Genom Organisme
KOMPETENSI KHUSUS:
Setelah mengikuti kuliah topik bahasan ini, mahasiswa diharapkan mampu:- mendefinisikan Genom
- menerangkan genom prokariot
- menerangkan genom eukariot
- menerangkan secara garis besar fungsi genom
Pengertian Genom
Secara keseluruhan kumpulan
gen-gen yang terdapat di dalam setiap sel individu organisme disebut sebagai
genom. Dengan perkataan lain, genom suatu organisme adalah kumpulan semua gen
yang dimiliki oleh organisme tersebut pada setiap selnya.
Genom 0rganisme prokariot
seperti bakteri diketahui hanya mempunyai sebuah kromosom yang tidak dikemas di
dalam suatu nukleus sejati. Kromosom ini berbentuk lingkaran (sirkuler), dan
semua gen tersusun di sepanjang lingkaran tersebut.
Berbeda dengan genom prokariot,
genom eukariot tersusun dari beberapa buah kromosom. Tiap kromosom membawa
sederetan gen tertentu. Selain itu, kromosom eukariot mempunyai bentuk linier.
Posisi di dalam kromosom, baik pada prokariot maupun pada eukariot, yang
ditempati oleh suatu gen disebut sebagai lokus (jamak: loki) bagi gen tersebut.
Genom Prokariot
Genom prokariot umumnya
berukuran kurang dari 5 Mb walaupun beberapa melebihi ukuran ini. B. Megaterium
misalnya berukuran kira2 30 Mb. Pandangan tradisional meyakini genom prokariot
tipikal berupa molekul DNA tunggal berbentuk sirkuler. DNA dikemas didalam
nukleoid dalam bentuk supercoil. Model untuk genom E. coli digambarkan dengan
40-50 loop superkoil DNA yang terikat pada sebuah sumbu protein. Setiap loop
berukuran sekitar 100 kb.
Akhir-akhir ini semakin jelas
bahwa pandangan tentang genom prokariot berdasarkan studi pada E. coli terlalu
disederhanakan. Pertama, sekalipun mayoritas kromosom bakteri dan arkaea
berbentuk sirkuler, bentuk linier semakin banyak ditemukan, misalnya pada
Borrelia burgdorferi, Streptomymyces dan bakteri lainnya. Kedua,
berhubungan dengan status plasmid. Beberapa tipe plasmid dapat berintegrasi
dengan genom utama, sementara sebagian lainnya bersifat independen. Plasmid
berisi gen-gen yang tidak terdapat dalam kromosom utama, tetapi pada umumnya
gen-gen tsb tidak dibutuhkan oleh bakteri. Banyak plasmid dapat berpindah dari
satu sel ke sel lainnya dan plasmid yang sama terkadang ditemukan pada bakteri
dari spesies yang berbeda. Hal2 ini menunjukkan bahwa plasmid bersifat independen
dan selayaknya tidak dimasukkan dalam definisi genom sel prokariot.
Salah satu kekhasan genom
prokariot adalah adanya operon. Operon adalah sekelompok gen yang terletak
berurutan didalam genom, yang hanya diselingi satu atau dua nukleotida antara
gen satu dengan lainnya. Semua gen dalam operon diekspresikan sebagai suatu
unit tunggal. Contoh klasik operon adalah operon laktosa pada E. coli
yang teridiri atas 3 gen yang berperan dalam mengkonversi disakarida laktosa
menjadi monosakarida glukosa dan galaktosa sehingga dapat dimanfaatkan oleh E.
coli sebagai sumber energi. Secara natural, laktosa bukanlah komponen umum
lingkungan E. coli, sehingga pada umumnya operon ini tidak terekspresikan.
Adanya laktosa memicu opero ke kondisi on, ketiga gen diekspresikan
bersama-sama menghasilkan sintesis enzim2 untuk pemanfaatan laktosa secara
terkoordinasi. Contoh lainnya adalah operon triptopan pada E. coli berperan
dalam sintesis asam amino.
ANATOMI GENOM PROKARIOT
2.3.1. Struktur fisik genom
prokariot
Genom prokariot umumnya
berukuran kurang dari 5 Mb walaupun beberapa melebihi ukuran ini. B. Megaterium
misalnya berukuran kira2 30 Mb. Pandangan tradisional meyakini genom prokariot
tipikal berupa molekul DNA tunggal berbentuk sirkuler. DNA dikemas didalam
nukleoid dalam bentuk supercoil. Model untuk genom E. coli digambarkan dengan
40-50 loop superkoil DNA yang terikat pada sebuah sumbu protein. Setiap loop
berukuran sekitar 100 kb.
Komponen protein nukleoid
meliputi DNA gyrase dan DNA topoisomerase I, keduanya berperan mempertahankan
struktur superkoil, dan sedikitnya 4 protein yang berperan lebih spesifik dalam
pengepakan DNA bakteri. Diantara protein2 ini protein HU ketersediaannya paling
berlimpah. Dari segi struktur protein HU sangat berbeda dengan protein eukariot
tetapi perilakunya serupa dengan protein eukariot, yaitu membentuk
tetramer yang dililit oleh sekitar 60 bp DNA. Terdapat sekitar 60 000 protein
HU dalam 1 sel E. coli.
Akhir-akhir ini semakin jelas
bahwa pandangan tentang genom prokariot berdasarkan studi pada E. coli terlalu
disederhanakan. Pertama, sekalipun mayoritas kromosom bakteri dan arkaea
berbentuk sirkuler, bentuk linier semakin banyak ditemukan, misalnya pada
Borrelia burgdorferi, Streptomymyces dan bakteri lainnya. Kedua, berhubungan
dengan status plasmid. Beberapa tipe plasmid dapat berintegrasi dengan genom
utama, sementara sebagian lainnya bersifat independen. Plasmid berisi gen2 yang
tidak terdapat dalam kromosom utama, tetapi pada umumnya gen2 tsb tidak
dibutuhkan oleh bakteri. Banyak plasmid dapat berpindah dari satu sel ke sel
lainnya dan plasmid yang sama terkadang ditemukan pada bakteri dari spesies
yang berbeda. Hal2 ini menunjukkan bahwa plasmid bersifat independen dan
selayaknya tidak dimasukkan dalam definisi genom sel prokariot.
Pada bakteri tertentu seperti
E.coli K12 dengan kromosom berukuran 4.6 Mb dan dapat mengakomodasi beberapa
kombinasi plasmid, identifikasi kromosom utama sebagai genom mudah dilakukan.
Plasmid2 tersebut hanya berukuran beberapa kb. Tetapi untuk prokariot lain, hal
ini tidak mudah. Vibrio cholerae misalnya, memiliki 2 molekul sirkuler DNA,
2.96 Mb dan 1.07 Mb dimana molekul yang lebih besar mengandung 71% dari total
3885 gen. Apakah kedua molekul merupakan genom Vibrio? Kebanyakan gen2 untuk
aktivitas seluler seperti ekspresi genom dan produksi energi, dan gen2 untuk
patogenitas terdapat dalam molekul besar. Molekul kecil mengandung banyak gen2
esensial sekaligus memiliki karakteristik seperti plasmid, terutama sebuah
integron, suatu set gen dan sekuens DNA lain yang memungkinkan plasmid
mengambil gen2 dari bakteriofage dan plasmid2 lain. Karena itu genom kecil
kemungkinan adalah ‘megaplasmid’ yang diperoleh oleh nenek moyang Vibrio dalam
proses evolusi. Contoh lainnya adalah Deinococcus radiodurans R1 yang memiliki
gen2 yang tersebar dalam 2 kromosom sirkuler dan 2 plasmid. Borrelia
burgdorferi B31 memiliki kromosom linier (911 kb dan mengandung 853 gen) dan
17-18 plasmid linier (total 533 kb dengan 430 gen).
Ketiga, perbedaan sistim
pengemasan DNA antara bakteri dan arkaea. Salah satu alasan mengapa arkaea
diklasifikasikan sebagai kelompok yang berbeda dari bakteri adalah arkaea tidak
memiliki protein pengemas seperti HU tetapi memiliki protein yang lebih mirip
dengan histon, protein inilah yang diduga berperan dalam pengemasan DNA arkaea.
2.3.2. Organisasi genetik genom
prokariot
Genom bakteri bersifat kompak
dengan hanya sedikit ruang antar gen. Gambaran sederhana genom prokariot
terlihat pada peta gen E. coli K12. Non-coding DNA dalam genom E. coli hanya sebesar
11% dari total genom dan terdistribusi sebagai segmen2 kecil di sepanjang
genom. Organisasi genom yang kompak ini berguna bagi prokariot misalnya
memungkinkan berlangsungnya proses replikasi yang cepat, namun hal ini belum
didukung oleh bukti2 eksperimental.
Operon adalah karakteristik
genom prokariot
Salah satu kekhasan genom
prokariot adalah adanya operon. Operon adalah sekelompok gen yang terletak
berurutan didalam genom, yang hanya diselingi satu atau dua nukleotida antara
gen satu dengan lainnya. Semua gen dalam operon diekspresikan sebagai suatu
unit tunggal. Contoh klasik operon adalah operon laktosa pada E. coli
yang teridiri atas 3 gen yang berperan dalam mengkonversi disakarida laktosa
menjadi monosakarida glukosa dan galaktosa sehingga dapat dimanfaatkan oleh E.
coli sebagai sumber energi. Secara natural, laktosa bukanlah komponen umum
lingkungan E. coli, sehingga pada umumnya operon ini tidak terekspresikan.
Adanya laktosa memicu opero ke kondisi on, ketiga gen diekspresikan
bersama-sama menghasilkan sintesis enzim2 untuk pemanfaatan laktosa secara
terkoordinasi. Contoh lainnya adalah operon triptopan pada E. coli berperan
dalam sintesis asam amino.
Terdapat sekitar 600 operon
dalam E. coli K12, masing2 mengandung 2 atau lebih gen. Dalam banyak kasus,
seperti yang terlihat pada E. coli, Bacillus subtilis dan banyak prokariot
lainnya, gen2 dalam operon berhubungan secara fungsional dan berperan
dalam aktivitas biokimia tunggal seperti penggunaan gula sebagai sumber energi
atau sintesis asam amino. Tetapi dalam kasus2 lain seperti pada arkaea
Methanococcus jannaschii dan bakteri Aquifex aerolicus, gen2 dalam operon2nya
jarang memiliki hubungan biokimia. Salah satu operon A. Aerolicus mengandung 6
gen yang menyandi 2 protein untuk rekombinasi DNA, 1 enzim untuk sintesis
protein, 1 protein untuk motility, 1 enzim untuk sintesis nukleotida dan 1
enzim untuk sintesis lipid. Dengan demikian teori bahwa operon menghasilkan
sintesis enzim yang terkoordinasi untuk satu jalur biokimia tidak berlaku untuk
kedua spesies ini. Tidak seperti prokariot pada umumnya, M. jannaschii dan A.
aerolicus bersifat autotrop, mampu mensistesis komponen organik dari karbon
dioksida.
Genom prokariot dan konsep
spesies
Para ahli taksonomi mula-mula, menggambarkan spesies dalam arti
morfologi, semua anggota dari suatu spesies memiliki fitur2 struktur yang sama
atau sangat serupa. Konsep ini menjadi masalah utama dalam mikrobiologi karena
definisi biologi standar tentang spesies sulit diterapkan pada mikroorganisme.
Spesies bakteri misalnya mencakup strain2 dengan karakteristik yang cukup
berbeda. E. coli misalnya memiliki berbagai strain dengan kemampuan patogenitas
beragam mulai dari yang tidak berbahaya sampai yang mematikan. Pada abad ke 20
para ilmuwan mendefinisikan kembali spesies dalam konteks evolusi, suatu
spesies merupakan sekelompok organisme yang dapat saling kawin mawin
(interbreed). Konsep inipun sulit diterapkan bagi mikroorganisme karena
terdapat banyak cara pertukaran gen antar prokariot yang secara biokimia dan
fisiologi termasuk dalam spesies yang berbeda.
Proyek sekuensing genom semakin
memperjelas kesulitan penerapan konsep spesies pada prokariot. Strain2 yang
berbeda dari suatu spesies dapat memiliki sekuens genom yang sangat berbeda,
bahkan dapat memiliki suatu set gen yang spesifik untuk strain tertentu. Dua
strain E. coli, K12 dan O157:H7, misalnya memiliki ukuran genom yang sangat
berbeda masing2 4.64 Mb dan 5.53 Mb. Strain K12 bayak digunakan di laboratorium
sementara strain O157:H7 merupakan strain yang sangat patogenik. Strain O157:H7
mengandung 1387 gen yang tidak terdapat pada strain K12, kebanyakan menyandi
toksin dan protein2 lain yang berperan dalam patogenitasnya. K12 juga
mengandung 234 segmen DNA unik yang mengandung 528 gen yang tidak terdapat pada
O157:H7. E. coli O157:H7 dan E.coli K12 masing2 memiliki gen spesifik sebesar
26% dan 12% dari katalog gennya. Variasi sebesar ini terlalu besar untuk
dapat ditolerir dalam konsep spesies untuk organisme yang lebih tinggi .
Kesulitan penerapan konsep
spesies pada mikroorganisme semakin nyata pada genom bakteri dan arkaea yang
lain karena gen2 dengan mudah dapat berpindah diantara spesies prokariot yang
berbeda. Besarnya transfer gen lateral berdasarkan hasil sekuensing genom
sangatlah mengejutkan. Hampir semua genom mengandung beberapa ratus kb DNA yang
diperoleh langsung dari spesies yang lain, pada E. coli K12 misalnya mencapai
12.8% atau setara dengan 0.59 Mb. Hal kedua yang juga mengejutkan adalah
transfer gen terjadi diantara spesies yang sangat berbeda, bahkan antara
bakteri dan arkaea. Bakteri termofilik Thermatoga maritima misalnya
memilikii 1877 gen yang diperoleh dari arkaea. Tampaknya prokariot yang hidup
dalam lingkungan nice ekologi yang serupa saling bertukar gen untuk
meningkatkan kemampuan survival individu dalam lingkungan tertentu.
Transfer gen lateral berperan
penting dalam evolusi prokariot. Tidak seperti organisme tingkat tinggi,
evolusi bakteri dan arkaea tidak dapat digambarkan dengan pola percabangan
sederhana karena adanya aliran gen secara horisontal diantara spesies. Transfer
gen lateral juga mempengaruhi hubungan pilogenetik yang dibangun berdasarkan
data molekuler. Pada organisme tingkat tinggi, perbandingan sekuens gen2 yang
ekuivalen pada spesies yang berbeda dapat digunakan untuk merekonstruksi
hubungan antara spesies2 tersebut dengan asumsi bahwa evolusi berlangsung
mengikuti pola percabangan sederhana. Tidak demikian halnya dengan prokariot
mengingat adanya transfer gen lateral antar spesies. Namun analisis ini telah digunakan
untuk waktu yang lama sebelum para ilmuwan menyadari adanya transfer gen
lateral, karenanya validitas rekonstruksi sejarah evolusi sebelum era genomik
perlu ditinjau kembali.
Spekulasi kandungan minimal
genom dan identitas gen-gen pembeda
Sekalipun sekuens2 genom
prokariot telah dipublikasikan, katalog gen lengkap untuk suatu spesies belum
dapat dibuat karena banyak gen2 yang belum diketahui fungsinya. Perbandingan
gen antara spesies2 yang berbeda menarik untuk dicermati. Untuk energi
metabolisme, E. coli menggunakan 243 gen, Haemophilus influenza 112 dan
Mycoplasma genitalium 31. Pertanyaan mendasar adalah berapa jumlah gen minimal
yang diperlukan untuk sel hidup? Berdasarkan pertimbangan teoritis awalnya
diduga dibutuhkan sekitar 256 gen yang kemudian berkembang berdasarkan
penelitian menjadi 265-350 gen. Para ahli juga
mencari gen-gen pembeda, yaitu gen2 yang dapat membedakan suatu spesies dari
spesies lainnya. Dari 470 gen dalam M. genitalium, 350 terdapat pula pada
kerabat jauh M. genitalium, Bacillus subtillis. Artinya, karakteristik
biokimia dan struktur yang membedakan Mycoplasma dari Bacillus disandi
oleh 120 gen yang hanya terdapat pada Mycoplasma.
2.4. Kandungan sekuens DNA
berulang dalam genom
Repetitif DNA (sekuens DNA
berulang) ditemukan hampir pada semua organisme dan pada sejumlah organisme
tertentu termasuk manusia merupakan proporsi substansial dari total genom.
Repetitif DNA terdiri atas repetitif DNA yang membentuk kelompok secara
beruntun (Tandemly repeated DNA) dan repetitif DNA yang tersebar di sepanjang
genom (Interspersed genome-wide repeat).
2.4.1. Tandemly repeated DNA
Bentuk repeat ini merupakan
karakteristik umum genom eukariot tetapi lebih sedikit dijumpai pada prokariot.
Disebut juga DNA satelit karena fragmen2 DNA mengandung sekuens berulang pita
satelit yang dapat dilihat dari fraksinasi DNA genom melalui sentrifugasi.
Sebagai contoh, DNA manusia bila difragmentasi menjadi segmen2 50-100 kb, akan
membentuk sebuah pita utama dan 3 pita satelit. Pita utama mengandung fragmen
DNA penyusun sekuens kopi tunggal dengan komposisi GC mendekati 40.3%. Pita2
satelit mengandung fragmen2 repetitif DNA dan karenanya kandungan GC dan
kerapatan apungnya merupakan tipikal genom secara keseluruhan.
DNA satelit ditemukan pada
sentromer dan tempat2 lain pada kromosom eukariot. DNA satelit manusia,
misalnya sekuens berulang alphoid ditemukan pada daerah sentromer. Sekalipun
beberapa DNA satelit tersebar di sepanjang genom, pada umumnya DNA satelit
terletak pada sentromer. Perannya diduga sebagai situs pengikatan satu atau
lebih protein sentromerik. Repetitif DNA pada sentromer dapat pula merupakan
sinyal bahwa sentromer merupakan bagian akhir dari kromosom yang akan
direplikasi. Untuk menunda replikasi sampai akhir tahap siklus sel, sentromer
harus tidak memiliki ORI. Karakteristik pengulangan sekuens pada sentromer
diduga memastikan bahwa ORI tidak terdapat pada daerah ini.
Minisatelit dan microsatelit
Minisatelit dan mikrosatelit
merupakan tipe lain dari tandemly repeat DNA. Keduanya tidak nampak dalam pita
satelit hasil sentrifugasi. Minisatelit membentuk cluster sampai 20 kb dengan
unit berulang sampai 25 bp; mikrosatelit membentuk cluster ‹ 150 bp dengan unit
berulang 13 bp atau kurang.
Minisatelit berhubungan dengan
karakteristik struktur kromosom. DNA telomerik, pada manusia terdiri atas
beratus kopi motif 5′-TTAGGG-3′, merupakan minisatelit. Telomerik DNA sangat
penting dalam replikasi DNA. Selain minisatelit telomerik, sebagian genom
eukariot mengandung minisatelit lainnya. Kebanyakan walaupun tidak semua
terletak dekat ujung-ujung kromosom. Mikrosatelit tipikal terdiri atas 1, 2, 3,
atau 4 unit pb yang berulang 10-20 kali. Walaupun pendek, terdapat banyak
mikrosatelit dalam genom. Pada manusia misalnya, mikrosatelit dengan
pengulangan CA seperti
5′-CACACACACACACAC -3′
3′-GTGTGTGTGTGTGTG-5′
menyusun sampai 0.25% genom,
atau sekitar 8 Mb. Pengulangan pasangan basa tunggal seperti
5′-AAAAAAAAAAAAAAA-3′
3′-TT TT TT TT TT TT TTT-5′
menyusun sekitar 0.15% dari
total genom.
Fungsi minisatelit dan mikrosatelit
belum banyak diketahui. Walaupun demikian mikrosatelit sangat berarti bagi para
ahli genetik. Jumlah pengulangan mikrosatelit sangat bervariasi pada anggota
spesies yang sama karena adanya insersi maupun delesi selama replikasi DNA.
Tidak ada dua orang yang memiliki kombinasi panjang mikrosatelit yang persis
sama. Karenanya mikrosatelit dapat digunakan untuk membuat profil genetik yang
khas bagi setiap orang (kecuali kembar identik). Profil genetik sangat berguna
dalam forensik dan pemecahan kasus2 kriminal.
Interspersed genome-wide repeats
Sekuens tandemky repeated DNA
diduga dihasilkan dari kesalahan selama replikasi (replication slippage) atau
dari proses rekombinasi DNA. Interspersed genome wide repeat diduga dihasilkan
dari proses transposisi. Pada umumnya interspersed repeat memiliki aktivitas
transposisi.
Transposisi melalui intermediat
RNA
Terdapat dua macam transposisi:
1) dengan melibatkan intermediat RNA (disebut retrotransposisi) dan 2) tidak
menggunakan intermediat RNA. Proses retrotransposisi terdiri atas 3 tahap:
(1). Salinan RNA transposon
disintesis melalui transkripsi
(2). Transkrip RNA dikopi
menjadi DNA dengan bantuan enzim reverse transcriptase. Seringkali enzim ini
disandi oleh gen dalam transposon dan ditranslasi dari salinan RNA yang
disintesis pada tahap (1)
(3). Salinan DNA transposon
berintegrasi kedalam genom, mungkin menempati kromosom yang sama dengan DNA
asalnya atau menempati kromosom yang berbeda. Hasilnya, terdapat 2 kopi
transposon pada tempat yang berbeda dalam genom.
Transposon RNA merupakan
karakteristik genom eukariot dan belum ditemukan pada prokariot. Terdapat
kemiripan antara beberapa tipe transposon RNA (retroelemen) dengan sejumlah
virus yang disebut retrovirus baik yang tidak berbahaya maupun yang bersifat
virulen seperti virus penyebab AIDS.
Genom retrovirus berupa RNA.
Retrovirus menginfeksi berbagai jenis vertebrata. Didalam sel, genom RNA dikopi
menjadi DNA oleh reverse transcriptase yang disandi oleh gen virus dan salinan
DNA berintegrasi kedalam genom inang. Virus2 baru dapat dihasilkan dengan
mengkopi DNA yang telah terintegrasi dengan genom menjadi RNA dan kemudian
dikemas menjadi virus coat protein, proses terakhir disandi oleh gen env yang
terdapat pada genom virus.
Retrovirus endogen (ERVs) adalah
genom retrovirus yang telah berintegrasi kedalam kromosom vertebrata.
Diantaranya ada yang masih aktif dan pada fase tertentu dalam hidup sel
mengatur sintesis virus exogen, tetapi sebagian besar adalah sisa2 integrasi
yang tidak dapat lagi membentuk virus. Sekuens2 inaktif ini merupakan genom
wide repeat tetapi tidak lagi mampu berproliferasi.
Retrotransposons memiliki
sekuens serupa dengan ERVs tetapi lebih merupakan karakteristik genom eukariot
(tanaman, fungi, invertebrata dan mikroba) daripada vertebrata. Retrotransposon
memiliki jumlah salinan yang sangat banyak dalam sejumlah genom dan terdiri
atas beragam tipe. Hampir semua genom wide repeat pada jagung adalah
retrotransposon dan menyusun hampir separuh genom. Terdapat 2 macam
retrotransposon yaitu: famili Ty3/gypsy yang anggota2nya memiliki set gen yang
sama untuk ERV, dan famili Ty1/copia yang anggota2nya tidak memiliki gen env.
Kedua tipe retrotransposon dapat berpindah tempat (transpose) tetapi karena
tidak memiliki gen env famili Ty1/copia tidak dapat membentuk virus infektif.
Famili Ty3/gypsy memiliki gen env dan beberapa genom Ty3/gypsy dapat membentuk
virus. Walaupun retrotransposon merupakan interspersed elemen yang letaknya
tersebar, kadang2 dijumpai retrotransposon yag berkelompok sebagai akibat adanya
situs integrasi favorit dalam perpindahan elemen2 ini.
Ketiga tipe retroelemen yang
digambarkan di atas merupakan elemen LTR karena memiliki long terminal repeat
(pengulangan panjang pada bagian ujung) pada salah satu ujung yang berperan
dalam proses transposisi. Retroelemen lainnya tidak memiliki LTR dan disebut
retroposon. Berikut contoh2 retroposon pada mamalia:
LINEs (long interspersed nuclear
element) mengandung gen seperti reverse transcriptase yang diduga berperan
dalam proses transposisi. Contoh: elemen LINE-1 pada manusia memiliki 516 000
salinan dalam genom manusia.
SINEs (short interspersed
nuclear element) tidak memiliki gen reverse transcriptase dan masih dapat
berpindah, mungkin dengan ‘meminjam’ enzim reverse transcriptase yang disintesis
oleh retrotransposon yang lain.Contoh SINE: Alu pada manusia dengan jumlah
salinan lebih dari 1 juta. Diduga Alu berasal dari 7SL RNA, suatu non coding
RNA yang berperan dalam transfer protein dalam sel. Elemen Alu pertama mungkin
berasal dari transkripsi balik 7SL RNA yang kemudian berintegrasi kedalam DNA
manusia. Sebagian elemen Alu secara aktif disalin menjadi RNA sehingga
memungkinkan proliferasi elemen ini.
Transposon DNA
Tidak semua transposon
mensyaratkan intermediat DNA. Banyak yang dapat berpindah secara langsung.
Untuk elemen ini terdapat 2 tipe transposisi yaitu: melalui interaksi langsung
antara transposon donor dan situs target yang menghasilkan pengkopian elemen
donor (transposisi replikatif) dan kedua, melalui eksisi elemen dan pengintegrasian
kembali pada suatu situs yang baru (transposisi konservatif). Kedua
mekanisme membutuhkan enzim yang disandi oleh gen dalam transposon.
Dalam eukariot transposon DNA
kurang umum dibandingkan retrotransposon. Suatu famili transposon DNA tanaman,
elemen Ac/Dc pada jagung merupakan elemen transposabel pertama yang ditemukan
oleh Barbara McClintock. Barbara McClintock menyimpulkan bahwa beberapa gen
bersifat mobil dan dapat berpindah dari satu posisi ke posisi lain dalam
kromosom.
Transposon DNA jauh lebih
penting dalam anatomi genom prokariot dibandingkan transposon RNA. Sekuens
insersi IS1 dan IS186 terdapat dalam E. coli merupakan contoh transposon DNA.
Sebuah genom E. coli mengandung sekitar 20 transposon DNA dari berbagai tipe.
Hampir semua sekuens IS diambil oleh satu atau dua gen yang menyandi enzim
untuk transposisinya. Elemen IS dapat berpindah secara replikatif atau
konservatif. Contoh transposon DNA lain pada E. coli dan bersifat tipikal pada
prokariot adalah:
Transposon composit yang pada
dasarnya adalah elemen IS yang mengapit sebuah segmen DNA, biasanya mengandung
satu atau lebih gen yang seringkali menyandi resistensi terhadap antibiotik.
Transposisi transposon composit dikatalisa oleh enzim yang disandi oleh salah
satu atau kedua elemen IS. Transposon composit berpindah secara konservatif.
Transposon tipe Tn-3 yang
memiliki gen transposase sendiri sehingga tidak perlu diapit elemen IS untuk
dapat berpindah. Elemen T3 berpindah secara replikatif.
Fage transposabel adalah virus
bakteri yang berpindah secara replikatif sebagai bagian dari siklus infeksi
normalnya.
Genom Eukariot
Genom eukariot terdiri atas
genom nuklear dan genom mitokondria, pada tanaman ditambah dengan genom
kloroplas. Perbedaan utama struktur genom antar eukariot yang berbeda
terletak pada ukuran genom. Sepintas tampaknya ukuran genom berkorelasi dengan
kompleksitas organisme. Fungi yang merupakan eukariot paling sederhana memiliki
ukuran genom paling kecil sementara eukariot yang lebih kompleks vertebrata dan
tanaman berbunga memiliki ukuran genom terbesar (Tabel 2.2.).
Hampir semua eukariot memiliki
genom mitokondria. Genom kloroplas terdapat pada semua eukariot yang
berfotosintesis. Genom organel merujuk pada genom mitokondria dan genom
kloroplas. DNA organel pada umumnya sirkuler dengan variasi pada organisme yang
berbeda. Pada banyak eukariot genom sirkuler dan genom linier terdapat bersama2
didalam organel dan untuk kloroplas sering dijumpai lingkaran2 kecil yang
mengandung subkomponen genom. Alga laut dinoflagellata misalnya memiliki genom
kloroplas yang terbagi dalam banyak lingkaran kecil yang masing2 mengandung
satu gen tunggal. Genom mitokondria beberapa mikroba eukariot seperti
Paramecium, Chlamydomonas dan beberapa ragi selalu linier.
Genom Eukariot
Genom eukariot terdiri atas
genom nuklear dan genom mitokondria, pada tanaman ditambah dengan genom
kloroplas. Perbedaan utama struktur genom antar eukariot yang berbeda
terletak pada ukuran genom. Sepintas tampaknya ukuran genom berkorelasi dengan
kompleksitas organisme. Fungi yang merupakan eukariot paling sederhana memiliki
ukuran genom paling kecil sementara eukariot yang lebih kompleks vertebrata dan
tanaman berbunga memiliki ukuran genom terbesar (Tabel 2.2.). Kenyataannya
peningkatan kompleksitas organisme tidak selalu diikuti oleh peningkatan ukuran
genom. Fenomena ini dikenal dengan C-value paradox. Pada organisme sederhana
(kurang kompleks) ruang2 didalam genom dimanfaatkan dengan sangat efisien
karena gen-gen dikemas dengan padat.
Contoh:
1.Genom bakteri kurang lebih 12
Mb (0.004 dari ukuran genom manusia). Bila proporsi kandungan gen pada genom
bakteri dan manusia sama, maka jumlah gen bakteri adalah 0.004 x 35.000 gen =
140 gen. Kenyataannya bakteri memiliki sekitar 5.800 gen.
2.Perbandingan segmen sepanjang
50 kb antara yeast, drosopila dan manusia menunjukkan bahwa genom yeast
merupakan genom yang paling efisien diikuti oleh drosopila dan manusia (jumlah
gen: yeast > drosopila > manusia; jumlah intron dan genom wide
repeat: yeast < drosopila 25% genom.
Gen-gen apa yang terdapat dalam
genom eukariot?
Gen-gen dapat dikategorikan
berdasarkan fungsinya (Gambar 1.18). Kelemahan pengkategorian ini adalah banyak
gen yang belum diketahui fungsinya sehingga tidak tercakup dalam kategori2 yang
ada. Pengkategorian berdasarkan struktur protein yang disandi suatu gen
merupakan pendekatan yang lebih baik. Setiap protein dtersusun atas serangkaian
domain yang masing2 memiliki fungsi biokimia yang khusus. Contoh: domain zinc
finger berperan dalam pengikatan protein pada DNA, death domain yang berperan
dalam apoptosis, proses kematian sel. Keberadaan suatu domain dalam protein
dapat dideteksi dari sekuens asam amino yang menyandi protein tsb sehingga gen2
dapat dikategorikan berdasarkan domain protein yang disandi oleh gen2 tsb.
Dengan cara ini gen2 yang belum diketahui fungsinya dapat tercakup didalam
klasifikasi.
Klasifikasi gen berdasarkan
fungsi gen menunjukkan bahwa semua eukariot memiliki kategori dasar gen yang
sama dimana organisme yang lebih kompleks memiliki jumlah gen lebih banyak
untuk tiap kategori. Contoh: manusia memiliki jumlah gen terbesar untuk setiap
kategori (Gambar 2.12.), kecuali untuk kategori gen2 metabolisme dimana
Arabidopsis memiliki jumlah gen tertinggi sebagai hasil dari kemampuan
fotosintesis yang melibatkan sejumlah besar gen (genom lain yang dibandingkan
tidak memiliki kemampuan fotosintesis). Klasifikasi ini juga menunjukkan bahwa
C. elegans dengan hanya 959 sel memiliki proporsi gen yang besar untuk signal
antar sel sementara manusia dengan 1013 sel hanya memiliki > 250 gen
untuk signal antar sel. Secara umum klasifikasi berdasarkan fungsi menekankan
kemiripan antar genom dan tidak memberi informasi tentang dasar genetik dari
perbedaan informasi biologi yang terkandung dalam genom yang membedakan spesies
satu dari yang lain. Untuk keperluan ini klasifikasi berdasarkan domain lebih
prospektif karena dapat menunjukkan bahwa genom manusia menyandi sejumlah
domain protein yang tidak terdapat pada genom organisme lain. Domain2 ini
termasuk beberapa domain yang aktif dalam aktivitas adesi sel, electric
coupling dan pertumbuhan sel2 saraf (Tabel 2.5.). Fungsi2 ini penting karena
merupakan karakteristik khusus pada vertebrata dibandingkan eukariot yang lain.
Famili multigen
Banyak genom mengandung famili
multigen, yaitu sekelompok gen2 yang sekuensnya identik atau serupa. Contoh:
setiap eukariot mengandung banyak salinan gen2 yang menyandi non-coding
ribosomal RNA (rRNAs). Genom manusia mengandung kira2 2000 gen untuk 5S rRNA,
semuanya terletak berkelompok pada kromosom 1. Juga terdapat kira2 280 salinan
sekuens berulang yang mengandung gen2 28S, 5.8S dan 18S rRNA, terbagi dalam 5
kelompok 50 – 70 repeat pada kromosom 13, 14, 15, 21 dan 22.
Famili multigen yang melibatkan
gen2 rRNA diduga berasal dari duplikasi gen dimana sekuens dari setiap gen
dipertahankan identik selama proses evolusi. Famili2 multigen lainnya, lebih
umum dijumpai pada eukariot tingkat tinggi dibandingkan tingkat rendah, disebut
‘kompleks’ karena setiap gen walaupun serupa sekuensnya, tetapi cukup berbeda
sehingga produk gen memiliki karakteristik yang mencolok. Contoh: gen2 globin
mamalia. Globin adalah protein darah penyusun hemoglobin. Setiap molekul
hemoglobin mengandung 2 globin α dan 2 globin β. Pada manusia globin α disandi
oleh famili multigen yang terletak pada kromosom 16 dan globin β oleh famili
multigen pada kromosom 11. Gen-gen pada masing2 famili memiliki sekuens yang
serupa tetapi tidak identik. Dua gen yang paling berbeda dalam kelompok globin
β menunjukkan 79.1% kesamaan sekuens. Jumlah ini cukup serupa bagi kedua gen
untuk dikelompokkan dalam kelompok yang sama tetapi cukup berbeda untuk
menghasilkan karakteristik biokimia yang berbeda. Mengapa gen2 anggota famili
multigen saling berbeda satu sama lain? Diduga karena gen2 tsb diekspresikan
pada fase perkembangan yang berbeda. Pada manusia misalnya, dalam kelompok
globin β, ε diekspresikan pada perkembangan awal embrio, Gy dan Ay pada fase
fetus, dan δ dan β pada fase dewasa. Perbedaan karakteristik biokimia diantara
gen2 globin diduga berhubungan dengan fungsi fisiologi hemoglobin selama
perkembangan manusia.
Pada beberapa famili multigen,
gen2 anggotanya terletak berkelompok seperti pada gen2 globin; pada famili2
multigen yang lain tersebar di sepanjang genom seperti pada kelima gen2 aldoase
(enzim untuk produksi energi) manusia yang terletak pada kromosom 3, 9, 10, 16
dan 17. Sekalipun tersebar, anggota2 famili multigen memiliki kemiripan sekuens
yang menunjukkan asal muasal evolusi yang sama.
2.2.2. Genom organel eukariot
Karakteristik fisik genom
organel
Hampir semua eukariot memiliki
genom mitokondria. Genom kloroplas terdapat pada semua eukariot yang
berfotosintesis. Genom organel merujuk pada genom mitokondria dan genom
kloroplas. DNA organel pada umumnya sirkuler dengan variasi pada organisme yang
berbeda. Pada banyak eukariot genom sirkuler dan genom linier terdapat bersama2
didalam organel dan untuk kloroplas sering dijumpai lingkaran2 kecil yang
mengandung subkomponen genom. Alga laut dinoflagellata misalnya memiliki genom
kloroplas yang terbagi dalam banyak lingkaran kecil yang masing2 mengandung
satu gen tunggal. Genom mitokondria beberapa mikroba eukariot seperti
Paramecium, Chlamydomonas dan beberapa ragi selalu linier.
Jumlah salinan genom organel dan
bagaimana transmisi genom organel dari tetua kepada keturunannya belum banyak
diketahui. Ukuran genom mitokondria bervariasi dan tidak berhubungan dengan
kompleksitas organisme. Kebanyakan hewan multiseluler memiliki genom
mitokondria kecil dan kompak. Kebanyakan eukariot rendah seperti S. cerevisiae
dan tanaman berbunga memiliki genom mitokondria lebih besar dan kurang kompak
degan sejumlah gen yang mengandung intron. Ukuran genom kloroplas lebih sedikit
variasinya dan pada umumnya strukturnya mirip genom kloroplas padi.
Kandungan genetik genom organel
Genom organel jauh lebih kecil
dan karenanya megandung lebih sedikit gen dibandingkan genom nuklear. Kandungan
gen genom mitokondria bervariasi, mulai dari 5 pada parasit malaria P.
falciparum sampai 92 pada protozoa R.. americaca. Semua genom mitokondria
mengandung gen untuk noncoding r-RNA dan sedikitnya beberapa komponen protein
untuk pernapasan. Genom yang lebih banyak kandungan gennya juga menyandi tRNA,
protein ribosomal dan protein yang berperan dalam transkripsi, translasi dan
transpor protein lainnya dari sitoplasma kedalam mitokondria. Kebanyakan genom
kloroplas memiliki sekitar 200 gen yang menyandi rRNA, tRNA, protein
ribosomal dan protein yang berperan untuk fotosintesis. Protein2 lainnya disandi
oleh gen2 nuklear, disintesis dalam sitoplasma dan ditranspor kedalam organel.
Pertanyaannya adalah mengapa tidak semua protein organel disandi oleh gen2
nuklear? Diduga sebagian protein yang disandi oleh genom organel bersifat
sangat hidrofobik sehingga tdk dapat ditransfer melalui membran mitokondria dan
kloroplas, demikian pula tidak dapat ditransfer dari sitoplasma kedalam
organel. Satu2nya cara adalah organel membuat sendiri protein2 tersebut.
Asal usul genom organel
Teori endosimbion diyakini
merupakan teori yang paling tepat tentang asal usul genom organel. Teori ini
menyatakan bahwa genom organel merupakan sisa2 bakteri bebas yang bersimbiosa
dengan prekursor sel eukariot pada tahap awal evolusi. Dugaan ini didasarkan
pada kenyataan bahwa proses ekspresi dan sekuens nukleotida gen2 organel sangat
mirip dengan gen2 bakteri dibandingkan dengan gen2 nuklear eukariot. Disamping
itu telah ditemukan beberapa organisme dengan tahap endosimbiosis sedikit terbelakang
dibandingkan mitokondria dan kloroplas. Protozoa C. paradoxa misalnya
memperlihatkan tahap awal endosimbiosa dimana struktur fotosintesisnya berbeda
dengan kloroplas dan lebih mirip dengan cyanobakteri. Rickettsia yang hidup
didalam sel eukariot dianggap sebagai bentuk modern bakteri yang kemudian
berkembang menjadi mitokondria.
Bila genom organel pada mulanya
adalah bakteri bebas, maka suatu ketika dalam proses evolusi telah terjadi
transfer gen dari organel kedalam nukleus. Proses ini belum banyak terungkap
tetapi diyakini bahwa transfer gen dari organel kedalam nukleus terus terjadi.
Pada tahun 1980an ditemukan beberapa tanaman yang genom kloroplasnya
mengandung sgmen2 DNA, bahkan seluruh DNAnya merupakan salinan dari bagian
genom mitokondria. Genom mitokondria Arabidopsis mengandung berbagai segmen gen
nuklear DNA dan 16 fragmen genom kloroplas termasuk 6 gen2 tRNA yang tetap
aktif setelah transfer ke mitokondria. Genom nuklear Arabidopsis mengandung
beberapa segmen pendek genom mitokondria dan kloroplas.
Fungsi Genom
Agar supaya sel dapat
menggunakan informasi biologis yang terkandung dalam genomnya, kumpulan gen,
maka setiap gen yang mempresentasikan unit tunggal informasi harus
diekspresikan secara terkoordinasi. Ekspresi gen ini menentukan transkriptom,
yang pada gilirannya akan menentukan proteom dan menentukan aktivitas yang
dilakukan sel tertentu.
Referensi
Susanto, A.H., 2002, Bahan Ajar Genetika Dasar, Fakultas Biologi UNSOEDBrown, T.A (2002), Genomes, 2nd Ed, BIOS Scientific Publishers Ltd, New Yorik (page)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar