DNA REPAIR, MUTASI GEN dan POLIMORFISME

DNA REPAIR,

MUTASI GEN dan

POLIMORFISME

oleh:

dr.Syazili Mustofa

Departemen Biokimia dan Biologi Molekuler

Fakultas Kedokteran Universitas Lampung

2015

PERBAIKAN DNA

DNA bukanlah substansi yang lemah, 

mampu menetralisasi “gangguan-gangguan”

 tidak membawa efek negatif.

Mekanisme

yang

dimiliki

DNA

tersebut

adalah mekanisme DNA repair (perbaikan

DNA) yang terjadi pada fase tertentu dalam

siklus sel.

Pada fase G1 (Gap 1) terdapat check point

Apabila ada kesalahan DNA, sel mempunyai

dua pilihan :

Pertama

,

kesalahan

tersebut

diperbaiki

dengan cara mengaktifkan

DNA repair

.

Pada fase G1 (Gap 1) terdapat check point

Apabila ada kesalahan DNA, sel mempunyai

dua pilihan :

Pertama

,

kesalahan

tersebut

diperbaiki

dengan cara mengaktifkan

DNA repair

.

Ada 3 mekanisme utama: 1.Base excision,

2. Nucleotide excision

3. Mismatch repair. MEKANISME PERBAIKAN DNA

▸ Baca selengkapnya: lkpd mutasi gen

Base excision

(Pemotongan Basa)

Basa-basa

DNA

dapat

dirusak

melalui

deamination

atau

alkylation

. Tempat kerusakan

basa tersebut disebut dengan "abasic site" atau

"AP site". Pada E.coli, enzim DNA glycosylase

dapat

mengenal

AP

site

dan

membuang

basanya.

Kemudian

AP

endonuclease

membuang

AP

site

dan

nucleotida

sekitarnya.

Kekosongan akan diisi dengan

bantuan DNA polymerase I dan DNA ligase.

Nucleotide excision

(Pemotongan nukleotida)

Pada E. coli, protein UvrA, UvrB, dan UvrC

berperan dalam membuang nukleotida

( dimer akibat UV light). Kemudian kekosongan

akan

diisi

dengan

bantuan

enzim

DNA

polymerase

I

dan

DNA

ligase.

Pada

yeast,

proteins Uvr's dikenal dengan nama

RADxx ("RAD" kependekan dari "radiation"),

seperti RAD3, RAD10 dll

Terdiri dari 3 tahap:

a. Mengenali DNA yang ‘rusak’ kemudian memotong DNA tersebut  oleh enzim DNA glycosilase b. Menginkorporasi nukleotida pada daerah yang terpotong/hilang tersebut  oleh enzim DNA polymerase

in the gap

c. Menyambungkan nukleotida yang baru pada untaian DNA asal  oleh enzim DNA ligase

1. Reparasi dengan memotong (excission repair) 2. Reparasi yang tergantung oleh sinar (light-dependent _repair) Misalnya, untuk kerusakan karena terjadinya Timin dimer

Tahap-tahapnya:

a. Enzim Fotoliase mengenali adanya timin dimer dan mengikat timin dimer tsb

b. Dengan bantuan sinar, enzim fotoliase memotong/menguraikan ikatan antar timin tsb

Beberapa penyakit disebabkan oleh rusaknya sistem reparasi DNA

Nama Fenotip Enzim yang dipengaruhi

---Xeroderma pigmentosum Kanker kulit, sensititif thdp UV nucleotide excission repair Ataxia-telangecia (AT) Leukemia, limfoma ATM protei,

Mismatch repair (Perbaikan yang tidak berpasangan)

Untuk memperbaiki basa yang tidak berpasangan harus diketahui pasangan basa mana yang salah. Pada

E. coli, ini dapat diketahui oleh methylase yang disebut

dengan "Dam methylase", dimana dapat memetilasi adenines yang terdapat pada urutan (5')GATC . Segera sesudah replikasi DNA, template strand dimetilasi, tetapi strand yang baru disintesa belum dimetilasi. Jadi antara template strand dan new strand akan berbeda..

Dimulai dengan berikatannya protein MutS

pada mismatched base pairs. Kemudian MutL

mengaktifkan MutH untuk bergabung bersama

pada urutan GATC. MutH akan membelah

strand yang tidak dimetilasi pada tempat

GATC .

Selanjutnya, segment dari tempat

pembelahan

akan

dibuang

oleh

enzim

exonuclease (dengan bantuan enzim helicase II

dan SSB proteins).

Bila pembelahannya pada bagian 3' dari kerusakan, akan dipotong oleh enzim exonuclease I dan bila pada bagian 5' oleh enzim exonuclease VII atau RecJ untuk mendegradasi single tranded DNA. Kekosongannya akan diisi dengan bantuan enzim DNA polymerase III dan DNA ligase.

Jarak antara tempat GATC dengan kerusakan bisa mencapai sepanjang 1,000 base pairs

Bagaimanapun juga perbaikan sistem ini mahal dan tidak efisien.

Mutasi gen

- Perubahan pada materi genetik (DNA) yang dapat diturunkan

- Disebabkan oleh 2mekanisme dasar: * kesalahan pada proses replikasi DNA * kegagalan dalam mereparasi DNA yang rusak - terjadi secara spontan atau diinduksi oleh

agent fisik atau bahan kimia (mutagen) - organisma yg mengalami mutasi : mutan - berperan dlm evolusi mahluk hidup; pada bakteri

utk resistensi thdp antibiotik

3 Faktor utama yang menyebabkan terjadinya

mutasi spontan

1. Keakuratan komponen-komponen (“mesin”) dalam

replikasi DNA

2. Efisiensi mekanisme proses perbaikan DNA yg rusak

(DNA repair mechanism)

3. Tingkat pemaparan mutagenic agents yg ada di lingkungan

Contoh-contoh mutasi gen:

Proses mutasi dan ekspresinya pada individu

normal dan mutannya

tempat spesifik dalam suatu gen, termasuk substitusi, delesi dan insersi pasangan basa.

“Missense mutation” : mutasi yang menyebabkan perubahan kodon spesifik suatu asam amino ke asam amino yang lain “Nonsense mutation” : mutasi yang menyebabkan perubahan kodon spesifik suatu asam amino ke kodon terminasi “Frameshift mutation” : mutasi yang merubah “pembacaan” dari mRNA, disebabkan oleh adanya delesi atau insersi pasangan basa

Mekanisme terjadinya mutasi

1. Tautomerisasi pada replikasi DNA

Tautomerisasi: proses berpindahnya atom hidrogen dari basa nitrogen yg satu ke yang lain.

Mutasi yang ditimbulkan:

- Mutasi transisi: perubahan basa nitrogen dari purin ke purin atau pirimidin ke pirimidin - Mutasi tranversi: perubahan basa nitrogen dari

purin ke pirimidin atau sebaliknya

2. Kegagalan dalam mereparasi DNA yang rusak

- Pengguntingan DNA yang rusak dengan menggunakan enzim DNA glikosilase

Reparasi DNA yang rusak dapat dilakukan dengan cara, antara lain:

- Reparasi DNA dengan menggunakan cahaya/sinar (fotoreaktivasi), dengan menggunakan enzim DNA fotoliase

“Mutagenic agent”

• Bahan Kimia

- “alkylating agent”: bahan kimia yang dapat memindahkan gugus alkyl ke basa nitrogen pada DNA.

Contoh: Gas mustard [Di-(2-chloroethyl) sulfide] EMS (Ethyl methane sulfonate) - Basa analog: bahan kimia yg strukturnya mirip

dengan basa nitrogen normal, yang dapat terinkoporasi ke dalam DNA

Contoh: 5-Bromouracil (BU) 2-Aminopurin (2-AP)

- “Deaminating agent”: dapat mendeaminasi gugus amino pada basanitrogen

Contoh: Asam nitrous (HNO2)

- “Hydroxylating agent”: menghidroksilasi gugus amino pada pada basa nitrogen, sehingga terjadi mutasi transisi. Contoh: Hydroxylamine

Kelainan-kelainan akibat mutasi gen

- “Sickle cell anemia”: mutasi substitusi pada gen beta globin sehingga terjadi perubahan dalam alel hemoglobin S dari hemoglobin A yang normal, menyebabkan bentuk sel darah merah abnormal (“sickle”)

- Penyakit/kelainan yang disebabkan oleh adanya defek dalam metabolisme fenilalanin-tirosin, yang merupakan asam amino penting dalam sintesis protein

Sequence of PCR product from sperm withlowmotility Sequence of PCR product from sperm with normalmotility 174

Mutation in exon 6 of VDAC3 gene in sperm with low motility

Posisition 174 : AAG (Lysine)

Posisition 174 : GAG (glutamic acid)

Polimorfisme

• Variasi biologis merupakan fenomena

alami

• Dapat diamati pada semua mahluk hidup

organisma unisel sampai multisel

• Ada dalam populasi maupun antar populasi

• Dapat bersifat kontinyu dan tak-kontinyu

• Merupakan hasil antaraksi faktor

genetik dan nir-genetik

• Dapat dilihat pada aras fenotipik bahkan

genotipik

• Mudah diamati pada aras fenotipik lewat

indera dan/atau alat bantu

• Dapat menghasilkan polimorfisma

Polimorfisma genetik?

Keberadaan lebih dari satu alel dalam

suatu lokus genetik dengan frekuensi

alel-jarang ≥1% di dalam suatu populasi

Definisi lain

• “The occurrence in a population (or among

populations) of several phenotypic forms

associated with alleles of one gene or

homologs of one chromosome”

Variasi biologis &

polimorfisma

Forms of polymorphism

• Single Nucleotide Polymorphisms

(SNP)

• Variable number of tandem repeats

(VNTR)

POLY

MORPHISM

SNPs Sequence repeats Insertions Deletions Recombination

Chance

procesess

Induced by

external agents

e.g. viruses or

radiation

MU

TA

TI

ON

Polymorphism throughout human

genome

• 1.42 million SNPs estimated (other

estimation: 1 in 1000 DNA bp in

human genome  over 3 million SNPs

in the entire human genome)

• 60,000 SNPs fall within coding

regions

• Approx. 25% non-synonymous SNP

could affect the function of

corresponding gene product

Efek polimorfisme

• Is reflected in the diversity of the gene

products – structural proteins, enzymes,

channel proteins, transporters & binding

proteins, receptors & post receptor

signaling cascades

• Contoh lokus HLA

– Sangat polimorfik

– > 1300 alel dari 12 lokus klas I & II yang diekspresikan di seluruh dunia