TUGAS BIOLOGI MOLEKULER DNA Repairing
Disusun oleh : Alicya Dewi (150801568) Noviea Veronika (150801570) (150801570) Trisiana Tri Soebagio (150801573) Cindy Yong Kurnia Putri (150801578) Fransisca Maria Khilda A K (150801580) Prasetyo Ferry K (150801586) Sherly (150801596)
FAKULTAS TEKNOBIOLOGI UNIVERSITAS ATMA JAYA YOGYAKARTA 2016
I.
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
DNA repair merupakan suatu mekanisme perbaikan DNA yang mengalami mutasi. Mekanisme perbaikan yang terdapat ditingkat selular secara garis besar disesuaikan dengan jenis kerusakan yang tentu saja terkait erat dengan jenis faktor penyebabnya. Selsel
menggunakan
mekanisme-mekanisme
perbaikan
DNA
untuk
memperbaiki
kesalahan-kesalahan pada sekuens basa molekul DNA. Kesalahan dapat terjadi saat aktivitas selular normal, ataupun dinduksi. DNA merupakan sasaran untuk berbagai kerusakan: baik eksternal agent maupun secara spontan. Mutasi dibedakan menjadi 2 jenis yaitu mutasi alami dan buatan. Mutasi alami disebabkan oleh kesalahan dalam replikasi DNA sedangkan mutasi buatan disebabkan oleh zat-zat dari luar tubuh seperti mutagen.
B. Rumusan Masalah
1. Mengetahui proses mekanisme reparasi DNA
C. Tujuan
1. Untuk mengetahui proses mekanisme reparasi DNA
II.
TINJAUAN PUSTAKA
A. DNA Repairing
DNA repair merupakan suatu mekanisme perbaikan DNA yang mengalami kerusakan / kesalahan yang diakibatkan oleh proses metabolisme yang tidak normal, radiasi dengan sinar UV, radiasi ion, radiasi dengan bahan kimia, atau karena adanya kesalahan dalam replikasi DNA. Mekanisme perbaikan yang terdapat ditingkat selular secara garis besar disesuaikan dengan jenis kerusakan yang tentu saja terkait erat dengan jenis factor penyebabnya. Sel-sel menggunakan mekanisme-mekanisme perbaikan DNA untuk memperbaiki kesalahan-kesalahan pada sekuens basa molekul DNA. Kesalahan dapat terjadi saat aktivitas selular normal, ataupun dinduksi. DNA merupakan sasaran untuk berbagai kerusakan: baik eksternal agent maupun secara spontan.
B. Mutagen
Mutagen adalah agen yang dapat membawa perubahan dalam urutan nukleotida dalam DNA dari suatu organisme. Mutagen menyebabkan perubahan kerusakan di DNA yang dapat menyebabkan kanker, dan dikenal sebagai k arsinogen. 1.Mutagen fisika Radiasi Ultraviolet di atas 260 nm menginduksi lesi molekul tertentu dalam DNA yang dikenal sebagai dimer pirimidin. Didalamnya, timin dan sitosin basa yang berdekatan membentuk ikatan kovalen antara satu sama lain. Dimer pirimidin cyclobutane dan 6,4 photoproduk adalah produk yang umum terbentuk. Radiasi Pengion seperti sinar-X dan sinar gamma biasanya menyebabkan kerusakan pada untai DNA. Paparan radiasi tersebut mungkin memiliki efek deterministik, di mana sebagian besar sel-sel baik rusak berat atau dibunuh. Kadangkadang, ini mungkin memiliki efek stokastik, yang mengarah ke kanker dan mungkin perubahan dalam DNA gamet. Setelah paparan radiasi pengion, mungkin diperlukan waktu beberapa tahun untuk menadi kanker. Kadang-kadang, peluruhan radioaktif dapat berubah isotop karbon C-14 menjadi nitrogen. 2.Mutagen kimiawi Agen kimia tertentu bereaksi dengan DNA dengan sejumlah cara untuk menimbulkan perubahan dalam urutan DNA. Jenis oksigen reaktif seperti superoksida, hidrogen peroksida, dan radikal hidroksil. Bahan kimia ini memberikan banyak pembentukan adduct dasar, lintas hubungan, dan torehan dalam DNA.
Deaminasi bahan kimia seperti bisulfit dan nitrous menghidrolisis sitosin untuk urasil dan melepaskan amonia dalam prosesnya. Analog basa adalah bahan kimia yang secara struktural mirip dengan basa nukleotida dan kadang-kadang diganti di tempat basa nukleotida, 2-aminopurin dan bromouracil adalah contoh umum dari dar i agen kimia ini. Agen alkylating tertentu seperti N-metil- N’-nitro-N-nitrosoguanidin N’-nitro-N-nitrosoguanidin (MNNG), Etilmetana sulfonat (EMS), dan Etiletana sulfonat (EES) mentransfer metil atau gugus etil ke pangkalan atau gugus fosfat, yang menyebabkan pemasangan tidak cocok, hubungan lintas DNA, dan torehan dalam DNA. Agen interkalasi seperti acridine orange, proflavina, dan ethidium bromida dapat disisipkan di antara basa nitrogen dalam DNA dan menyebabkan mutasi frameshift dalam DNA. 3.Mutagen biologis Virus biasanya menginfeksi sel inang dan menyuntikkan materi genetiknya ke dalam genom inang, ini kadang-kadang menyebabkan perubahan dalam sel inang dan dapat mengubah mereka menjadi sel-sel kanker. Contoh virus tersebut adalah virus Human papilloma, Kaposi sarcoma terkait virus herpes, virus hepatitis C, dll Infeksi bakteri seperti Helicobacter pylori telah dikaitkan dengan membawa tentang perubahan dalam genom host dan peningkatan prevalensi kanker lambung. Selanjutnya, diduga bahwa turunan metabolisme dari bakteri sitotoksin dapat langsung merusak DNA. Transposon adalah urutan DNA yang dapat menghapus atau memasukkan dirinya dalam genom. Mereka juga dikenal sebagai gen pelompat. Transposon berpindah dari satu bagian ke bagian lain dari DNA, mereka cenderung untuk membuat beberapa perubahan dalam genom sehingga sehingga menimbulkan mutasi dan perubahan genom. genom.
C. Mutasi
Berdasarkan penyebabnya, dapat dibedakan menjadi : 1.Mutasi Spontan Mutasi spontan terjadi tanpa diketahui sebabnya secara pasti. Mutasi ini terjadi karena mekanisme tertentu didalam sel yang tidak sempurna. Menurut Hendaryono (2000), mutasi Spontan terjadi karena adanya peristiwa depurinasi dan deaminasi. Depurinasi terjadi karena adanya pemotongan ikatan kimia antara basa purin dengan gula deoksiribosa yang menyusun heliks DNA. Menurut Malacinski (2003), depurinasi menyebabkan hilangnya basa purin sekitar 5000 basa/sel/hari.Jika dalam
depurinasi saat kehilangan purin tidak diperbaiki maka saat replikasi tidak terbentuk pasangan basa komplementer yang lazim (Panno, 2005). Menurut Panno (2005), deaminasi sitosin akan akan menghasilkan urasil yang berpasangan dengan adenin, sehingga pasangan GS menjadi AU. Pada deaminasi, urasil (sebagian hasil deaminasi) bukan merupakan basa yang lazim pada DNA. Oleh karena itu sebagian besar urasil tersebut akan disingkirkan kembali dan diganti dengan sitosin melalui suatu perbaikan. Proses perbaikan itu meminimalkan dampak mutasi. Tapi jika tidak diperbaiki ,maka hal itu akan menyebabkan pengadaan adenin pada untai DNA baru hasil replikasi berikutnya. Menurut Malacinski (2003), deaminasi terjadi dalam sel sebanyak 100 basa/sel/hari. Bila cacat spontan terjadi terus meneurs, maka DNA menjadi rusak. Akibatnya replikasi dan translasi tidak terjadi dan gen fungsional tidak dapat terekspresi.
Gambar 2. Deaminasi Sitosin (a); Deaminasi 5-Methylcytosine 5-Meth ylcytosine (Hartl and Jones, 2009).
Gambar 3. Depurinasi guanin dan deaminasi sitosin menjadi urasil (Kar p, 2007). 2.Mutasi Buatan Mutasi buatan disebut juga mutasi induksi yaitu mutasi yang terjadi karena campur tangan manusia. Mutasi buatan adalah mutasi yang disebabkan oleh zat yang tidak berasal dari tubuh seperti mutagen. Berdasarkan jenisnya, dapat dibedakan menjadi : a.Perubahan a. Perubahan basa tunggal a. Subtitusi dasar Subtitusi basa tunggal disebut point mutation. Point mutation merupakan jenis yang paling umum dari mutasi dan terdapat dua jenis yaitu: 1.Transisi Merupakan penggantian purin yang satu menjadi purin yang lain atau pirimidin yang satu menjadi pirimidin yang lain dan umumnya terjadi selama replikasi DNA karena tautomerisma. Pada peristiwa ini terjadi pergeseran elektron yang menyebabkan bentuk molekul menjadi sedikit berubah. Pergeseran tautomer pada basa DNA mengubah sifat pasangan basa sehingga A dapat berpasangan dengan C dan T dengan G. 2.Transversi Merupakan penggantian basa purin menjadi pirimidin atau penggantian basa pirimidin menjadi purin.
b. Frameshift Mutasi Frameshift mutasi adalah mutasi menyebabkan pergeseran pembacaan pesan kode genetik. Tipe mutasinya yaitu insersi dan delesi. Delesi me rupakan peristiwa penghapusan atau pengurangan satu basa nitrogen pada gen. Insersi adalah peristiwa penambahan satu basa nitrogen pada gen (Firmansyah dkk., dkk., 2007). Peristiwa ini memiliki pengaruh yang lebih besar dibandingkan mutasi oleh penggantian basa nitrogen. Jika suatu gen memiliki 300 buah urutan basa nitrogen maka akan terbentuk polipeptida yang mengandung 100 urutan asam amino. Jika satu basa nitrogen disisipkan atau dihilangkan di tengah-tengah urutan basa maka semua urutan basa akan berubah, demikian juga dengan urutan asam aminonya (Firmansyah dkk., 2007).
Terjadi pengurangan 1 basa nitrogen (delesi) yang menyebabkan perubahan urutan asam amino (jadi yang dari awalnya harusnya di baca histidin lalu ada pengurangan basa, diambil basa G dan berubah dari yang awalnya AAG menjadi AAA pada dna dan yang mRNA dari UUC jd UUU sehingga pembacaannya berubah pula dari histidin menjadi treonin). c. Mutasi Titik (Point) Mutasi titik adalah jenis yang paling umum dari mutasi gen. Juga disebut substitusi pasangan basa, jenis mutasi perubahan pasangan basa nukleotida tunggal. Mutasi titik dapat dikategorikan menjadi tiga jenis yaitu: 1.Mutasi Diam (Silent) Mutasi diam (silent mutation), yaitu perubahan suatu pasangan basa dalam gen (pada posisi 3 kodon) yang menimbulkan perubahan satu kode genetik tetapi tidak mengakibatkan perubahan atau pergantian asam amino yang dikode. Mutasi diam biasanya disebabkan karena terjadinya mutasi transisi dan transversi.
2.Mutasi Tanpa Arti (Nonsense Mutation) Mutasi tanpa arti (Nonsense Mutation), yaitu perubahan kodon asam amino tertentu menjadi kodon stop. Hampir semua mutasi tanpa arti mengarah pada inaktifnya suatu protein sehingga menghasilkan fenotip mutan. Mutasi ini dapat terjadi baik oleh tranversi, transisi, delesi, maupun insersi.
3.Mutasi Salah Arti (Missens Mutation) Mutasi salah arti (Missens Mutation), yaitu perubahan suatu kode genetic (umumnya pada posisi 1 dan 2 pada kodon) sehingga menyebabkan asam amino terkait (pada polipeptida) berubah.
III. PEMBAHASAN
Ada beberapa mekanisme reparasi DNA yaitu fotoreaktivasi, eksisi , perbaikan post replikasi, dan perbaikan SOS, berikut penjelasannya.
A. Fotoreaktivasi
Fotoreaktivasi merupakan proses yang membutuhkan cahaya. Proses perbaikan dibantu oleh cahaya yang kelihatan dalam rentang 320-370 nm (cahaya biru) , dimer timin (atau dimer pirimidin lain) langsung berbalik pulih menjadi bentukan semula. Fotoreaktivasi dikatalisasi oleh enzim fotoliase yang diduga berfungsi sebagai ‘pembersih’ sepanjang unting ganda mencari bonggol yang terbentuk akibat dimer timin (atau pirimidin lain). Enzim fosfoliase akan menyingkirkan dimer jika diaktivasi oleh suatu foton.
Gambar 1. Gambar dimer timin
Gambar 2. Mekanisme perbaikan fotoreaktivasi
B. Eksisi atau Perbaikan Gelap
Eksisi atau perbaikan dengan cara memotong kerusakan yang disebabkan oleh deaminasi, depurinasi dan dimerisasi. Misalnya dilakukan untuk memperbaiki keadaan adanya dimer pirimidin dalam suatu rantai melalui proses enzimatik multistep, dengan cara menarik untai tunggal DNA yang rusak dari untai ganda. Proses resintesis dilakuakan dengan menggunakan untai yang sehat sebagai cetakan. Pada proses eksisi pada molekul tersebut digunakan enzim endonuklease yang mengenal distorsi. Enzim tersebut memotong satu sampai dua tempat pada ikatan fosodiester dari kedua sisi yang rusak.
Gugus
3’3’-OH
dihasilkan
dari
pemotongan
5’
dan
DNA
polimerase
menggunakannya sebagai primer dan mensintesis DNA baru dengan membuang potongan yang rusak. Langkah terakhir dari proses perbaikan ini adalah menyambung ujung 3’3’-OH dengan 5’-P 5’ -P yang menggunakan DNA ligase sebagai enzim pemateri DNA.
Gambar 3. Proses perbaikan eksisi. Eksisi pada E.coli, molekul DNA yang mengalami deaminasi spontan tidak dapat diperbaiki dengan jalan eksisi langsung, dan harus melalui proses yang panjang. Sistem perbaikan melalui pemotongan pada E. pada E. Coli tidak 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 masingmasing 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 De ngan 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 untai cetakan (template) (template).. Perbaikan Dengan Bantuan Glikosilase Basa yang rusak (cacat) dapat juga disingkirkan disi ngkirkan 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 atau Ap site. Tpak AP merupakan tapak apurinik (tidak ada purinberupa guanine dan adenine) atau tapak pirimidin (tidak ada pirimidin yang berupa triosin 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 penggalan nukleotida yang lama.
Gambar 4. Mekanisme eksisi pada E.coli. pada E.coli.
C. Perbaikan Post Replikasi
Kadang-kadang kerusakan DNA agak sulit diperbaiki dengan jalan eksisi biasa, misalnya pada DNA dengan dimer timin yang lebih dari 1 buah dan teradapat pada untai yang berlainan dari DNA heliks ganda. Replikasi DNA berlangsung sesudah terjadi pembentukan dimer timin akibat iradiasi sinar ultraviolet. Proses replikasi berlangsung dan berhenti pada dimer timin untuk beberapa saat, karena adanya distorsi kemudian dilanjutkan dengan arah yang berlawanan dan sister kromosom akan mengadakan rekombinasi menjadi DNA yang utuh. Proses ini juga memerlukan Nuklease, DNA polimerase dan DNA ligase. Perbaikan kerusakan DNA pada manusia biasanya dilakukan kultur sel. Terdapat manusia yang peka terhadap sinar ultraviolet maupun ionisasi radiasi, akibat sensitivitas yang secara genetis menurun terhadap agen mutagenik. Penyakit tersebut dikenal dengan nama xeoderma pigmentosum. Kulit penderita menunjukkan sensitivitas terhadap sinar matahari yang sering menimbulkan tumor pada sel epidermis pada daerah yang tidak tertutup.
DNA yang mengandung dimer pirimidin mengalami replikasi. DNA yang mengalami dimer terdiri dari untai indukan yang rusak dan untai gap daughter akan direkombinasi dengan duplex DNA yang normal. DNA yang normal bagian untai induk dipotong dan dipindahkan ke gap daughter. Terjadi proses ligasi maka menghasilkan DNA yang normal.
D. Perbaikan SOS
Mekanisme perbaikan DNA dengan sistem SOS dapat dilihat sebagai jalan pintas yang memungkinkan replikasi tetap berlangsung meskipun harus melintasi dimer. Hasilnya berupa untai DNA yang utuh tetapi sering kali sangat defektif. Oleh karena itu, mekanisme SOS dapat dikatakan sebagai sistem perbaikan yang rentan terhadap kesalahan. Ketika sistem SOS aktif, sistem penyuntingan oleh DNA polimerase III justru menjadi tidak aktif. Hal ini dimaksudkan agar agar polimerisasi tetap dapat berjalan melintasi dimer. Untai DNA yang baru akan mempunyai dua basa adenin berurutan pada posisi dimer (dalam kasus timin dimer). Dengan sendirinya, kedua adenin ini tidak dapat berpasangan dengan timin karena kedua timin berada dalam bentuk dimer. Sistem penyuntingan tidak dapat memperbaiki kesalahan ini karena tidak aktif, sedangkan sistem perbaikan salah pasangan sebenarnya dapat memperbaikinya. Namun, karena jumlah dimer di dalam setiap sel yang mengalami me ngalami iradiasi UV biasanya begitu banyak, maka sistem perbaikan salah pasangan tidak dapat memperbaiki semua kesalahan yang ada. Akibatnya, mutasi tetap terjadi. Pengaruh mutagenik iradiasi UV memang hampir selalu merupakan akibat perbaikan yang rentan terhadap kesalahan.
Tanggapan SOS, seperti perbaikan rekombinasi, rekombinasi, tergantung pada RecA. Ketika ada kerusakan DNA yang luas yang menyebabkan sintesis DNA untuk berhenti, ia meninggalkan banyak celah dalam DNA (ex. Akan paparan UV luas atau dimer timin yang luas (pembentukan T-T)). T-T)). RecA protein mengikat mengikat kesenjangan ini. Hasil RecA mengikat dalam perbaikan rekombinasi diinisiasi. Bersamaan dengan ini, RecA mengambil fungsi coprotease - ini mengarah pada penghancuran protein represor LexA yang merupakan represor transkripsi (ini disebut otoproteolisis). Penghancuran LexA LexA meningkatkan transkripsi gen untuk perbaikan eksisi dan perbaikan rekombinasi. (Gen perbaikan uvrA, UvrB, uvrC ditranskripsi dan uvrABC endonuklease (perbaikan eksisi) diaktifkan)
IV. PENUTUP
A. Kesimpulan
1.Mekanisme reparasi DNA yaitu fotoreaktivasi, eksisi, perbaikan post replikasi, dan perbaikan SOS. Fotoreaktivasi adalah perbaikan dengan cahaya. Eksisi adalah pemotongan kerusakan yang disebabkan oleh deaminasi, depurinasi dan dimerisasi. Perbaikan post replikasi adalah reparasi untuk kerusakan yang lebih parah dari fotoreaktivasi dan eksisi. Perbaikan SOS adalah jalan pintas reparasi DNA yang memungkinkan replikasi tetap berlangsung meskipun harus melintasi dimer.
DAFTAR PUSTAKA
Campbell, N. A., Reece, J. B., dan Nitchel, L. G. 2004. Biologi Edisi Kelima Jilid 3. Erlangga, Jakarta. Hartl, D. L, and Jones, E. W. 2009. Genetics: Analysis of Genes and Genomes. Genomes . Jones and Bartlett Publisher, Canada. Hendaryono, D. P. S. 2000. Pembibitan 2000. Pembibitan Anggrek dalam Botol. Penerbit Botol. Penerbit Kanisius, Yogyakarta. Karp, J. E. 2007. Acute 2007. Acute Mylogenous Leukemia. Leukemia. Humana Press, New Jersey. Malacinski, G. M. 2003. Essentials 2003. Essentials of Molecular Biology. Biology. Jones and Bartlett Publishers, Canada. Murray, R.K. et al 2003. Biokimia 2003. Biokimia Harper Edisi Edisi 25. Kedokteran EGC, Jakarta. Panno, J. 2005. The Cell: Evolution of the First Organism. Fact Organism. Fact On File, Inc, New York. Robbins dan Cotran. 2006. Dasar 2006. Dasar Patologis Penyakit . EGC, Jakarta. Sofro, A. S. M. 1994. Keanekaragaman 1994. Keanekaragaman Genetik . Andi Offset, Yogyakarta.
