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 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 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
Tidak ada komentar:
Posting Komentar