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
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
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
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.
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 10 3-10 5 di dalam suatu genom), dan sekuen berulang tinggi (10 5-10 7 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
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