Kerusakan DNA

Kerusakan DNA

Kerusakan DNA banyak terjadi pada saat replikasi. Untuk mengatasi hal tersebut, proses perbaikan DNA dilakukan pada akhir proses replikasi. Perubahan-perubahan yang disebabkan oleh kerusakan DNA dapat mengganggu replikasi atau dapat menghasilkan produk transkripsi yang salah. Kerusakan DNA yang disebabkan oleh faktor lingkungan dan di dalam proses metabolisme sel yang normal, terjadi pada tingkat 103 _{sampai 10}6 _molekular luka per sel per hari sehingga dapat mengganggu kemampuan sel untuk melaksanakan fungsinya. Menurut Murray et.al. (2003), kerusakan DNA dapat disebabkan oleh pengaruh agen lingkungan, fisik dan kimia sehingga dapat diklasifikasikan kedalam 4 jenis kerusakan, yaitu:

1. Pengubahan Basa Tunggal terdiri dari: depurinasi merupakan hilangnya purin dasar dari tulang punggung DNA, deaminasi sitosin menjadi urasil, alkilasi basa serta penyisipan dan penghapusan nukleotida.

2. Pengubahan Dua Basa terdiri dari: dimer timin-timin yang diinduksi oleh cahaya UV dan hubungan-silang preparat alkilasi bifungsional

3. Pemutusan Rantai terdiri dari radiasi ionisasi, disintegrasi radioaktif pada unsur tulang punggung dan pembentukan radikal bebas yang oksidatif.Radikal bebas adalah sebuah molekul aktif yang dapat merusak protein dan DNA. Sumber radikal bebas ada yang bersifat eksternal maupun internal. Sumber radikal eksternal mencakup; Polusi lingkungan: polusi udara, air dan tanah, Makanan: bahan tambahan, pestisida, pemasakan dan penyimpanan yang kurang baik, Bahan kimia: insektisida, detergen, limbah industri, zat-zat racun, Radiasi: sinar UV, radiasi elektromagnetis, obat-obatan & medis serta virus. Sedangkan sumber radikal internal mencakup;Metabolisme, latihan keras, kerja berlebihan/kelelahan, stress kronis, penuaan (ketika tubuh menua, sistem pertahanan antioksidan tubuh akan melemah), kecanduan alkohol dan merokok (setiap batang rokok menghasilkan 10triliun radikal bebas). Adapun cara untuk mengatasi kerusakan DNAantara lain; Mengurangi paparan radikal bebas yang meliputi ; berhenti merokok, menggunakan tabir surya dengan SPF 15 serta hindari daerah terpolusi.Memperkuat sistem pertahanan antioksidan yang meliputi; meningkatkan konsumsi buah dan sayuran serta suplemen dengan produk antioksidan.

4. Hubungan silang meliputi antara basa-basa dalam untai yang sama atau berlawanan dan antara DNA dengan molekul protein (misal, Histon)

Menurut Devlin (2006), kerusakkan DNA dapat disebabkan oleh beberapa faktor seperti berikut: tidak tersedianya senyawa kromatin kompleks yang dapat berperan sebagai pelindung dari serangan senyawa O2reaktif, aktivitas DNA repair berubah dan terdapat kerusakan pada rantai transforelektron sehingga merangsang pembentukan senyawa O2 reaktif sekunder.

1. Kerusakan Endogenous, yang disebabkan oleh oksigen yang reaktif yang dihasilkan dari metabolisme normal terutama pada proses oksidatif deaminasi. KerusakanEndogenous disebabkan dari faktor-faktor internal,yaitu: (1). Alkilasi (biasanya metilasi), seperti pembentukan 7-methylguanine, 1-methyladenine, O6 methylguanine. (2). Hidrolisis, seperti deaminasi, depurinasi dan depirimidinasi.(3). Mismatch, disebabkan kesalahan dalam replikasi DNA, di mana dalam pembentukan DNA helai terjadi salah pasang atau terjadi kekeliruan atau penyisipan dalam pembentukkan DNA.

2. Kerusakan Exogenous disebabkan dari faktor-faktor eksternal seperti : cahaya UV (200-300 nm) dari radiasi matahari, radiasi frekuensi lainnya, termasuk foto sinar-x dan sinar gamma, hidrolisis panas atau gangguan, kanker kemoterapi dan radioterapi serta virus.

Kerusakan yang disebabkan oleh Exogenous datang dalam berbagai bentuk contohnya adalah:

1. Cahaya UV-B menyebabkan basa nitrogen seperti sitosin dan timin berdekatan sehingga membentukdimer pirimidin. Hal ini merusak DNA secara langsung.

2. Cahaya UV-A menyebabkan banyaknya radikal bebas. Bahan UV-A seperti sunscreen yang merupakan radikal bebas dapat menyerap ke dalam kulit. Kerusakan yang disebabkan oleh radikal bebas dapat langsung merusak DNA.

3. Radiasi pengionan, seperti sinar kosmik yang dapat menyebabkan break dalam DNA strands. Kerusakan yang terjadi akibat radiasi pengionan dapat berupa: DNA sama sekali putus (Double Strand Brake), satuback bone DNA putus (Single Strand Break), kerusakan base (Base Damage), dan kerusakan gula ribosa pada backbone DNA.

4. Suhu tinggi akan menyebabkan terjadinya depurinasi dalam DNA.

5. Bahan kimia seperti vinyl chloride dan hidrogen peroksida, lingkungan dan bahan kimia sepertipolycyclic hidrokarbon ditemukan di asap dan tar. (www.wikipedia.org/wiki/DNA_repair).

Mekanisme Perbaikan

Semua sel memiliki mekanisme perbaikan DNA. Didalam sel dikenal

mekanisme pembetulan atau reparasi yang dapat memperbaiki kesalahan

atau perubahan yang ada pada satu atau kedua rantai DNA. Ada empat

jenis mekanisme perbaikan DNA :

Perbaikan Eksisi (Excision repair)/Perbaikan Gelap

Atau perbaikan dengan cara memotong kerusakan yang disebabkan oleh radiasi ultraviolet. Misalnya dilakukan untuk memperbaiki keadaan adanya dimer pirimidin dalam suatu rantai.Pembentukkan dimer timinakibat radiasi UV diawali dengan terbentuknya ikatan kovalen diantara dua molekul timin (dimer timin). Dimer menyebabkanperubahan struktur di dalam rantai DNA dandapat menghambat DNAuntuk melakukan replikasi dan transkripsi. Nukleotida yang membentuk dimer dieksisi atau dipotong habis atau dibuang secara enzimatik dan celah yang terjadi dalam rantai disamping kemudian disi oleh polimerase DNA I. Enzim reparasi memotong rantai yang salah pada ujung 5’ di daerah yang rusak dan sesudah itu polimerase DNA I berikatan pada potongan serta menambahkan nukleotid komplementer yang tepat pada ujung basa 3’ yang bebas. Setelah penambahan nukleotid secara berturut-turut polimerase DNA menghasilkan potongan kedua pada rantai tersebut, dan melepaskan polinukleotid yang pendek yang mengandung dimer. Setelah itu DNA Ligase menutup bagian yang terpotong dan dengan demikian proses reparasi selesai. Perbaikan terjadi setelah replikasi sehingga dimer timin bersifat permanen.

Perbaikan dengan Eksisi Basa (BaseExcision).

Terdapat kerusakan spontan, kimia, atau radiasi terhadap basa tunggal akibat kelabilan ikatanN-glikosidat purin terhadap suhu 37 ˚C berlangsung dengan kecepatan 5.000-10.000/sel/hari. Basa sitosin, adenin dan guanin di dalam DNA masing-masing secara spontan akan membentuk urasil, hipoxantin atau xantin. Nukleotida semacam ini dapat disebut dengan basa abnormal. N-glikosilase dapat mengenali basa-basa abnormal ini dan mengeluarkan basa tersebut dari DNA. Enzim endonuklease apurinat atau apirimidinat akan memotong gula yang tidak mengandung basa. Setelah endonuklease membuang beberapa basa, basa yang sesuai kemudian ditempatkan kembali lewat kerja enzim polimerase perbaikan (repair polymerase) dan enzim ligase akan menyatukan untaian dan mengembalikan DNA pada keadaan semula.

Tampak pada gambar diatas enzim urasil DNA Glikosilase membuang urasil yang terbentuk melalui proses deaminasi (pembuangan gugus amino, -NH2 dari senyawa) secara spontan di dalam DNA.

Perbaikan dengan Eksisi Nukleotida (NucleotideExcision).

Mekanisme perbaikan dengan eksisi nukleotida dilakukan untuk memperbaiki kerusakan DNA yang lebih besar dengan panjang 30 basa dan melibatkan lebih banyak protein dibandingkan perbaikan kesalahan pencocokan atau eksisi basa. Tampak pada gambar diatas, sel memperlihatkan aktivitas proses perbaikan dengan eksisi nukleotida.Kerusakkan spontan, kimia, atau radiasi terhadap segmen DNA akan diperbaiki oleh suatu proses yang dinamakan perbaikan dengan eksisi nukleotida. Enzim nuklease eksisi (eksinuklease) mengenali defek (cacat) pada DNA dan membuka lilitan DNA di daerah yang cacat. Nuklease memotong DNA diantara ikatan fosfodiester ke-3 dan ke-5. Sedangkan pada sisi 5’ pemotongan oleh enzim nuklease dilakukan di antara ikatan ke-21 dan ke-25. Kemudian suatu fragmen DNA dengan panjang 27-29 nukleotida terpotong atau tereksisi.

Setelah itu untai tersebut diganti melalui pembentukan pasangan basa yang tepat dengan kerja enzim polimerase δ dan ε serta kedua ujungnya disatukan oleh enzim ligase.

Xeroderma pigmentosum (XP) merupakan penyakit genetik yang bersifat resesif autosom. Sindrom klinisnya meliputi kepekaan yang mencolok terhadap sinar matahari terutama sinar ultraviolet yang selanjutnya diikuti pembentukan kanker kulit serta kematian dini. Ada 7 produk gen yang terlibat dalam proses perbaikan dengan eksisi nukleotida, yaitu XPA-XPG. Dua diantaranya, yaitu XPA dan XPC terlibat di dalam proses pengenalan dan eksisi. Sedangkan XPB dan XPD merupakan enzim helikase.

Perbaikan Kesalahan-Pencocokan ( Mismatch Repair)

Selama replikasi DNA, DNA polimerase sendirilah yang melakukan perbaikan salah pasang. Polimerase ini mengoreksi setiap nukleotida terhadap cetakannya begitu nukleotida ditambahkan pada untaian. Enzim polimerase dapat menimbulkan kekeliruan dan menyisipkan 2 hingga 5 basa tambahan yang tidak berpasangan, misalkan : seharusnya timin berpasangan dengan adenin, bukan timin berpasangan dengan guanin. Enzim perbaikan akan mengenali untai yang mengandung nukleotida yang salah atau keliru dan memerlukan perbaikan. Jika ditemukan kesalahan-pencocokan, enzim endonuklease akan memotong untai tunggal pada rangkaian GATC yang diarahkan oleh metil. Enzim yang mencakup ligase, polimerase, dan SSB (Single Strand Binding, berfungsi untuk menstabilkan untaian DNA yang sudah terbuka pada proses replikasi) akan mengeluarkan dan mengganti untai tersebut.

Perbaikan Untai Ganda yang Terputus

MenurutMurray et. al.(2003), untai ganda yang terputus disebabkan karena adanya radiasi pengionan, kemoterapi dan radikal bebas yang oksidatif. Mekanisme perbaikan ini dapat diselesaikan dengan menggunakan sinapsis, pembukaan lilitan, penyegarisan dan ligasi atau penyambungan. Dalam perbaikan untai ganda yang terputus ini terdapat dua buah protein yang terlibat, yaitu Ku dan protein kinase bergantung-DNA (DNA PK, DNA – dependent protein kinase).

Pada gambar di bawah ini tampak protein Ku dan DNA-PK bergabung untuk mendekatkan kedua untai dan membuka lilitannya. Fragmen yang sudah disegariskan akan membentuk pasangan basa. DNA yang sudah didekatkan dan dibuka lilitannya ini akan membentuk pasangan basa. Ekor nukleotida tambahan dibuang oleh enzim eksonuklease dan celah yang terbentuk diisi serta ditutup oleh enzim DNA ligase.

Menurut Kuchel dan Ralston (2006), ada sejumlah tipe mekanisme perbaikan selain eksisi atau perbaikan gelap dan perbaikan mismatch, yaitu :

Fotoreaktivasi.

Pada mekanisme perbaikan ini, melibatkan sebuahenzim tunggal yang tergantung cahaya untuk membuangDNA yang mengalami kerusakan. Mekanisme ini terjadi pada jasad prokariotik, misalnya pada bakteri E. coli. Enzim itu dikodekan oleh gen phr.

Perbaikan SOS.

Mekanisme perbaikan ini merupakan replikasi rawan-kesalahan (error prime) yang memperbaiki kerusakan-kerusakan pada DNA. Tipe perbaikan SOS bisa dikarenakan oleh kerusakan DNA dalam tingkat tinggi. Pada baktei E. colisistem SOS diatur oleh gen-gen recA dan umu yang mengubah fidelitas atau ketepatan enzim DNA polimerase. Dalam

proses itu, polimerase melakukan replikasi melewati kerusakan DNA sehingga memungkinkan sel untuk bertahan hidup atau sintas. DNA polimerase III menjadi tidak aktif jika sistem SOS di aktifkan. Hal ini dimaksudkan agar polimerisasi tetap dapat berjalan melintasi dimer. Sistem SOS tidak dapat memperbaiki kesalahan ini karena tidak aktif, sedangkan sistem perbaikan salah pasang sebenarnya dapat memperbaikinya. Namun, karena jumlah dimer di dalam setiap sel yang mengalami radiasi oleh sinar UV begitu banyak, maka sistem perbaikan salah pasang tidak dapat memperbaiki semua kesalahan yang ada. Jika sel tersebut berhasil untuk bertahan hidup melalui seluruh kerusakan DNA, kemungkinanbesar sel tersebut mengandung satu atau lebih mutasi. Defekpada gen sangat beraneka ragam. Umumnya dapat diperbaiki oleh sejumlah protein/enzim. Salah satu zat yang membantuperbaikan DNA adalah NADPH (Niacinamide Adenine Dinucleotide) yang merupakan suatu zat antioksidan kuat dan penyuplai energi seperti ATP. Tetapi bila sel diungkapkanterus menerus pada penyebab kerusakannya, maka sistemperbaikan sel tersebut akhirnya tidak mampu lagi untuk memperbaiki defek atau cacat tersebut. Sebuah sel yang memiliki kerusakan DNA atau tidak lagi efektif untuk memperbaiki kerusakan DNA, maka kemungkinan dapat terjadi kematian sel yang terprogram (apoptosis) atauterjadi pembentukkan suatu tumor yang bersifat kanker.

Simpulan

Reparasi DNA adalah perbaikan untai DNA dimana DNA mengalami kerusakan-kerusakan yang disebabkan oleh faktor internal maupun faktor eksternal. Adapun faktor-faktor internal yang menyebabkan kerusakan DNA antara lain: Alkilasi, Hidrolisis (deaminasi, depurinasi dan depirimidinasi) dan Mismatch. Sedangkan faktor-faktor eksternal meliputi: cahaya UV (200-300 nm) dari radiasi matahari (Cahaya UV-A, UV-B), radiasi frekuensi lainnya, termasuk foto sinar-x dan sinar gamma, hidrolisis panas atau gangguan, kanker kemoterapi dan radioterapi serta virus.Dalam mekanisme perbaikan DNA terdapat tiga jenis mekanisme perbaikan, yaitu: perbaikan eksisi atau perbaikan gelap yang terjadi karena kerusakan DNA yang disebabkan oleh faktor-faktor penyebab kerusakan DNA seperti sinar atau cahaya UV. Perbaikan eksisi dapat dibedakan menjadi 2, yaitu perbaikan eksisi nukleotida dan perbaikan eksisi basa. Perbaikan Mismatch dapat digunakan apabila DNA mengalami kesalahan dalam replikasi. Perbaikan untai ganda yang terputus terjadi karena adanya radiasi pengionan, kemoterapi dan radikal bebas yang oksidatif. Namun, di dalam mekanisme perbaikan ini dapat diselesaikan dengan sinapsis, pembukaan lilitan, penyegarisan serta ligasi. Untuk jasad prokariotik, misal pada bakteri E. Coli terdapat dua jenis mekanisme perbaikan, yaitu Perbaikan SOS dan Fotoreaktivasi.

Selama pertumbuhan normal, gen SOS diatur negatif oleh Lexa represor dimer protein. Dalam kondisi normal, Lexa mengikat ke urutan konsensus 20-bp (kotak SOS) di wilayah Operator bagi gen. Beberapa gen SOS disajikan pada tingkat tertentu, bahkan dalam keadaan tertekan, menurut afinitas Lexa untuk kotak SOS mereka. Aktivasi gen SOS terjadi setelah kerusakan DNA oleh akumulasi beruntai tunggal (ssDNA) daerah yang dihasilkan pada garpu replikasi, dimana DNA polimerase diblokir. RecA membentuk filamen sekitar daerah ini ssDNA dalam mode ATP-dependent, dan menjadi aktif. Bentuk aktif dari RecA

berinteraksi dengan Lexa represor untuk memfasilitasi Lexa represor diri-pembelahan dari operator. [3]

Setelah kolam Lexa menurun, represi dari gen SOS turun sesuai dengan tingkat Lexa afinitas untuk kotak SOS. Operator yang mengikat Lexa lemah adalah yang pertama diungkapkan sepenuhnya. Dengan cara ini Lexa berurutan dapat mengaktifkan mekanisme yang berbeda dari perbaikan. Gen memiliki kotak SOS lemah (seperti Lexa, Reca, UvrA, UvrB, dan uvrD) sepenuhnya diinduksi dalam menanggapi bahkan lemah perawatan SOS-merangsang. Jadi pertama SOS mekanisme perbaikan akan diinduksi adalah perbaikan eksisi nukleotida (APM), yang bertujuan untuk memperbaiki kerusakan DNA tanpa komitmen untuk respon SOS penuh.

Namun, jika NER tidak cukup untuk memperbaiki kerusakan, konsentrasi Lexa lebih jauh berkurang, sehingga ekspresi gen dengan kuat Lexa kotak (seperti Sula, umuD, umuC - ini dinyatakan terlambat) diinduksi. Sula berhenti pembelahan sel dengan mengikat FtsZ, protein memulai dalam proses ini. Hal ini menyebabkan filamentation, dan induksi perbaikan mutagenik UmuDC-dependen. Sebagai akibat dari sifat ini, beberapa gen mungkin sebagian diinduksi dalam menanggapi bahkan tingkat endogen kerusakan DNA, sedangkan gen lain tampaknya disebabkan hanya ketika kerusakan DNA tinggi atau persisten hadir dalam sel.