Bab II. DNA dan Proses Rekayasa Genetika
2.3. Mekanisme Operasional DNA di dalam Sel
Pertanyaan yang telah dibuat dalam akhir sub bab 2.2 ini secara tidak langsung akan membawa kita pada penjelasan mengenai posisi dan cara kerja DNA di dalam sel itu sendiri. Sebab, seperti telah dijelaskan dalam sub bab 2.1, khususnya pada percobaan Hershey dan Chase, hal ini menunjukkan kalau DNA itu bekerja dalam sel walau sel tersebut hanya merupakan inang bagi DNA virus tersebut. Selanjutnya, sebagai permulaan dari uraian atas masalah ini, penulis akan menguraikan posisi atau letak DNA di dalam sel.
Dalam gambar 2.10, kita telah melihat DNA yang berlaku sebagai makro-molekul pembentuk kromosom (chromosome). Dengan pemikiran sederhana, kita akan secara mudah mengatakan bahwa letak DNA dalam sel itu terletak dalam kromosom. Namun demikian, seperti apakah yang dimaksud kromosom itu?
Kromosom adalah bagian dari inti sel (nucleus) dan terbentuk dalam proses daur sel (cell cycle). Ia adalah kumpulan dari benang halus dalam inti sel yang disebut kromatin (chromatin) saat terjadinya proses daur sel ini.50 Pada kromatin inilah letak DNA yang sebenarnya. DNA menjadi pembentuk kromatin bersama-sama dengan protein yang disebut histon (histones, disingkat menjadi H). H ini adalah protein yang asam aminonya itu bermuatan positif sehingga dapat berpasangan dengan DNA yang bermuatan negatif. Pasangan DNA dan H ini kemudian membentuk apa yang disebut sebagai nukleosom (nucleosome). Dalam gambar yang ada di bawah ini, kita dapat melihat pada bagian mana letak DNA dan juga letak H tersebut secara jelas.51
1. DNA dan Histon 2. Nukleosom
3. Bagian dari Kromatin
Gambar 2.11. DNA, Histon, dan Nukleosom dalam Kromatin Keterangan:
Dalam gambar 2.11.1 dan 2.11.2 ini, DNA nampak mengelilingi dan membalut H (yang terdiri dari beberapa tipe histon, yaitu: H2A, H2B, H3, dan H4). Sedangkan H yang lain (H1) justru menjadi penyambung sekumpulan nukleosom bersama DNA seperti nampak pada gambar 2.11.3.
50
Pai. Op.cit., hal. 22. 51
Keterangan tentang kromatin ini dikutip dari Passarge. Op.cit., hal. 170 dan gambar berasal dari hal. 171.
Berkenaan dengan kromosom ini, jawaban atas pertanyaan tentang bagaimana kromosom itu terbentuk adalah sekaligus juga jawaban tentang bagaimana cara kerja DNA itu sendiri di dalam sel. Sebab, DNA memiliki peranan yang penting dalam proses daur sel. DNA adalah substansi dasar yang memung-kinkan sel itu terbelah dan mengalami proses reproduksi. Oleh karenanya, penulis akan masuk dalam uraian mengenai proses daur sel dalam deskripsi selanjutnya.
Proses daur sel terjadi setiap saat karena sel memerlukan pembaruan, baik untuk mengganti sel yang rusak ataupun membuat sel yang baru. Fungsi ini dimiliki oleh setiap organisme.52 Sebab, bila sel tidak pernah membelah dan terbarui, maka organisme itu akan kehilangan sifat reproduksinya. Kehilangan sifat reproduksi akan berarti kehilangan daya hidup dan perkembangan. Ini akan mengantarkan organisme pada kematian secara perlahan-lahan tentunya.
Kembali pada soal proses daur sel, kalau ini diringkaskan, daur sel “hanya” melakukan dua tahapan proses. Pertama adalah penggandaan komponen sel yang identik dengan sel induknya. Kemudian, proses yang kedua adalah pembagian komponen sel tersebut menjadi dua bagian yang sama.53 Akan tetapi, dua proses yang sederhana ini, bila dilihat dalam kacamata biologi molekuler, justru terdiri dari beberapa proses yang cukup rumit sebenarnya.
Awal proses daur sel dalam perspektif biologi molekuler dimulai dari suatu fase yang disebut interfase (interphase). Pada tahap interfase ini, daur sel terbagi dalam beberapa proses yang dapat dipilah. Ada fase G0, G1, G2, dan S. G0 adalah fase jeda di mana sel itu berhenti untuk tidak membelah diri. G1 adalah fase jeda yang memberikan waktu bagi sel untuk melakukan persiapan agar dapat berkembang memasuki fase S. S adalah fase di mana DNA dalam kromatin mengalami proses replikasi (replication). Sedangkan G2, ini adalah fase jeda setelah fase S di mana sel mempersiapkan diri sebelum ia memasuki tahap selanjutnya dalam daur sel.54
52
David O. Morgan. The Cell Cycle: Principles of Control. London: New Science Press, 2007,hal. 2.
53
Morgan. Ibid., hal. 3. 54
Morgan. Ibid., hal. 4. G yang disebutkan dalam interfase adalah singkatan dari Gap. Di sini, penulis mengartikannya sebagai jeda. Oleh karena itu, Gap phase dapat diterjemahkan sebagai fase jeda.
Di interfase ini, urutan fasenya adalah: G1/G0 S G2. Dalam urutan yang pertama, kita lihat bahwa ada G1/G0. Maksud dari perlambangan ini adalah sel itu pertama-tama mempersiapkan diri untuk melakukan daurnya. Pada fase jeda ini, apabila sel berhasil mempersiapkan segala sesuatu yang dibutuhkan untuk fase selanjutnya, maka daur sel akan masuk dalam fase S (G1). Namun sebaliknya, ketika sel gagal membuat persiapan, maka sel akan menunda (paused) untuk masuk ke fase S. Akan tetapi, bila sel ini mengalami kegagalan total dalam persiapannya itu, ia akan masuk fase jeda yang membuat dirinya tidak akan dapat berproses lebih lanjut (G0).55
Persiapan yang dilakukan dalam G1 ini tiada lain adalah pengaktifan enzim protein kinase yang bergantung pada siklin (cyclin-dependent kinases, disingkat menjadi Cdk). Ini terjadi setelah kondisi yang dibutuhkan daur sel dianggap ideal. Pengaktifan enzim Cdk sekaligus penentuan titik pengecekan (checkpoints) yang dinamakan Mulai (Start). Titik pengecekan atau Mulai ini prosesnya ada di antara akhir fase G1 dan awal fase S. Selain pengaktifan enzim Cdk, protein juga melaksanakan proses perizinan awal (origin licensing) dengan memasang enzim yang bernama kompleks prareplikatif (prereplicative complex) di lokasi mana replikasi DNA akan diproses (atau lokasi ini disebut pula dengan replication origin).56
Sekali perizinan awal ini telah diaktifkan pada lokasi yang telah ditentukan, kompleks prareplikasi akan dilepaskan. Ini berguna supaya tidak terjadi proses replikasi pada lokasi yang tidak ditentukan. Bila kondisi ideal yang dibutuhkan oleh daur sel tidak tercapai, enzim Cdk akan dinonaktifkan kembali dan kompleks pra-replikasi tidak akan digunakan untuk memuat enzim yang dibutuhkan dalam proses replikasi DNA ke lokasi yang dimaksud. Artinya, daur sel akan masuk dalam fase G0. Untuk lebih mudahnya, gambar berikut akan membantu mengilustrasikan apa yang disampaikan dalam uraian di paragraf ini.57
55
Morgan. Ibid. 56
Morgan. Ibid., hal. 8 dan 58. 57
Gambar 2.12. Aktivasi Enzim Cdk dan Perizinan Awal oleh Enzim Kompleks Prareplikatif dalam Proses G1
Keterangan:
Gambar yang seperti awan itu adalah proses pemasangan enzim kompleks prareplikatif pada lokasi replikasi DNA yang telah ditentukan. Dua garis merah yang dikelilingi oleh awan adalah lokasi di mana proses replikasi DNA akan dilaksanakan.
Setelah persiapan dibuat dalam fase G1, sel akan memasuki proses selan-jutnya dalam fase S jika lolos dari titik pengecekan yang ditetapkan dalam akhir fase G1. Apa yang terjadi dalam fase S ini adalah protein mula-mula akan mem-buka struktur heliks ganda DNA sebagai proses awal replikasi dengan mengguna-kan enzim helikase (helicases) sehingga membentuk struktur yang disebut garpu replikasi (replication fork) yang berbentuk Y (Y-shape). Kemudian, protein men-cegah struktur heliks ganda untuk menutup dan bersatu kembali dengan bantuan protein pengikat untai-tunggal (single-strand binding protein, atau SSB protein).
Namun demikian, oleh karena struktur DNA adalah heliks ganda, selain helikase, proses pemisahan untaian DNA tersebut melibatkan pula enzim topoiso-merase(topoisomerases). Topoisomerase ini bertugas untuk menjaga agar untaian yang terpisah itu tidak berbelit dan kusut setelah memotong elemen fosfat yang mengikat pasangan basa nitrogen. Setelah proses pencegahan dan penjagaan untaian dilakukan, primase (primase) akan bekerja untuk membaca pola contoh DNA asal, lalu menyisipkan rangkaian nukleotida baru yang akan dijadikan untaian penggagas RNA (RNA primer) dengan meminjam bantuan tenaga dari RNA (pembawa-pesan RNA atau messenger RNA, disingkat menjadi mRNA) berdasarkan pola contoh DNA asal tersebut. Ini karena enzim polimerase (polymerases) yang bertugas untuk mensintesis DNA hanya dapat melanjutkan rangkaian nuleotida yang sudah ada dan tidak dapat membuat yang baru.58
58
Penjelasan mengenai proses replikasi DNA ini secara khusus bersumber dari animasi yang telah dibuat Charlotte W. Pratt and Kathleen Cornely untuk proses replikasi DNA dalam situs Wiley: <http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/animations/dna_replication/
Proses selanjutnya adalah penambahan rangkaian nukleotida pada untaian penggagas RNA yang memiliki arah 5 —3 dengan menempelkannya di akhir posisi 3 oleh polimerase. Dalam penambahan rangkaian nukleotida ini, poli-merase dibantu oleh protein pembantu yang disebut pengapit luncur (sliding clamp) untuk mempermudah polimerase bergerak dari akhir 3 mengikuti arah 5 —3 dari untaian penggagas RNA. Selagi proses penambahan ini berlangsung, polimerase yang dibantu pengapit luncur juga melepaskan SSB protein agar struktur heliks ganda DNA terbentuk kembali. Namun demikian, proses penam-bahan ini tidak selalu berlangsung sinambung. Untaian DNA baru yang terbentuk dengan proses yang sinambung (continuing process) diberi nama untai pemimpin (leading strand). Sedangkan untaian DNA yang terbentuk dengan proses yang tidak sinambung (discontinuing process) disebut dengan untai susulan (lagging strand). Proses yang tidak sinambung dalam penambahan ini hanya membentuk untaian DNA yang pendek dan disebut dengan potongan Okazaki (Okazaki fragments) sesuai dengan nama penemunya.59
Begitu proses penambahan selesai, untaian penggagas RNA kemudian dibuang oleh enzim riboknuklease H (RNase H) dan diganti dengan rangkaian nukleotida oleh polimerase. Khusus untuk untai susulan yang terpotong-potong (potongan Okazaki), proses penyempurnaan sambungannya dilakukan oleh ligase DNA (DNA ligase). Demikian, setelah semua tersambung, maka proses replikasi DNA telah selesai dilaksanakan.60
Untuk mempermudah dalam memahami keseluruhan proses replikasi DNA ini, maka di bawah ini akan diberikan beberapa gambar yang dapat membantu mengilustrasikan proses replikasi DNA.61
index.html>. Sedangkan untuk teks yang dipakai sebagai bahan penjelasan ada dalam situs Wiley dengan alamat: <http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/animations/
dna_replication/anim_text.html> Dalam kaitannya dengan enzim topoisomerase, keterangan tentang hal ini diambil dari penjelasan proses replikasi DNA yang ada di situs Wikipedia: <http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_replication>. Situs Wiley dan Wikipedia ini diakses pada tanggal 07 Mei 2011. Bandingkan pula penjelasan ini dengan penjelasan dari Morgan dalam
Op.cit., hal. 58-61 dan Passarge dalam Op.cit. hal. 42. 59
Pratt and Cornely dalam situs Wiley, Morgan. Op.cit., hal. 60-1, dan Passarge. Loc.cit. 60
Pratt and Cornely dalam situs Wiley dan Morgan. Op.cit., hal. 61. 61
Sumber gambar untuk 2.13.1 dan 2.13.2 berasal dari Passarge. Op.cit., hal. 43, gambar 2.13.3 berasal dari Pratt dalam situs Wiley, dan gambar II.13.4 berasal dari situs Wikipedia dengan
1. Skema Umum Replikasi DNA 2. Skema 5 —3 Replikasi DNA
3. Proses Penambahan Rangkaian Nukleotida oleh Polimerase pada Untaian Penggagas RNA
4. Gambaran Umum Proses Replikasi DNA
Gambar 2.13. Proses Replikasi DNA
alamat: <http://en.wikipedia.org/wiki/File:DNA_replication_en.svg> diakses pada tanggal 07 Mei 2011.
Berakhirnya proses replikasi DNA akan berarti akhir dari fase S dari daur sel. Setelah itu, proses daur sel akan masuk dalam fase G2, yang artinya adalah fase jeda sebelum masuk dalam tahap selanjutnya dari proses daur sel setelah interfase. Fase daur sel setelah interfase adalah mitosis. Namun demikian, dalam tulisan ini, tidak akan dibahas secara lebih jauh mengingat pembahasan yang hendak diberikan titik tekannya adalah mekanisme operasional DNA di dalam sel. Penulis hanya akan meringkasnya dalam gambar yang disertai dengan keterangan. Berikut adalah gambar beserta keterangan yang dimaksud.62
1. Bagan Umum Tahapan Proses Daur Sel
62
Gambar II.14.1 dikutip dari Adrian T. Sumner. Chromosomes: Organization and Function. Oxford: Blackwell Publishing, 2003, hal. 6 dan gambar II. 14.2 dikutip dari Passarge. Op.cit., hal. 115. Keterangan mengenai proses yang terjadi pada fase mitosis ini secara lebih jauh dapat dibaca dalam Pai. Op.cit., hal. 23-32, Passarge. Op.cit., hal. 112-5, Morgan. Op.cit., bab 4-8, dan Sumner.
2. Rincian Proses Daur Sel yang terjadi dalam Fase Mitosis
Keterangan:
Diploid cell adalah sel yang memiliki sepas-ang kromosom.
Proses replikasi DNA pada tahap selanjutnya (profase) menghasilkan sepasang kromosom ganda yang disebut sister chromatids yang kemudian memadat dan memendek.
Masuk pada fase berikutnya (metafase), da-lam inti sel kemudian terbentuk sentriol yang menjadi kutub untuk pergerakan kromosom. Di tahap yang lebih jauh (anafase), pasangan kromosom yang terbentuk berpisah ke arah yang berlawanan dan bergerak menuju kutub sentriol.
Di tahap telofase, inti sel kemudian membe-lah melalui proses yang disebut sitokinesis. Inti sel yang membelah ini setelah melewati proses sitokinesis telah berkembang menjadi dua inti sel yang sama dan siap melakukan proses daur sel kembali.
Gambar 2.14. Proses Daur Sel
Dengan adanya dua gambar skematik mengenai daur sel secara umum dan fase mitosis secara khusus, kita dapat melihat betapa proses daur sel itu cukup kompleks dalam perjalanannya. Pada sisi ini, karena penulis sudah dapat menjelaskan secara sederhana apa yang dinamakan proses replikasi DNA sebagai
suatu penjelasan atas mekanisme operasional DNA di dalam sel, maka uraian mengenai proses daur sel pada fase mitosis tidak perlu diperjelas secara panjang lebar. Meskipun demikian, masih tetap ada pertanyaan yang cukup mengganjal. Ini berkaitan dengan proses replikasi DNA itu sendiri. Benarkah proses replikasi DNA itu berjalan dengan baik dan “sempurna”? Apakah ada masalah yang menyertai proses tersebut selain masuk kembali dalam fase G0?