan untuk membaca datanya
7. Kemungkinan untuk automatisasi analisanya
8. Tipikalnya : bialelik marker sehingga individu yang lokus informasinya
rendah dikompresi dengan banyak SNPs
9. Untuk 10 – 15 mikrosatelit lokus dibutuhkan 30 – 50 SNPs tergantung
dari banyak nya alel atau + dibutuhkan 3x SNPs untuk setiap lokus
mikrosatelit.
10. Biaya lebih rendah ( 5 – 10 kali lipat lebih rendah dibanding mikrosatelit
)
11. Volume, repeatability dan akurasi yang lebih tinggi dibandingkan
mikrosatelit.
METODE ANALISA SNPs
Cara pendeteksian dan penemuan SNP berkembang dengan cukup pesat
karena didukung oleh kemajuan teknologi sekuensing, dan setelah dipetakannya
seluruh sekuen DNA manusia pada tahun 2003 dalam Human Genom Project.
Pemetaan seluruh sekuen manusia tersebut berdampak pula pada keberhasilan
pemetaan sekuen sejumlah besar gen yang sebelumnya tidak diketahui. Teknologi
pendeteksian SNP dalam genom manusia makin maju dengan adanya teknologi
microarray. Microarray dapat digunakan untuk melihat kemiripan genotip pada
kelompok orang yang terkena penyakit dan dapat menunjukkan secara akurat
SNP, gen atau kelompok gen yang berasosiasi terhadap penyakit.
Metode analisa SNP antara lain :
1. DNA sequencing, adalah suatu proses membedakan perintah masing –
masing nukleotida dalam molekul DNA, yaitu adenin, guanin, sitosin dan
timin.
2. Capillary
electrophoresis,
dikenal
juga
dengan
capillary
zone
electrophoresis (CZE), digunakan untuk memisahkan spesies ionik dengan
radius hidrodinamik.
3. Mass spectometry, adalah suatu teknik analisa yang memproduksi spektra
( singular spectrum) dari suatu molekul yang diambil dari sampel suatu
material. Dapat digunakan untuk mengetahui komposisi elemen dalam
suatu molekul.
4. Single strand conformation polymorphism (SSCP), suatu metode
membedakan 2 sekuen DNA rantai tunggal yang memiliki panjang yang
identik dengan cara eksperimental.
5. Analisa elektrokimia
6. Denaturasi HPLC dan gel electrophoresis.
7. Restriction
fragment
length
polymorphism,
suatu
teknik
yang
mengungkapkan variasi pada sekuen DNA homolog yang muncul dari
lokasi ensim restriksi yang berbeda.
8. Analisa hibridisasi.
9. Terdapat beberapa metode lainnya untuk genotip SNPs yaitu: reverse dot
blot, direct sequencing, HPLC genotyping, taqMan Assay, fluorescence
Polarization (FP), Mass spec, Microchips, Pyrosequencing, Allel Specific
hybridization, dan SnaPshot.