Latar Belakang Salah satu perbedaan fundamental antara jasad prokaryot dan eukaryot adalah pada organisasi bahan genetiknya. Pada kelompok eukaryot, umumnya hanya ada satu unit bahan genetik utama yang membawa semua informasi genetik yang diperlukan untuk kelangsungan pertumbuhan jasad tersebut. Semua unit bahan genetik merupakan satu kesatuan genom yang merupakan kelangsungan makhluk hidup. Virus yang merupakan jasad paling sederhana menunjukkan organisasi genom yang paling efisien dibandingkan dengan prokaryot dan eukaryot (Triwibowo, 2010). Kompleksitas yang dimiliki oleh setiap materi genetik yang dimiliki oleh prokaryot, eukaryot, dan virus mendorong kita untuk lebih mengetahui perbedaannya. Fenomena lain yang sangat menarik dalam hal organisasi genom adalah sistem engemasan bahan genetik yang sangat efisien pada setiap jasad hidup. Meskipun ukuran bahan genetiknya jauh lebih panjang disbanding ukuran sel atau ukuran partikelnya, namun bahan genetik tersebut dapat dikemas sedemikian rupa sehingga hanya menempati sebagian kecil ruang di dalam sel. Oleh karena itu diharapkan dalam penulisan makalah ini kita dapat mengetahui genom pada prokaryot, eukaryot, dan virus. Defenisi Gen dan Genom Gen adalah unit molekul DNA atau RNA dengan panjang minimum tertentu yang membawa informasi mengenai urutan asam amino yang lengkap suatu protein, atau yang menentukan struktur lengkap suatu molekul rRNA (RNA ribosom) atau tRNA (transfer RNA). Genom adalah satu kesatuan gen yang secara alam dimiliki oleh satu sel atau virus, atau satu kesatuan gen yang secara alami dimiliki oleh satu selatau virus, atau satu kesatuan kromosom jasad eukaryot dalam fase haploid. Dengan batasan semacam ini maka dapat dimengerti bahwa sepotong molekul DNA yang tidak membawa informasi genetik yang lengkap tidak dapat disebut sebagai gen melainkan hanya sebagai fragmen DNA. Demikian juga, satu kromosom suatu jasad yang mempunyai lebih dari satu kromosom juga tidak dapat disebut sebagai genom jasad tersebut (Triwibowo, 2010). Suatu sel kelamin (gamet) mengandung separoh dari jumlah kromosom yang terdapat di dalam sel somatis, karena itu jumlah kromosom dalam gamet dinamakan
haploid (n). Satu sel kromosom haploid dari suatu spesies dinamakan genom (Suryo, 2005). Istilah genom mengacu pada set haploid informasi genetik yang terkandung dalam sel-sel (dengan kata lain pada kromosom-kromosom) dari suatu spesies tertentu. Jumlah kromosom pada setiap sel somatic sama pada semua anggota suatu spesies. Misalnya, sel-sel somatik manusia mengandung 46 kromosom, sel-sel tembakau mengandung 48, sapi 60, ercis 14, lalat buah 8, dan lain sebagainya (Susan dan William, 2007). Organisasi Genom Pada Prokaryot Prokaryot dinamai seperti itu dikarenakan prokaryot tidak memiliki inti sejati yang terbungkus dalam membrane. Sel prokaryot tidak memiliki pembagian ruang oleh membrane internal yang menjadi ciri khas eukaryot. Akan tetapi, berbagai prokaryot memiliki berbagai membran terspesialisasi yang melakukan banyak fungsi metaboliknya. Membran-membran itu umumnya merupakan daerah membrane plasma yang terlipat (Campbell dkk, 2002). Dbandingkan dengan eukaryot, prokaryot juga memiliki genom yang lebih kecil dan lebih sederhana. Rata-rata prokaryot hanya memiliki DNA sekitar seperseribu DNA sel eukaryot. Pada sebagian besar prokaryt, DNA terkonsentrasi sebagai serat kusust dalam region nukleoid (daerah nukleoid) yang warnanya kurang padat dibandingkan dengan sitoplasma sekitarnya dalam mikrograf elektron. Kumpulan serat itu sesungguhnya adalah kromosom prokariot, molekul DNA beruntai ganda dalam bentuk cincin. DNA itu relative memiliki sedikit protein yang berikatan dengan DNA. Istilah genophore kadang-kadang digunakan bagi kromosom prokariot untuk membedakannya dari kromosom eukariot, yang memiliki struktur yang sangat berbeda. Genom eukaryot terdiri atas molekul DNA linier yang terbungkus bersama dengan protein membentuk sejumlah kromosom yang menjadi ciri khas spesies itu (Campbell dkk, 2002). Sebagai tambahan pada kromosom utamanya yang hanya satu, sel prokaryot juga memiliki cincin DNA yang jauh lbih kecil yang disebut plasmid, yang sebagian besar diantaranya hanya berisi beberapa gen. Pada sebagian besar lingkungan, prokaryot dapat bertahan hidup tanpa plasmidnya karena semua fungsi esensial dikodekan oleh kromosom. Namun demikian, plasmid memberikan meberikan gen-gen untuk
kekebalan terhaap antibiotic kepada sel, karena tidak adanya metabolisme nutrient yang tidak umum pada lingkungan normal, dan untuk segala kemungkinan yang khusus. Plasmid bereplikasi tanpa bergantung pada kromosom utama, dan banyak plasmid dapat dtansfer dengan mudah antarpasangan prokaryot yang mengadakan konjugasi (Campbell dkk, 2002). Meskipun proses umum replikasi DNA dan translasi pesan genetik menjadi protein pada eukaryot dan prokaryot tidak berbeda, beberapa di antara rinciannya berbeda. Sebagai contoh, ribosom prokaryot sedikit lebih kecil dibandingkan dengan versi eukaryot dan berbeda dalam kandungan protein dan RNA-nya. Perbedaan itu cukup besar sehingga antibiotik selektif, termasuk tetrasilin dan kloramfenikol, berikatan dengan ribosom dan menghambat sisntesis protein dalam banyak prokariota akan tetapi tidak pada eukaryot (Campbell dkk, 2002). Bahan genetik utama („kromosom”) jasad prokaryot pada umumnya terdiri atas satu unit molekul DNA untai-ganda (double-stranded) dengan struktur lingkar (circular). Oleh karena itu, jasad prokaryot bersifat monoploid karena hanya terdiri atas sekitar 4.600 kb (4,6 x 〖10〗^6 bp). Bahan genetik pada jasad prokaryot tidak dikemas di dalam suatu struktur yang jelas karena pada sel prokaryot tidak terdapat inti sel (nucleus). Hal ini berbeda dengan bahan genetik utama jasad eukaryot yang terdapat di dalam struktur nucleus. Bahan genetik utama jasad prokaryot diketahui terikat pada membran sel sebelah dalam yang diduga berperanan dalam proses pemisahan DNA pada waktu terjadi pembelahan sel. Oleh karena struktur bahan genetik utama jasad prokaryot berupa molekul lingkar, molekul tersebut tidak ada bagian ujungnya (Triwibowo, 2010). Meskipun pada umumnya kromosom bakteri berupa molekul DNA dengan struktur lingkar, namun diketahui ada beberapa bakteri yang struktur bahan genetic utamanya berupa molekul DNA linear, misalnya pada bakteri Borrelia burgdorferi dan Streptomyces lividans. Ujung molekul kromosom S. Lividans diketahui berikatan secara kovalen dengan suatu protein. Protein di ujung molekul kromosom semacam ini mempunyai fungsi yang sangat penting dalam proses inisiasi replikasi DNA. Selain itu juga diketahui ada bakteri yang mempunyai 2 molekul kromosom yaitu bakteri Rhodobacter sphaeroides (Triwibowo, 2010). Selain bahan genetik utama, jasad prokaryot seringkali juga mempunyai bahan genetik tambahan yang disebut sebagai plasmid. Plasmid pada prokaryot berupa
molekul DNA untai-ganda dengan struktur lingkar. Pada umumnya plasmid tidak dibutuhkan oleh sel untuk pertumbuhan meskipun seringkali plasmid membawa gengen tertentu yang memberikan keuntungan tambahan bagi sel dalam keadaan terstentu, misalnya gen ketahanan terhadap antibiotik. Oleh karena itu, dalam keadaan
normal
plasmid
dapat
dihilangkan
dengan
metode
curing
tanpa
mengganggu pertumbuhan selnya. Ukuran plasmid sangat bervariasi tetapi pada umumnya lebih kecil dari ukuran ahan genetik utama sel prokaryot. Sebagai contoh, plasmid ColV-K30 yang ada pada E. Coli berukuran sekitar 2kb, sedangkan plasmid CAM yang ada pada Pseudomonas sp berukuran sekitar 230 kb. Plasmid berada bebas di dalam sitoplasma dan pada umumnya bereplikasi secara independen dari replikasi bahan genetik utama jasad. Jumlah turunan (copy number) plasmid di dalam satu sel juga bervariasi dari 1 kopi sampai beberapa ratus kopi. Bahkan plasmid tertentu, misalnya plasmid seri pUC, dapat diperbanyak jumlahnya di dalam sel E. Coli sehingga dapat mencapai jumlah turunan sampai lebih dari seribu kopi per sel (Triwibowo, 2010). Pada dasarnya plasmid merupakan entitas genetik yang diketemukan secara alami di dalam sel beberapa kelompok prokaryot dan eukaryote. Dengan teknik rekayasa genetik, sekarang telah dapat dikembangkan plasmid artificial dengan cara menggabungkan gen-gen dari beberapa plasmid alami maupun dari genom jasad tertentu. Salah satu contoh plasmid artificial adalah plasmid seri pUC, misalnya pUC 18 dan pUC 19 (Triwibowo, 2010). Menurut Triwibowo (2010), genom jasad prokaryot tersusun atas banyak unit gen. Secara umum struktur lengkap gen pada bakteri terdiri atas bagian tama yaitu : Promoter adalah bagian gen yang berfungsi sebagai pengatur proses ekspresi genetik (transkripsi) bagian struktural. Bagian ini adalah bagian yang pertama kali akan dikenali pertama kali oleh RNA polymerase dan protein regulator sebelum proses transkripsi (sintesis RNA) dimulai. Bagian struktural (coding region) adalah bagian gen yang membawa kode-kode genetik yang akan ditranskripsi dan kemudian ditranslasi (dalam hal gen yang mengkode protein) atau hanya ditranskripsi saja (dalam hal gen yang mengkode rRNA dan tRNA).
Terminator adalah bagian gen yang berperanan dalam proses penghentian transkripsi. Salah satu perbedaan utama anatara organisasi gen pada prokaryot denga eukaryot adalah bahwa bagian struktural gen prokaryot (bakteri) tidak mengandung intron (berasal dari kata intervening sequences). Intron adalah sekuens nukleotida yang tidak akan ditemukan “terjemahannya” di dalam rangkaian asam as am amino protein yang dikode oleh suatu gen. Intron akan ditranskripsi tetapi emudian mengalami pemotongan sehingga tidak akan mengalami translasi. Sekuens nukleotida yang akan diterjemahkan disebut sebagai ekson (exon, berasal dari kata expressed). Pada genom eubakteri, diketahui tidak ada intron, tetapi pada genom arkhaebakteri tertentu diketahui terdapat intron. Menurut Triwibowo (2010), pada jasad prokaryot diketahui ada tiga kelompok utama organisasi gen: Gen independen adalah gen yang ekspesinya tidak tergantung pada ekspresi gen lain sehingga gen tersebut akan diekspresikan terus menerus selamanya selnya masih tumbuh. Unit transkripsi adalah sekelompok gen yang secara fisik terletak berdekatan dan diekspresikan bersama-sama karena produk ekspresi gen-gen tersebut diperlukan dalam suatu rangkaian proses fisiologi yang sama. Kelompok gen adalah beberapa gen yang secara fisik terletak pada lokus yang berdekatan dan produk ekspresi gen-gen tersebut diperlukan dalam rangkaian proses fisiologi yang sama meskipun masing-masing gen tersebut dikendalikan secara independen, misalnya kelompok gen yang berperanan dalam proses penambatan nitrogen pada bakteri Rhizobium sp. Operon adalah sekelompok (gen) struktural yang terletak berdekatan dan ekspresinya dikendalikan oleh satu promoter yang sama. Organisasi Genom Pada Eukaryot Genom eukaryot mempunyai organisasi yang lebih kompleks dibangdingkan dengan genom prokaryot. Molekul DNA utama pada eukaryot berupa molekul untai ganda
dengan struktur linear. Ukuran genom eukaryot, khususnya eukaryot tingkat tinggi, jauh lebih besar dibandingkan dengan ukuran genom prokaryot. Bahan genetik utama jasad eukaryot terletak di dalam inti sel (nucleus) dan dikemas sedemikian rupa membentuk struktur yang disebut kromosom. Jumlah kromosom pada kelompok jasad eukaryot sangat bervariasi, mulai dari dua buah pada khamir Schizosaccharomyces pombe, sampai mencapai 250 buah pada sejenis kepiting (hermit crab). Selain kromosom, beberapa sel eukaryot juga mempunyai DNA di luar kromosom yaitu DNA pada mitokondria dan pada kloroplas (pada sel tumbuhan hijau). Beberapa sel eukaryot juga mempunyai plasmid alami yang disebut plasmid 2 µm. DNA mitokondria dan pada kloroplas berupa molekul DNA lingkar dan replikasinya berlangsung secara indeenden, tidak tergantung pada replikasi kromosom. Organisasi gen pada mitokondria lebih mirip organisasi gen pada bakteri sehingga diduga mitokondria merupakan jasad prokaryot endosimbion yang dalam proses evolusi berkembang menjadi bagian struktur sel eukaryot seperti yang dikenal sekarang(Triwibowo, 2010). Informasi genetik pada eukaryot dapat terletak pada kedua untaian ganda DNA, artinya masing-masing untaian DNA dapat berfungsi sebagai bagian yang mengkode sesuatu (coding region) maupu yang tidak membawa informasi (noncoding region). Seperti halnya pada prokaryot ukuran molekul DNA yang menyusun kromosom eukaryot jauh lebih panjang dibandingkan ukuran selnya. Sebagai contoh jika molekul DNA kromosom pada satu sel manusia disambung secara linear maka dapat encapai panjang sekitar 1,74 m, sedangkan ukuran sel manusia hanya beberapa micron. Kromosom sel manusia mempunyai kandungan nukleotida yang berkisar antara 48 juta pasangan basa sampai sekitar 240 juta pasangan basa pada kromosom terbesar, yaitu 1, 2, dan 3. Oleh karena itu, DNA utama pada sel eukaryot ikemas dengan sistem yang sangat efisien dan kompak. Dimana DNA pada sel eukaryot dikemas oleh dengan menngunakan protein histon. Menurut Triwibowo (2010), gen pada jasad eukaryot dapat dikelompokkan menjadi tiga kelas, yaitu : Gen kelas I, yaitu gen-gen yang mengkode rRNA5,85, rRNA 18S, dan rRNA 28S. Ketiga molekul rRNA tersebut digunakan dalam pembentukan ribosom.
Gen kelas II, yaitu gen-gen yang mengkode sintesis semua molekul protein. Gengen tersebut lebih dahulu akan disalin (ditranskripsi) menjadi molekul mRNA, selanjutnyamRNA akan ditanslasi menjadi rangkaian asam amino yang menyusun suatu protein. Gen kelas III, yaitu gen-gen yang mengkode pembentukan molekul tRENA, dan rRNA 5S. Molekul tRNA digunakan untuk membawa asram amino yang akan disambungkanmenjadi disambungkanmenjadi molekul protein dalam protein translasi. Menurut Triwibowo (2010), pada eukaryot ada beberapa hal utama yang merupakn ciri umum pada semua gen yang terinterupsi (mengandung interon) adalah : Urutan bagianbagian gen yang terinterupsi dalam genom adalah sama dengan urutan pada produk RNA hasil transkripsi. Gen yang terinterupsi mempunyai struktur yang sama pada semua jaringan, baik berekspresikan maupun tidak. Intron dalam gen-gen inti sel pada umumnya mempunyai kodon terminasi dalam semua kerangka baca (reading frame). Organisasi Genom Pada Virus Virus adalah jasad parasit obligat yang hanya dapat melakukan perbanyakan (multiplikasi) jika berada di dalam sistem biologis sel inang yang sesuai (Triwibowo, 2010). Virus merupakan genom yang terbungkus di dalam suatu lapisan pelindung. Virus terkecil memiliki diameter hanya 20 nm-lebih kecil dari ribosom. Jutaan virus dapat dengan mudah menempati kepala jarum. Bahkan virus yang paling besar sekalipun sukar dilihat dengan mikroskop cahaya. Penemuan Stanlay bahwa beberapa virus dapat dikristalkan merupakan berita yang menggairahkan sekaligus membingunkan. Sel yang paling sederhana sekalipun tidak dapat beragrerasi menjadi kristal yang teratur. Tetapi jika virus bukan merupakan sel, lantas apa? Virus merupakan partikel penginfeksi yang terdiri dari asam nukleat yang terbungkus di dalam lapisan pelindung dan di beberapa kasus, di dalam selubung membran (Campbell dkk, 2002).
Kita biasanya membayangkan bahwa gen terbuat dari DNA untai-ganda-heliks ganda yang konvensional-tetapi virus seringkali melanggar anggapan ini. Genom (kumpulan gen) virus mungkin terdiri dari DNA untai-ganda. DNA untai-tunggal, RNA untai-ganda, atau RNA untai-tunggal, tergantung dari tipe virusnya. Suatu virus bisa disebut sebagai virus DNA atau virus RNA, tergantung dari asam nukleat yang menyusun genomnya. Pada masing-masing kasus, genomnya biasanya tersusun menjadi molekul asam nukleat linear tunggal atau sirkuler. Virus yang terkecil hanya memiliki 4 gen, sedangkan yang terbesar memiliki beberapa ratus. Kulit protein yang menyelubungi genom virus disebut kapsid. Tergantung dari tipe virusnya, kapsid dapat berbentuk batang (lebih tepatnya heliks), polihedral, atau bentuk yang lebih kompleks. Kapsid terbentuk dari banyak subunit protein yang disebut kapsomer, tetapi jumlah jenis proteinnya biasanya sedikit(Campbell dkk, 2002). Virus dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok besar, yaitu virus yang inangnya berupa jasad prokaryot (bakteri), sehingga disebut bakteriofag, dan yang inangnya adalah sel eukaryot. Beberapa virus tertentu mempunyai keunikan dalam hal komposisi asam nukleatnya. Sebagai contoh, pada bakteriofag T4 (dengan sel inang E.
coli)
semua
basa
cytosine-nya
(basa
C)
terdapat
dalam
bentuk
hydroxymethylcytosine (HMC), yaitu basa nukleotida yang tidak terdapat pada bakteri E.coli. asa HMC ini mempunyai sifat-sifat ikatan hidrogen seperti halnya basa C sehingga tidak mengubah kode genetik. Selain itu, basa HMC ini mempunyai sisi reaktif yang dapat mengikat satu molekul glukosa. Keberadaan molekul glukosa tersebut menyebabkan molekul DNA bakteriofag menjadi resisten terhadap pemotongan oleh enzim endonuklease sel inangnya. Bakteriofag lain yang mempunyai keunikan yaitu bakteriofag SPO1 yang sel inangnya adalah Bacillus subtilis. Genom bakteriofag tersebut berupa DNA untai-ganda, linear, tetapi basa thymine-nya (basa T) terdapat dalam bentuk hydroxymethyluracil (HMU) (Triwibowo, 2010).
Insecta DNA genom bakteriofag T4 tersusun atas sekitar 166.000 pasangan basa dengan panjang sekitar 55 mm sedangkan ukuran partikelnya hanya seitar 0,06-0,09 µm, sehingga DNA-nya mengalami pelipatan yang sangat intensif. Bagian ujung DNA bakterifag T4 terdiri atas urutan baa yang berulang (terminally redundant), sehingga kalau gen-genya digambarkan dengan symbol maka dapat dituliskan sebagai berikut
: ABCD....ZA‟B‟C‟ struktur DNA semacam ini menyebabkan molekul DNA yang ada pada setiap bakteriofag berbeda-beda, meskipun populasi bakteriofag tersebut berasal dari replikasi satu partikel bakteriofag. Hal ini disebabkan oleh adanya permutasi siklis (cyclically permuted) urutan DNA bakteriofag tersebut seperti digambarkan dalam skema sebagai berikut : Urutan DNA partikel bakteriofag induk (di sini hanya digambarkan dalam bentuk untai-tunggal, meskipun genomnya berupa molekul untai-ganda): 5‟5‟- A B C D E F G Z A B C -3‟ -3‟ Beberapa kemungkinan urutan DNA partikel bakteriofag turunannya : b.1 5‟5‟- A B C D Z A B C -3‟ -3‟ b.2 5‟ 5‟- C D E Z A B C D E -3‟ -3‟ b.3 5‟5‟- E F G Z A B C D E F G -3‟ -3‟ Perlu diketahui bahwa permutasi siklis semacam ini merupakan cirri khas populasi partikel bakteriofag, sedangkan pengulangan urutan basa DNA pada ujung merupakan ciri khas merupakan ciri khas molekul NA bakteriofag. Pengulangan basa DNA pada ujung dapat juga terjadi tanpa ada permutasi siklis, tetapi permutasi siklis tanpa pengulangan basa DNA pada ujung belum pernah diketahui. Sampai saat ini telah ada 135 gen yang teridentifikasi pada bakteriofag T4 (Triwibowo, 2010).
