RSS

Rekombinasi Genetik

28 Apr

Definisi Rekombinasi Genetik

Rekombinasi genetik adalah proses pertukaran elemen genetik yang dapat terjadi antara untaian DNA yang berlainan (interstrand), atau antara bagian-bagian gen yang terletak dalam satu untaian DNA (intrastrand). Dalam pengertian yan lebih sederhana, rekombinasi genetik didefinisikan menjadi penggabungan gen dari satu atau lebih sel ke sel target. Sel yang disisipi atau dimasuki gen dari luar atau dari sel lain disebut biakan rekombinan. Penyusunan kembali informasi genetik dalam dan antara molekul DNA yang meliputi berbagai macam proses yang terletak secara kolektif dibawah rekombinasi genetik.

Fungsi Rekombinasi Genetik

Fungsi dari rekombinasi genetik bervariasi tergantung mekanismenya. Beberapa fungsi rekombinasi genetik adalah memelihara perbedaan genetik, sistem perbaikan DNA khusus, regulasi ekspresi gen tertentu, dan penyusunan kembali genetik yang diprogram selama perkembangan

Tipe Rekombinasi Genetik

Secara garis besar ada tiga tipe rekombinasi genetik yang sudah banyak diketahui, yaitu (1) rekombinasi homolog/ umum, (2) rekombinasi khusus (site-specific rekombination), dan (3) rekombinasi transposisi/ replikatif.
Rekombinasi homolog menyebabkan terjadinya pertukaran antarmolekul DNA yang merupakan homologi urutan nukleotida cukup besar. Ciri khusus rekombinasi homolog adalah bahwa proses tersebut dapat terjadi setiap titik di daerah homologi. Rekombinasi terjadi melalui tahap pemotongan untaian DNA yang kemudian diikuti dengan proses penggabungan kembali. Rekombinasi antarkromosom melibatkan proses pertukaran secara fisik antara bagian-bagian kromosom. Proses rekombinasi terjadi secara akurat sehingga tidak ada satupun pasangan basa nukleotida yang hilang atau ditambahkan ke dalam kromosom rekombinan. Proses pertukaran tersebut menyebabkan terbentuknya struktur yang dapat terlihat sebagai kiasma (chiasma) pada waktu meiosis. Kiasma merupakan tempat pemotongan dan penggabungan kembali untai DNA, yaitu ketika dua kromatid yang berbeda (non-sister chromatids) terpotong dan tergabungkan satu sama lain. Rekombinasi homolog dimulai ketika dua kromosom homolog terletak berdekatan satu sama lain sehingga urutan nukleotida yang homolog dapat dipertukarkan. Kontak antara dua pasang kromosom tersebut, disebut sebagai proses sinapsis, terjadi pada awal meiosis yaitu pada profase.

Rekombinasi genetik homolog melibatkan pertukaran genetik antara dua molekul DNA (atau segmen molekul yang sama) yang mendiami wilayah yang luas dengan susunan homolog. Susunan basa yang sebenarnya pada DNA tidak sesuai sepanjang susunan dua DNA yang sama. Daerah rekombinasi khusus berbeda dalam hal pertukaran yang hanya terjadi pada susunan DNA yang terdefinisi. Perubahan DNA adalah berbeda dalam hal perubahan ini melibatkan segment pendek DNA dengan kapasitas yang luar biasa untuk berpindah dari satu lokasi kromosom ke lokasi yang lain. “gen hopping” ini merupakan gen yang pertama kali diamati pada maizena oleh Barbara McClintock pada tahun 1950. Tambahan lagi tentang kelas terkarakterisasi ini, ada jarang yang lebar penyusunan kembali yang tidak biasa dimana tidak ada mekanisme dan tujuan yang diajukan. Pembahasan  dari mekanisme rekombinasi harus selalu menyertakan stuktur DNA yang luar biasa. Pada rekombinasi genetik homolog, dua molekul DNA berinteraksi dan meluruskan susunannya yang sama pada beberapa tahapan reaksi. Proses pelurusan ini bisa melibatkan formasi DNA menengah barudima tiga atau bahkan empat strand dilepaskan.  Cabang struktur DNA juga ditemukan sebagai rekombinan menengah. Pertukaran informasi antara dua makromolekul helix besar sering melibatkan jalinan strand kompleks.

Skema rekombinasi menurut Holliday. Rekombinasi dimulai dengan adanya pemotongan pada salah satu dari dua untaian DNA homolag (langkah 3) yang diikuti oleh invasi pada untaian DNA homolog (langkah 4-6), sampai akhirnya terbentu persimpangan Holliday

Rekombinasi genetik Homolog memiliki Fungsi Ganda

Rekombinasi genetik homolog (juga disebut rekombinasi umum) dihubungkan secara kuat dengan divisisel pada eukaryotik. Proses yang terjadi dalam frekuensi tinggi selama meiosis, proses yang mana sel germline dengan dua pasangan kromosom yang cocok (sel diploid) membagi untuk memproduksi satu set gamet—sel sperma atau ovum pada eukaryotik yang lebih tinggi masing-masing gamet memiliki satu anggota untuk masing-masing pasangan kromosom (sel haploid). Proses pada meiosis dimulai dengan replikasi DNA pada sel germ sehingga masing-masing molekul DNA ada pada empat salinan. Sel kemudian berkembang sepanjang proses dua divisi sel meiotik yang mengurangi kandungan DNA pada level haploid pada masing-masing empat sel inang. Setelah DNA direplikasi selama profase I (profase divisi meiotik pertama), hasil salinan DNA terasosiasi dengan sentromernya dan disebut sebagai kromatid saudara. Masing-masing set molekul DNA homolog disusun sebagai dua pasang kromatid. Informasi genetik ditukar antara kromatid genetik homolog terdekat pada tahap meiosis dengan alat rekombinasi genetik homolog. Proses ini melibatkan kerusakan dan penggabungan kembali DNA. Pertukaran juga disebut pindah silang, pindah silang menghubungkan dua pasang kromatid saudara bersama-sama pada titik yang disebut chiasmata (tunggal, chiasma). Hal ini secara efektif menghubungkan keempat kromatid homolog bersama-sama, dan hubungan ini sangat esensial untuk segregasi kromosm yang tepat pada divisi sel meiotik berikutnya. Pendekatan awal, rekombinasi atau pindah silang dapat terjadi dengan kemungkinan yang sama pada hampir semua titik sepanjang kromosom homolog. Frekuensi rekombinasi pada daerah yang memisahkan dua titik pada kromosom sebanding dengan jarak antar titik. Fakta ini digunakan selama penerapan dekade untuk memetakan posisi relatif dan jarak antara gen; rekombinasi homolog merupakan proses molekuler yang underpin banyak penerapan ilmiah genetik.

Pada bakteri yang tidak menjalani meiosis, rekombinasi genetik terjadi pada proses seperti konjugasi, perkawinan dimana kromosom DNA ditransfer antara dua sel bakteri yang berhubungan secara dekat, hal ini dapat terjadi dalam sel tunggal antara dua kromosom homolog, ada selama atau setelah replikasi.

Tipe rekombinasi ini menyediankan setidak-tidaknya tiga fungsi yang bisa diidentifikasi :(1) tipe rekombinasi ini berkontribusi terhadap perbedaan genetik pada populasi; (2) pada eukariot menyediakan penghubung sementara antara kromatid yang secara nyata mengoreksi urutan segregasi pada kromosom ke sel inang pada divisi sel meiotik pertama; dan (3) berkontribusi untuk memperbaiki beberapa tipe kerusakan DNA.

Fungsi pertama dan kedua sering menjadi bahan yang menarik bagi ilmuan untuk studi tentang sel, dan rekombinasi homolog sering dijelaskan sebagai sumber perbedaan genetik. Namun, fungsi perbaikan DNA merupakan peranan yang paling penting pada sel. Perbaikan DNA seperti yang dijelaskan disebut pada fakta bahwa luka DNA pada satu strand dapat diperbaiki secara akurat karena informasi genetik dijaga di dalam strand saling melengkapi yang tidak rusak. Pada tipe luka tertentu, seperti luka pada strand ganda, strand ganda tautan silang, luka yang ditinggalkan strand tunggal setelah replikasi strand komplementer rusak atau tidak ada. , ketika hal ini terjadi, informasi yang dibutuhkan untuk perbaikan DNA yang akurat harus berasal dari kromosom homolog yang terpisah dan perbaikan yang melibatkan kromosom homolog. Jenis luka ini umumnya berasal radiasi ionisasi dan reaksi oksidatif, dan perbaikannya mengoreksi produksi gamet eukariot yang bisa hidup dan keberadaan bakteri setiap harinya. Perbaikan yang dimediasi oleh rekombinasi genetik homolog disebut perbaikan rekombinasi (recombinational repair).

Kontribusi penting untuk memahami rekombinasi homolog adalah model yang diajukan Robin Holliday pada tahun 1964. Ada empat cirri kunci dari model ini: (1) DNA homolog dibentangkan dengan mekanisme umum; (2) salah satu strand dari masing-masing DNA dirusak dan digabung dengan yang lain untuk membentuk struktur penyeberang (crossover) yang disebut Holliday intermediate; (3) daerah dimana strand molekul DNA yang berbeda diperbaiki disebut hetero duplex DNA, diperluas oleh cabang migrasi dan (4) dua strand Holliday intermediate dibelah dan yang rusak diperbaiki untuk membentuk produk rekombinan. Rekombinasi homolog dapat bervariasi dalam berbagai detail dari satu species ke species yang lain, namun sebagian besar dari tahapannya umumnya terdiri dari beberapa bentuk. Holliday intermediate telah mengamati in vivo pada DNA bakteri dan bakteri fage. Perlu diperhatikan bahwa ada dua cara mebelah atau “memecah” Holliday intermediatesehingga prosesnya conservative , yakni dua produk mengandung gen sama yang terhubung pada urutan linear yang sama seperti dalam substrat. Jika pembelahan dilakukan denga satu cara, DNA yang mengapit daerah heteroduplex direkombinasi: jika pembelahan dilakukan dengan cara yang lain, DNA yang mengapit tidak direkombinasikan. Hasil dari kedua cara tersebut diamati in vivo pada eukariot dan prokariot. Rekombinasi homolog merupakan proses yang sangat rumit dengan konsekuensi molekul halus. Untuk memahami bagaiman proses ini mempengaruhi perbedaan genetik, perlu diperhatikan homolog tidak berate identical (identik). Dua kromosom homolog yang direkombinasi bisamengandung gen linear kesatuan yang sama, tetapi masing-masing kromosom bisa memiliki perbedaan susunan basa pada beberapa gen ini. Pada manusia, satu kromosom bisa mengandung gen normal untuk hemoglobin, sementara yang lain bisa mengandung gen hemoglobin dengan mutasi sickle sel. Perbedaan ini menunjukann tidak ada yang tidak berubah pada sebuah atau dua pasangan basa diantara jutaan pasangan basa yang identik. Meskipun rekombinan homolog tidak mengubah kesatuan linear gen, rekombinan homolog dapat menentukan yang mana dari versi berbeda (atau allel) gen dihubungkan bersama dalam kromosom tunggal.

Berbeda dari proses rekombinasi homolog, rekombinasi khusus hanya terjadi pada tempat khusus di dalam segmen molekul DNA. Pertukaran materi genetik dilakukan oleh protein khusus yang mengkatalisis pemotongan dan penggabungan molekul DNA sekara tepat pada tempat terjadinya rekombinasi. Proses rekombinasi semakam ini tidak tergantung pada protein recA. Rekombinasi khusus mempunyai beberapa kirri, yaitu: (i) proses rekombinasi terjadi di tempat khusus pada kedua fragmen DNA, (ii) rekombinasi berlangsung timbal balik (reciprocal), artinya kedua hasil pertukaran genetik tersebut dapat diperoleh kembali, (iii) rekombinasi terjadi sekara konservatif, artinya proses pertukaran genetik tersebut dilakukan melalui pemotongan dan penyambungan kembali bagian DNA yang berekombinasi tanpa ada sintesis nukleotida baru, dan (iv) bagian yang mengalami rekombinasi tersebut mempunyai homologi dalam hal urutan nukleotida. Proses rekombinasi khusus dimulai dengan terjadinya pemotongan bagian DNA yang akan berekombinasi pada daerah yang mempunyai homologi sehingga dihasilkan ujung lekat (sticky end). Kedua ujung lekat pada kedua fragmen DNA yang berekombinasi tersebut kemudian mengalami pertukaran untai DNA sehingga akan terbentuk konfigurasi rekombinan.


Skema jalur RecBCD dalam proses rekombinasi

Rekombinasi Meiotik
Rekombinasi meiotik adalah proses rekombinasi yang terjadi pada jasad eukaryotik pada saat terjadi proses meiosis. Dalam beberapa hal mekanisme    rekombinasi   meiotik menunjukkan kemiripan dengan proses rekombinasi homolog pada bakteri meskipun beberapa tahapan awalnya berbeda. Proses rekombinasi meiotik pada eukariot dimulai dengan adanya pemotongan dua untai DNA (double-strand break) yang ada pada salah satu kromosom.

 Rekombinasi membutuhkan enzim spesifik

Enzim telah diisolasi pada prokariot dan eukariot yang menunjukan satu atau lebih  tahapan rekombinasi homolog. Proses identifikasi dan memahami enzim-enzim tersebut ditunjukan oleh E. coli. Enzim rekombinasi penting dikode oleh gen recA, B, C, dan D dan oleh gen ruvC. Gen rec B, C, dan D mengkode enzim RecBCD yang dapat menginisiasi rekombinan dengan melepaskan DNA dan kadang-kadang menyayat satu strand. Protein RecA mempromosikan semua tahapan sentral pada proses pemasangan dua DNA, formasi Holliday intermediate, dan cabang imigrasi seperti yang dijelaskan berikut. Kelas baru nukleus yang menyayat secara spesifik Holliday intermediate juga diisolasi dari bakteri dan yeast. Nukleus tersebut sering disebut resolvases; resolvase E. coli merupakan protein RuvC.

Enzim RecBCD berikatan dengan DNA linear pada salah satu ujung dan menggunakan  energi ATP untuk berpindah sepanjang helix, melepaskan DNA didepan dan melepaskannya kembali dibelakang. Pelepasan kembali lebih lambat dari pelepasan sehingga gelembung strand tunggal segera terbentuk dan membesar. Strand tunggal dalam gelembung segera dipotong saat enzim bertemu susunan tertentu yang disebut chi ((5’)GCTGGTGG(3’). Ada sekitar 1000 dari sususna tersebut pada genom E. coli, dan berpengaruh meningkatkan frekuensi rekombinasi pada daerah dimana rekombinasi itu terjadi. Susunan yang meningkatkan frekuensi rekombinasi diidentifikasi pada beberapa organisme.

Protein RecA tidak bisa telibat dalam metabolisme DNA karena bentuk aktif enzim ini merupakan perintah, filament helix yang memasang secara kooperatif pada DNA dan mampu melibatkan monomer RecA. Formasi filament ini secara normal terjadi pada DNA strand tunggal seperti yang diproduksi oleh enzim RecBCD. Filamen juga akan terbentuk pada DNA duplex dengan gap strand tunggal, dimana monomer RecA berikataan pertama kali dengan DNA strand tunggal dalam gap dan kemudian kumpulan filament menyelimuti dupleks tetangganya.

Paradigma in vitro yang berguna untuk aktivitas rekombinasi filament RecA adalah reaksi yang disebut pertukaran DNA strand. DNA dalam filament dibentangkan dengan DNA duplex kedua, dan strand ditukar antar dua DNA untuk membentuk heteroduplex DNA. Pertukaran yang terjadi antara tingkatan 3 sampai 6 pasangan basa dan berkembang menjadi arah yang unik, 5’_3’ yang berkaitan dengan DNA strand tunggal didalam filament, reaksi ini dapat melibatkan tiga sampai empat strand, dan pada kasus berikutnya struktur Holliday merupakan intermediate dalam proses. Susunan yang lengkap dari setiap peristiwa, memperkenalkan dua cirri tambahan dari protein RecA-memediasi tiga reaksi pertukaran strand. Pertama, jajaran dua DNA bisa melibatkan dua formasi dari struktur DNA yang tidak biasa, dimana tiga strand dilepaskan. Detail struktur masih belum diketahui. Kedua, harena DNA merupakan struktur helix, pertukaran strand membutuhkan perintah rotasi untuk dua DNA yang berjajaran. Hal ini menimbulkan aksi gelondong (spooling) yang memindahkan titik cabang sepanjang helix. ATP dihidrolisis dengan protein RecA seperti reaksi ini berlangsung.

Ketika intermediate Holliday terbentuk, enzim yang terlibat dalam melengkapi rekombinasi termasuk topoisomerase, resolvase, dan nuclease yang lain, DNA polymerase I atau III, dan DNA ligase. Protein RuvC (Mr20.000) pada E. coli menyayat intermediate Holliday. Banyak detail dari reaksi ini yang dilaksanakan oleh enzim rekombinasi dan koordinasi dari enzim ini belum banyak diketahui.

Gen Imunoglobulin dirakit dengan rekombinasi.

Contoh yang penting dari peristiwa rekombinasi terprogram yang terjadi selama perkembangan adalah generasi gen Imunoglobulin dari segmen gen yang dipisahkan pada genom. Imunoglobulin (atau antibody), diproduksi oleh B lymphocytes, merupakan prajurit dari sistem imun vertebrata-molekul yang berikatan dengan agen menular dan semua substansi asing bagi organisme. Mamalia seperti manusia mampu memproduksi jutaan antibody dengan perbedaan ikatan khusus. Namun, genom manusia mengandung hanya 100.000 gen. Rekombinasi membiarkan organisme untuk memproduksi perbedaan yang luar biasa dari sejumlah kecil kapasitas DNA-coking. Vertebrata umumnya memproduksi kelas ganda immunoglobulin. Untuk mengilustrasikan bagaimana keanekaragaman antibody digenerisasi, akan di fokuskan pada kelas immunoglobulin (IgG) pada manusia.

Imunoglobulin terdiri atas dua cincin polipeptida berat dan dua cincin polipeptida ringan masing-masing cincin memiliki daerah tidak tetap dengan susunan yang sangat berbeda dari satu immunoglobulin dengan immunoglobulin yang lainnya. Ada dua family berbeda dari cincin polipeptida ringan, yaitu kappa dan lambda, yang bebeda pada susunan daerah konstannya. Masing-masing dari tiga tipe cincin polipeptida tersebut (cincin berat, cincin ringan kappa, dan lambda), perbedaan dari daerah variablenya digenerasi dengan mekanisme yang sama. Gen untuk polipeptida ini dibagi menjadi segmen dan tandan yang mengandung versi ganda dari masing-masing segmen yang ada pada genom. Satu versi dari masing-masing segmen digabungkan untuk membentuk gen lengkap.

Tulisan ini disusun oleh Dana Niert Abdullah dari buku Triwibowo Yuwono

 
Tinggalkan komentar

Ditulis oleh pada 28 April 2011 in Biomolekuler

 

Tag: , , , , , ,

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

 
%d blogger menyukai ini: