Perbaikan Materi Genetik dan Mutasi Kromosom

Mekanisme Perbaikan DNA

• Proses seluler untuk mengenali dan memperbaiki kerusakan DNA.
• Menjaga stabilitas genetik dan mencegah mutasi penyebab penyakit.

Perbaikan DNA Secara Umum

• Menggunakan dua untai nukleotida (DNA double stranded).
• Menggunakan banyak jalur perbaikan.
• Hampir semua kesalahan dapat diperbaiki.

DNA Extension & Misincorporation

• DNA polimerase memiliki domain untuk menambahkan nukleotida ke untai DNA yang baru terbentuk (nascent DNA strands) menggunakan untai DNA template sebagai cetakan.

Proofreading DNA

• Kemampuan DNA polimerase untuk mendeteksi dan memperbaiki kesalahan pemasangan basa selama replikasi DNA.
• Mekanisme:
  1. DNA polimerase memeriksa kecocokan pasangan basa saat menambahkan nukleotida.
  2. Jika terjadi kesalahan:
     • Menghentikan sintesis.
     • Memindahkan ujung 3' rantai DNA ke situs exonuclease 3' → 5'.
     • Menghapus nukleotida yang salah.
     • Mengembalikan ujung ke situs polimerase untuk melanjutkan sintesis.
• Enzim dengan aktivitas proofreading:
  • Prokariot: DNA pol III.
  • Eukariot: DNA pol δ dan ε.
• Tujuan:
  • Mengurangi tingkat kesalahan replikasi dari 1 per $10^5$ menjadi 1 per $10^7$ nukleotida.
  • Menjaga fidelity replikasi DNA, penting untuk stabilitas genetik.

Mismatch Repair (MMR)

• Mekanisme perbaikan DNA yang mengoreksi pasangan basa yang tidak sesuai (mismatch) yang lolos dari proofreading saat replikasi.
• Mekanisme pada eukariot:
  1. Pengenalan mismatch oleh kompleks protein (misalnya MSH2-MSH6).
  2. Perekrutan endonuklease dan eksisi segmen DNA yang mengandung mismatch.
  3. DNA polimerase mengisi ulang bagian yang hilang dengan basa yang benar.
  4. DNA ligase menyambung rantai DNA kembali.
• Gen yang penting dalam MMR:
  • Prokariot: MutS, MutL, MutH.
  • Eukariot: MSH2, MSH6, MLH1, PMS2.
• Tujuan:
  • Menjaga akurasi replikasi DNA.
  • Mencegah akumulasi mutasi yang bisa menyebabkan kanker.
• Gangguan pada MMR menyebabkan Lynch syndrome (HNPCC).

Base Excision Repair (BER)

• Mekanisme perbaikan DNA yang menghapus dan mengganti basa yang rusak secara kimiawi (oksidasi, alkilasi, deaminasi).
• Mekanisme:
  1. DNA glycosylase mengenali dan menghilangkan basa rusak → meninggalkan AP site (apurinic/apyrimidinic).
  2. AP endonuclease memotong backbone DNA di AP site.
  3. DNA polymerase β menyisipkan basa baru.
  4. DNA ligase menyambung kembali backbone.
• Jenis DNA Glycosylase dalam BER:
  • Uracil-DNA glycosylase (menghapus urasil dari DNA).
  • 8-oxoguanine glycosylase (menghapus basa yang teroksidasi).
• Tujuan:
  • Efektif memperbaiki kerusakan yang terjadi ribuan kali per sel per hari.
  • Kunci dalam pertahanan sel terhadap mutagen endogen.

Nucleotide Excision Repair (NER)

• Mekanisme perbaikan DNA yang menghapus kerusakan besar yang menyebabkan distorsi struktur heliks DNA (dimer timin akibat UV atau adduct kimia besar).
• Mekanisme:
  1. Pengenalan lesi oleh protein sensor.
  2. Pembukaan heliks oleh helikase.
  3. Pemotongan segmen DNA rusak (±24-32 nukleotida) oleh endonuklease.
  4. Sintesis ulang oleh DNA polymerase menggunakan untai sehat sebagai cetakan.
  5. Penyambungan oleh DNA ligase.
• Memperbaiki lesi helix-distorting.
• Penting dalam menjaga genom dari kerusakan akibat sinar UV.
• Jenis NER:
  • Global Genome NER (GG-NER): memperbaiki seluruh genom.
  • Transcription-Coupled NER (TC-NER): fokus pada gen yang sedang ditranskripsi aktif.
• Gangguan pada NER menyebabkan Xeroderma pigmentosum (XP).

Double-Strand Break (DSB)

• Kerusakan DNA di mana kedua untai heliks DNA patah secara bersamaan.
• Bentuk kerusakan paling berbahaya bagi genom.
• Penyebab:
  • Radiasi ionisasi (sinar X).
  • Agen kemoterapi.
  • Replikasi DNA yang terganggu.
  • Kerusakan endogen akibat metabolisme sel.
• Jika tidak diperbaiki:
  • Kematian sel (apoptosis).
  • Mutasi besar → translokasi, delesi.
  • Kanker dan kelainan genetik.

Homologous Recombination (HR)

• Mekanisme perbaikan DSB yang menggunakan untai homolog sebagai cetakan, sehingga sangat akurat.
• Memperbaiki DSB tanpa menyebabkan mutasi.
• Umumnya aktif di fase S dan G2 (setelah replikasi, saat sister chromatid tersedia).
• Mekanisme:
  1. Reseksi ujung DNA → menghasilkan untai tunggal 3’.
  2. Strand invasion ke sister chromatid oleh protein seperti Rad51.
  3. Sintesis DNA menggunakan cetakan homolog.
  4. Resolution & ligasi → memperbaiki patahan.
• Gen yang berperan dalam HR: BRCA1, BRCA2 (kerusakan berkaitan dengan risiko kanker payudara dan ovarium).
• Penting karena metode perbaikan yang sangat presisi.
• Umumnya digunakan oleh sel untuk mempertahankan integritas genom.

Non-Homologous End Joining (NHEJ)

• Mekanisme perbaikan DSB yang langsung menyambungkan ujung DNA yang patah tanpa cetakan homolog.
• Perbaikan cepat dan darurat.
• Dominan di fase G1 (tidak tersedia sister chromatid).
• Mekanisme:
  1. Pengikatan protein Ku ke ujung patahan.
  2. Perekrutan DNA-PK dan ligase.
  3. Proses trimming dan pengisian jika perlu.
  4. Penyambungan langsung oleh DNA ligase IV.
• Kelebihan: cepat dan efisien.
• Kekurangan: rawan kesalahan (dapat menyebabkan delesi atau mutasi kecil).
• Tetap vital dalam mempertahankan stabilitas genom saat HR tidak bisa dilakukan.

Perbandingan Mekanisme Perbaikan DNA

Mutasi Kromosom dan Perubahan Jumlah Kromosom

• Mutasi adalah perubahan materi genetik (gen atau kromosom) suatu sel yang diwariskan kepada keturunannya.
• Penyebab: kesalahan replikasi, radiasi, bahan kimia (mutagen), virus, atau selama meiosis.
• Jenis mutasi:
  • Mutasi gen (point mutation): Perubahan materi genetik (DNA atau RNA) pada tingkat urutan basa.
  • Mutasi kromosom: Perubahan yang terjadi pada kromosom yang disertai dengan perubahan struktur dan jumlah kromosom.

Klasifikasi Mutasi Kromosom

• Perubahan struktur kromosom (aberasi kromosom).
• Perubahan jumlah kromosom.

Perubahan Jumlah Kromosom

• Disebabkan karena pengurangan atau penambahan jumlah kromosom.
  • Aneuploidi: Perubahan salah satu kromosom dari genom individu. Contoh: monosomik ($2n-1$), nullisomik ($2n-2$), trisomik ($2n+1$), tetrasomik ($2n+2$).
  • Euploidi: Perubahan jumlah perangkat kromosom (genom). Contoh: haploid ($n$), diploid ($2n$), triploid ($3n$), tetraploid ($4n$), poliploid.

Tipe Aneuploidi

1. Nulisomi: Kehilangan sepasang kromosom homolog ($2n – 2$).
2. Monosomi: Kehilangan sebuah kromosom tunggal ($2n – 1$). Zigot manusia monosomi memiliki 45 kromosom.
3. Trisomi: Mendapatkan tambahan sebuah kromosom tunggal ($2n + 1$). Contoh: Down syndrome (penambahan kromosom 21, total 47 kromosom).
4. Tetrasomi: Mendapatkan tambahan sepasang kromosom homolog ($2n + 2$).

• Peristiwa Aneuploidi: Kelainan saat pembentukan gamet (meiosis I, meiosis II, atau mitosis).
• Pasangan kromosom homolog gagal memisahkan diri (nondisjunction), menyebabkan sel mendapatkan kromosom lebih atau kekurangan kromosom.

Nondisjunction pada Meiosis

• Meiosis I: Homologous chromosomes fail to separate, resulting in gametes with either both copies or no copies of the chromosome.
• Meiosis II: Sister chromatids fail to separate, leading to some gametes with an extra copy and others missing a copy.
• Fertilization with these gametes results in trisomic (2n+1) or monosomic (2n-1) zygotes.

Euploidi

• Perubahan jumlah perangkat/set kromosom.
• Contoh: Semangka tanpa biji (kelainan pada proses pembentukan gamet akibat non-disjunction).

Perubahan Struktur Kromosom

• Disebabkan oleh mutasi.

Jenis Perubahan Struktur Kromosom

1. Duplikasi: Bagian kromosom mengalami penggandaan.
2. Delesi: Kromosom patah dan bagian patahan hilang (dengan atau tanpa sentromer).
3. Inversi: Segmen kromosom patah pada dua lokasi, berputar 180°, dan bergabung kembali.
4. Translokasi: Fragmen kromosom berpindah ke bagian lain dari kromosom yang sama atau ke kromosom nonhomolog lainnya.