MEKANISME PERBAIKAN DNA, MUTASI DAN ADAPTASI, MUTASI DAN KANKER, APLIKASI PRAKTIS MUTASI, SERTA SAKIT GENETIK MANUSIA YANG DITIMBULKANOLEH KESALAHAN REPLIKASI DNA DAN PERBAIKAN DNA

MEKANISME PERBAIKAN DNA, MUTASI DAN ADAPTASI, MUTASI DAN KANKER, APLIKASI PRAKTIS MUTASI, SERTA SAKIT GENETIK MANUSIA YANG DITIMBULKANOLEH KESALAHAN REPLIKASI DNA DAN PERBAIKAN DNA

20.53  RUDY INDRANATAN  NO COMMENTS

MEKANISME PERBAIKAN DNA

            Sel-sel prokariotik maupun eukariotik memiliki sejumlah sistem perbaikan yang berhubungan dengan kerusakan DNA. Perbaikan dilakukan oleh sistem dengan menggunakan DNA enzimatis. Beberapa sistem memprbaiki kerusakan DNA akibat mutasi yang terjadi secara langsung. Yang sebagian lainnya memotong bagian yang rusak, sehingga untuk sementara terbentuk celah satu unting DNA, celah tersebut kemudian pulih karena polimerisasi DNA yang dikatalisasi oleh polimerisasi DNA yang dikatalisasi oleh enzim polymerase DNA. Atau perbaikan tersebut juga bias berlangsung karena aktivitas penyambungan oleh enzim ligase DNA.

Perbaikan kerusakan DNA Akibat Mutasi Secara Langsung

Perbaikan oleh Aktivitas Enzim Polymerase DNA

            Selain mempunyai aktivitas polimerisasi dalam arah 5’-3’, enzim polymerase pada bakteri juga memiliki aktivitas eksonuklease dalam arah 3’-5’. Aktivitas tersebut memiliki fungsi antara lain adalah memperbaiki kerusakan DNA akibat mutasi pada bakteri. Sebagai gambaran tentang efektuvitas kerja perbaikan kerusakan DNA tersebut mari kita perhatikan fenomena yang berhubungan dengan selisih antara frekuensi selama polimerisasi DNA dan frekuensi akibat substitusi pasangan basa yang berkisar antara 10^-7hingga 10^-11, sedangkan frekuensi kesalahan insersi nukleotida selama polimerisasi DNA sebesar dalam 1 dalam 10.

Pengenalan kesalahan insersi nukleotida selama polimerisasi oleh enzim polymerase DNA mungkin sebagai akibat adanya semacam bonggol pada unting ganda molekul DNA yang ditimbulkan oleh adanya pasangan basa yang salah. Pengenalan tersebut diduga terjadi karena pada basa yang salah tidak terbentuk ikatan hydrogen. Dengan adanya kesalahan karena tidak terbentuk ikatan hydrogen tersebut, dimungkinkan enzim polymerase DNA memang tidak akan menambah nukleotida baru pada ujung 3’. Polimerisasi DNA akan terhenti dan tidak berlaku hingga nukleotida yang salah dipotong diikuti dengan penggantian nukleotida yang benar dan terbentuknya ikatan hydrogen yang diperlukan. Pemotongan nukleotida tersebut dilakukan oleh aktivitas eksonuklease berlangsung dalam arah 3’-5’. Jika tersebut sudah dilakukan, aktivitas polymerisi dalam arah 5’-3’ dari enzim polymerase DNA akan pulih kembali.

Berkaitan dengan aktivitas eksonuklease dalm arah 3’-5’ dari enzim polymerase DNA, ternyata aktivitas semacam itu tidak dijumpai pada polymerase makhluk hidup eukariotik. Aktivitas perbaikan semacam yang dimiliki polymerase DNA pada bakteri, pada makhluk eukariotik diduga dimiliki oleh protein lain.

Dari aktivitas eksonulkelase ditemukan bukti bahwa peran penting dari aktivitas ini adalah menekan laju mutasi pada bakteri, dapat terlihat dengan jelas jika terjadi mutasi gen mutator pada E. Coli. Jika gen mutator strain-strain E. Coli mengalami mutasi, maka frekuensi mutasi (seluruh gen) pada strin-strain itu menjadi lebih tinggi. Dengan demikian terbukti bahwa mutasi-mutasi tersebut mengubah protein-protein yang bertanggung jawab terhadap ketepatan replikasi DNA. Sebagai contoh misalnya yang berkenaan dengan gen mutasimut D pada E. Coli. Mutasi gen mut D tersebut mengakibatkan perubahan suatu sub unit ε (epilson) polymerase III DNA. Seperti diketahui, enzim polymerase III DNA adalah replikasi DNA pertama pada E. Coli dan mutasimut D menimbulkan cacat pada aktivitas perbaikan dalam arah 3’-5’, sehingga banyak nukleotida yang salah tidak sempat diperbaiki.

Fotoreaktivasi Dimer Phirimidin yang Diinduksi oleh UV

            Dinamakan fotoreaktivitas karena pada proses ini dibutuhkan cahaya. Perbaikan dengan bantuan cahaya memeperlihatkan dengan rentang panjang gelombang 320-370 nm (cahaya biru) dimer timin langsung berbalik pulih menjadi bentukan semula. Fotorektivasi dikatalisis oleh enzim fotoliase. Kerja dari enzim ini adalah menyingkirkan dimer jika diaktivasi oleh suatu foton. Ezim ini memiliki fungsi yaitu sebagai “pembersih” sepanjang unting ganda mencari bonggol yang terbentuk akibat dimer timin (atau pirimidin lain). Enzim fotoliase sangat efektif karena biasanya hanya tersisa sedikit dimer setelah fotoreaktivasi. Enzim ini ditemukan pada berbagai contoh makhluk hidup yang pernah dikaji dan diduga enzim ini bersifat universal.

Perbaikan Kerusakan Akibat Alkilasi

            Kerusakan DNA yang diakibatkan oleh alkilasi dapat dipulihkan oleh enzim perbaikan DNA khusus yang disebut metiltransferase O⁶-metilguanin atau O⁶ methylguanine mrthyltransferas. Enzim tersebut dikode oleh enzimada. Secara operasional enzim itu akan menemukan O⁶-metilguanin pada molekul DNA dan selanjutnya menyingkirkan gugus metal tersebut dan dengan demikian molekul DNA itu kembali pulih seperti semula.

Perbaikan Kerusakan DNA dengan Cara Membuang Pasangan Basa

            Yang tergolong dalam perbaikan dengan cara membuang pasangan basa adalah perbaikan melalui pemotongan, perbaikan dengan bantuanglikosilase, serta perbaikan melalui koreksi pasangan yang salah. 

Perbaikan Melalui Pemotongan (excision repair)

            Perbaikan melalui pemotongan bisa disebut juga dengan pemotongan gelap atau dark repair karena tidak dibutuhkan cahaya. Proses ini juga memperbaiki dimer pirimidin yang terbentuk akibat induksi cahaya UV. Mekanisme perbaikan ini ditemukan pada tahun 1964 oleh R.P. Boyea dan P. Howard serta R. Selow dan W. Carrier. Penelitian dilakukan dengan mengisolasi beberapa mutan E. Coli yang sensitive terhadap UV. Setelah dilakukan radiasi, mutan-mtan tersebut memperlihatkan laju mutasi dalam gelap yang labih tinggi dari pada normal. Mutan tersebut adalah uvr A, di mana mutan ini diketahui sebagai mutan yang dapat memperbaiki dimer hanya dengan bantuan cahaya. Dalam hubungan ini wild type dari mutan avr A disebut avr A⁺. Wild type dari mutan uvr A⁺ ini mampu memperbaiki dimer dalam gelap.

Sistem perbaikan melalui pemotongan pada E. Coli tidak hanya memperbaiki dimer pirimidin, tetapi juga berbagai distorsi lain dari helix DNA. Distorsi helix ditemukan oleh enzim endonuklease avr ABC. Enzim tersebut merupakan gabungan enzim-enzim yang masing-masing dikode oleh gen avr A, B, dan C. enzim tersebut memotong unting DNA yang rusak pada posisi 8 nukleotida ke arah ujung 5’ dari titik kerusakan dan nukleotida kea rah ujung 3’ dari titik posisi dimer tadi. Dengan demikian terlihat bahwa penggalan DNA yang dipotong adalah seukuran 12 nukleotida dan di dalam penggalan yang terpotong tersebut memang terdapat kerusakan. Selanjutnya pada celah sepanjang 12 nukleotida berlangsung polimerisasi DNA yang dikatalis oleh enzim polymerase I DNA, penggalan yang baru terbentuk itu selanjutnya disambung ke penggalan lama dengan bantuan enzim ligase DNA. Terkadang saat berlangsungnya polimerisasi DNA dalam rangka perbaikan itu terjadi pula kesalahan dan kesalahan tersebut merupakan sumber lain dari mutasi yang terjadi karena radiasi UV, sebagian besar sebab dari kesalhan tersebut adalah perpasangan yang tidak benar antara nukleotida baru dengan nukleotida yang terdapat pada unting template.

Perbaikan Dengan Bantuan Glikosilase

            Basa yang rusak (cacat) dapat juga disingkirkan dari molekul DNA dengan bantuan enzim glikosilase. Enzim tersebut mendeteksi basa yang tidak lazim dan selanjutnya megkatalisasi penyingkiran dari gula deoksiribosa. Aktivitas katalik enzim tersebut (yang menyingkirkan suatu basa cacat) menimbulkan suatu lubang pada DNa. Lubang ini disebut sengan tapak AP atauAp site. Tpak AP merupakan tapak apurinik (tidak ada purinberupa guanine dan adenine) atau tapak pirimidinik (tidak ada pirimidin yang berupa triosin dan timin). “Lubang” tadi juga terbentuk akibatnya lepasnya basa secara spontan alami. “Lubang” ini kemudian ditemukan oleh suatu enzim khusus yang disebut endonuklease AP. Enzim tersebut selanjutnya memotong ikatan fosfodiester disamping basa yang lepas tadi. Pemotongan tersebut memungkinkan bekerjanya enzim polymerase I DNA. Selanjutnya enzim polymerase I DNA menyingkirkan beberapa nukleotida di depan basa yang lepas itu dengan menggunakan aktivitas eksonuklease dalam arah 5’-3’ dan sebaliknya melakukan polimerisasi mengisi celah yang terbentuk dengan menggunakan aktivitas polimerisasinya. Pada akhirnya enzim ligase DNA menyambung penggalan nukleotida baru itu kea rah ujung 3’ dengan penggalan nukleotida yang lama.

Perbaikan Melalui Koreksi Pasangan Basa yang Salah

            Meskipun aktivasi dari polymerase DNA efisien memperbaiki  banyak kerusakan polimerisasi dengan segera, namun hal ini masih menyisakan suatu oermasalahn dimana terdapat sejumlah kesalahan yang tetap belum diperbaiki di saat replikasi sudah selesai. Kesalahan-kesalahan yang masih tersisa itu biasanya berupa psangan basa yang tidak berpasangan dan pada proses replikasi berikutnya  kondisi tersebut ddapat berakibat terjadi mutasi spontan.

            Pada E. Coli sudah ada perkiraan kasar menunjukkan bahwa kesalahan yang belum diperbaiki oleh enzim polymerase DNA adalah sebanyak satu per 10⁸ pasangan basa per generasi.  Kesalahan-kesalahnan yang banyak tersisa akan diperbaiki oleh sistem perbaikan lain yaitu perbaikan pasangan yang salah atau mismatched correction.

            Sistem perbaikan tersebut didukung oleh koreksi pasangan yang salah, yang dikode oleh tiga gen, yaitu mut H, L, dan S. Enzim tersebut mencari pasangan basa yang salah dan setelah ditemukan, enzim itu mengkatalisasi penyingkiran suatu segmen DNA (unting tunggal) yang mengandung pasangan basa salah. Selanjutnya enzim polymerase DNA akan mengkatalisasi polimerisasi pada celah yang terbentuk dan penyambungan hasil polimerisasi itu ke ujung 3’ dengan penggalan yang lama, dikatalisasi leh enzim ligase DNA.

            Enzim koreksi pasangan yang salah bekerja dengan pertama kali dengan mengenali unting DNA yang baru, karena unting yang baru tersebut belum mengalami metilasi. Setelah mengenali unting DNA yang baru, dilakukan penyingkiran basa yang salah dari unting baru itu oleh enzim, selanjutnya berlangsung polimerisasi yang dikatalis oleh enzim polymerase I DNA, dan pada akhirnya hasil dari perbaikan unting baru DNA tersebut disambung oleh enzim ligase DNA.

            Pada molekul DNA, termasuk di sekitar pasangan basa yang salah terdapat urutan-urutan basa nukleotida berupa GATS yang bersifat palindromik. Basa A pada palindrome biasanya mengalami metilasi yang dikatalisasi oleh enzim metilase dam. Pada unting DNA yang baru terbentuk, selama beberapa saat setelah polimerisasi, basa A pada palindrome tadi belum mengalami metilasi dan keadaan inilah yang dikenali oleh enzim koreksi atas pasangan yang salah. Fungsi lain ari enzim pengkoreksi adalah memperbaiki delesi maupun adisi sejumlah kecil pasangan basa.

MUTASI dan ADAPTASI

            Mutasi terjadi tanpa ada kaitannya dengan mutasi bermanfaat atau tidak bermanfaat atau bahkan merugikan bagi yang memiliki perangkat mutan tersebut. mutasi yang saat ini banyak terjadi lebih banyak merugikan. Gen-gen yang terkandung didalam tiap populasi yang sudah lolos dari proses seleksi alam, individu yang hidup dalam tiap populasi adalah yang sudah berhasil lolos dari proses seleksi alam. Dalam hal ini varian-varian alela dalam suatu populasi bersifat adaptif, dan setiap mutan baru memang lebih berpeluang merugikan sekalipun dapat juga menguntungkan. Contoh menguntungkan dan merugiakn adalah peningkatan pigmen melanin yang dibuthkan untuk melindungi tubuh dari sinar UV yang terkandung didalam sinar matahari menguntungkan bagi populasi manusia yang hidup diwilayah Afrika tropic tetapi tidak menguntungkan bagi populasi manusia penghuni Skandinavia. Pada dasarnya setiap mutasi yang terjadi tidak ada kaitannya dengan mutasi bermanfaat atau tidak bermanfaat atau bahkan merugikan. Efek mutasi itu baru dikualifikasi menguntungkan atau merugikan setelah dihubungkan dengan habitat lingkungan tempat hidup individu yang mengalami mutasi.

MUTASI dan KANKER

            Sebagian besar agen mutasi yang kuat seperti radiasi pengion dan radiasi UV maupun berbagai zat kimia juga bersifat karsinogenik atau penginduksi kanker. Uji ames dapat digunakan untuk melakukan pemeriksaan. Ames dan kolegannya mengungkap adanya kolerasi sebesar lebih dari 90% antara daya mutagen atau mutagenitas dan daya karsinogen atau karsinogenitas dari zat-zat yang diuji. Karsinogen-karsinogen sekalipun pada dasarnya tidak bersifat mutagenic ternyata pada sel-sel eukariotik mengalami metabolisme menjadi derivat-derivat yang bersifat muatgenik kuat.

            Muatsi somatic dapat menyebabkan timbulnya kanker. Sifat umum dari semua tipe kanker adalah bahwa sel-sel kanker yang ganas terus-menerus membelah padahal sel-sel normal tidak membelah. Semua sel kanker kehilangan control terhadap pembelahan sel secara normal dan sebagai akibatnya terbentuklah tumor. Pembelahan sel berada dibawah control gen dan mutasi yang menimpa gen yang bertanggung jawab terhadap control pembelahan sel, dapat menghilangkan fungsi control dari gen tersebut terhadap pembelahan sel.

APLIKASI PRAKTISI MUTASI

            Adanya mutasi orang dapat menggunakan alela-alela dalam analisis genetic. Kajian hasil persilangan  yang melahirkan hokum pemisahan dan hokum pilihan bebas mendel memang telah mungkin dilakukan berkat adanya alela-alela mutan.

MUTASI YANG BERMANFAAT DALAM PERAKITAN BIBIT

            Perakit bibit tanaman sudah menghasilkan bibit rakitan gandum, kedelai, tomat, padi, serta pohon buah-buahn. Tanaman yang tumbuh dari bibit rakitan terbukti dapat menghasilkan  panen yang meningkat, kandungan zat yang semakin sesuai. Salah satu contoh lain adalah mutasi terinduksi pada bibitPenielllium yang menghasilkan penisilin yang lebih banyak. Bibit tersebut diperoleh dari radiasi spora. Dalam hal ini ribuan spora diradiasi dan beberapa diantaranya kemudian tumbuh menghasilkan lebih banyak penisilin yang telah bermutasi akibat perlakuan radiasi tersebut.

SAKIT GENETIK MANUSIA YANG DITIMBULKAN OLEH KESALAHAN REPLIKASI DNA DAN KESALAHAN PERBAIKAN DNA

Sel –sel manusia dapat mengidap beberapa sakit genetik yang terjadi secara alami bersangkut paut dengan cacat pada replikasi DNA khususnya kegagalan perbaikan. Beberapa mutan ditunjukkan pada Tabel dibawah ini.

Sakit	Gejala	Fungsi yang diserang
Xeroderma pigmentosum (XP)	Gatal, kulit bercak-bercak seperti tahi lalat, kanker kulit	Perbaikan kerusakan DNA oleh radiasi UV atau oleh senyawa kimia.
Alaxia taelangluctase (AT)	Cacat koordinasi otot cenderung mengalami infeksi pernapasan, peka terhadap radiasi, cenderung terkena kanker kromosom terputus-putus.	Replikasi perbaikan DNA.
Anemi Fanconi (FA)	Anemi aplastik, perubahan pigmen pada kulit, nalformasi jantung, ginjal, serta anggota gerak; leukimia.	Replikasi perbaikan DNA, dimer UV serta tambahan senyawa kimia tidak disingkirkan dari DNA.
Sindrom Bloom (BS)	Kerdil; sakit kulit karena peka terhadap cahaya matahari, kromosom terputus-putus.	Pemanjangan rantai DNA pada replikasi.

·         Individu penderita anemi aplastik tidak atau menghasilkan sedikit sel-sel darah merah.

Penderita Xeroderm pigmentosum sangat peka terhadap cahaya matahari, mengidap banyak tumor kulit teutama pada bagian tubuh yang terbuka misalnya, wajah; disamping itu kulit juga bercak hitm seperti tahi lalat.

Sakit Xeroderma pigmentosum itu disebabkan oleh mutan resesifhomozigot. Mutan resesif itu didua bersangkut paut dengan suatu gen pengkode protein yang brperan pad perbaikan kerusakan DNA. Dilain pihak pada beberapa khusus sudah diungkap bahwa yang cacat tampaknya adalah endonuklease yang berfungsi mengenal dimer timin dan mengkaralisasi tahap pertama perbaikan penyingkiran atau exicon repair.

Analisis genetik atas sel-sel pengidap Xeroderma pigmentosummenunjukkan bahwa mutasi pada sebanyak 6 gen yang berbed dapat menimbulkan sakit tersebut. Hal tersebut mudah dipahami karena banyak enzim diketahui tersusun dua atau lebih macam polipeptida dan karena mutasi pada salah satu gen pengkode polipeptida yang terlibat pada proses perbaikan yang mempunyai banyak tahap dapat menimbulkn hambatan pada sesuatu jalur perbaikan.