REPLIKASI DNA

REPLIKASI DNA

1.      Pendahuluan

Sebelum struktur DNA diketahui, para ilumuan tertarik pada kemampuan organisme membuat salinan yang layak dari dirinya sendiri, dan kemudian kemampuan sel memproduksi banyak salinan sama persis makromolekul komplek. Spekulasi tentang permasalahan ini terfokus pada konsep template. Template sel seharusnya menjadi permukaan dimana molekul berada dalam susunan yang khusus dan bergabung untuk membentuk makromolekul yang struktur dan fungsinya unik.

DNA dalam organisme prokariot umumnya tidak bergabung dengan protein selain yang terlibat dalam replikasi atau transkripsi DNA. Banyak DNA dalam organisme eukariot terbungkus dengan suatu varietas protein. Protein ini dan DNA membentuk suatu struktur kompleks, yaitu kromatin yang memungkinkan adanya sejumlah besar konfigurasi molekul DNA dan tipe-tipe pengendalian yang unik pada organisme eukariot. Informasi genetik dalam DNA sebuah kromosom dapat dialihkan melalui replikasi yang tepat, atau dapat ditukar lewat sejumlah proses yang mencakup persilangan, rekombinasi, transposisi dan konversi. Semua ini menghasilkan suatu sarana utk memastikan kemampuan adaptasi dan keanekaragaman bagi organisme tersebut, tapi juga dapat mengakibatkan penyakit.

Replikasi DNA adalah suatu proses yang sangat kompleks dan tersusun yang mengikuti polaritas 5’ ke 3’ yang khas pada sintesis RNA dan protein. Di dalam sel eukariotik, replikasi DNA dalam kromosom di mulai pada lebih dari satu tempat dan berlangsung sekaligus dalam dua jurusan . Sejumlah enzim diperlukan untuk sintesis serta perbaikan DNA, dan kedua proses ini mengikuti kaidah-kaidah pembentukan dasar DNA dari Watson-Crick.

2.      Permulaan Replikasi DNA

Replikasi terjadi pada pembelahan sel. Replikasi terjadi sebelum sel membelah dan selesai sebelum fase mitosis. Proses replikasi pertama kali di mulai ketika enzim Helicase memutus ikatan kimia yang paling lemah diantara dua rantai polinukleotida. Untaian DNA diputus tepat di tengah memisahkan pasangan-pasangan basa. Rantai  polinukleotida yang baru dipisahkan menjadi rantai tunggal akan menjadi rantai dasar (template) untuk membentuk dua untai rantai DNA baru. Di dalam sel-sel nucleus, terdapat banyak nukleotida-nukleotida bebas. Basa-basanya akan berikatan dangan basa-basa yang ada di dalam rantai dasar (template), yang berdasarkan aturan Chargaff, akan berpasangan hanya dengan  basa lain yang merupakan pasangannya. Misalnya, katakanlah di dalam rantai dasar (template) terdapat basa Guanine (G),maka basa Cytosinlah (C) yang terikat  padanya.

Proses terbentuknya ikatan basa-basa ini dibantu oleh enzyme yang disebut enzyme DNA Polymerase III. Enzyme ini hanya bekerja dari ujung 5’ ke ujung 3’ dari rantai DNA. Hal ini terjadi juga pada rantai dasar (template) yang lainnya. Hanya saja sedikit berbeda prosesnya dengan rantai dasar yang pertama. Karena proses replikasi oleh enzyme polymerase III hanya berlangsung dari ujung 5’ ke ujung 3’, maka pada rantai dasar (template) ke dua dibutuhkan peran RNA primase yang membuat RNA Primer sebagai jembatan awal bagi enzyme polymerase III bekerja. Selanjutnya dengan bantuan DNA polymerase I dan DNA ligase akan diperoleh sebuah rantai DNA baru dari rantai dasar (template) ke dua. Proses ini terjadi berulang ribuan kali untuk menciptakan dua molekul DNA yang persis sama dengan molekul DNA asal (Gambar 1 lampiran hal, 6). Sehingga saat mitosis terjadi, sel saudaranya akan menerima molekul DNA yang betul-betul sama. Jika terjadi sesuatu yang salah dalam replikasi DNA, mutasi-pun terjadi. Kesalahan mutasi akan menyebabkan protein dalam DNA memiliki urutan asam amino yang salah, misalnya susunan basa yang berubah atau hilangnya basa tertentu.

Setiap molekul DNA yang melakukan replikasi sebagai suatu satuan tunggal dinamakan replikon. Dimulainya (inisiasi) replikasi DNA terjadi di suatu tempat tertentu di dalam molekul DNA yang dinamakan titik awal replikasi atau origin of replication (ori). Contoh pada plasmid (prokariot), terdapat proses replikasi yang dimulai pada replication origin dan mengembang sampai dihasilkan 2 plasmid yang sama persis. Tetapi pada eukariot (mamalia) lebih kompleks tetapi tetap membutuhkan replication origin. Proses inisiasi ini ditandai oleh saling memisahnya kedua untai DNA, yang masing-masing akan berperan sebagai cetakan bagi pembentukan untai DNA baru sehingga akan diperoleh suatu gambaran yang disebut sebagai garpu replikasi. Biasanya, inisiasi replikasi DNA  baik pada prokariot maupun eukariot, terjadi dua arah (bidireksional). Dalam hal ini dua garpu replikasi akan bergerak melebar dari ori menuju dua arah yang  berlawanan hingga tercapai suatu ujung (terminus). Pada eukariot, selain terjadi replikasi dua arah, ori dapat ditemukan di beberapa tempat DNA harus terbuka dahulu baru bisa digandakan. Origin replication disebut sebagai unique sequence yang merupakan pertanda sebagai tempat proses/titik mulai terjadinya replikasi, dimana ada protein tertentu yang akan mengenali sequence.

Saat awal akan di mulainya replikasi, pada G1 akhir ORC (Origin Recognition Complex) mengenali sequence ARS (Autonomously Replicating Sequens), kemudian ada molekul lain, juga helikase yang membentuk pre-replicative complex (pre-RC). selanjutnya pada fase S degradasi fosporilasi ORC, degradasi fosforilasi Cdc6 maka terbentuk bubble replication. Helikase membuka  pilinan.

3.      Replikasi pada untai kedua DNA

Proses replikasi DNA yang kita bicarakan di atas sebenarnya barulah  proses yang terjadi pada salah satu untai DNA. Untai DNA tersebut sering dinamakan untai pengarah (leading strand). Sintesis DNA baru pada untai  pengarah ini berlangsung secara kontinyu dari ujung  5’ ke ujung 3’ atau bergerak di sepanjang untai pengarah dari ujung 3’ ke ujung 5’. Pada untai DNA  pasangannya ternyata juga terjadi sintesis DNA baru dari ujung 5’ ke ujung 3’ atau bergerak di sepanjang untai DNA cetakannya ini dari ujung 3’ ke ujung 5’. Namun, sintesis DNA pada untai yang satu ini tidak berjalan kontinyu sehingga menghasilkan fragmen terputus-putus, yang masing-masing mempunyai arah 5’→ 3’. Terjadinya sintesis DNA yang tidak kontinyu sebenarnya disebabkan oleh sifat enzim DNA polimerase yang hanya dapat menyintesis DNA dari arah 5’ ke 3’ serta ketidakmampuannya untuk melakukan inisiasi sintesis DNA. Untai DNA yang menjadi cetakan bagi sintesis DNA tidak kontinyu itu disebut untai tertinggal (lagging strand). Sementara itu, fragmen-fragmen DNA yang dihasilkan dari sintesis yang tidak kontinyu dinamakan fragmen Okazaki, sesuai dengan nama penemunya. Fragmen-fragmen Okazaki akan disatukan menjadi sebuah untai DNA yang utuh dengan bantuan enzim DNA ligase.

4.      Replikasi DNA Yeast secara Mitosis

Pada eukariot replikasi DNA hanya terjadi pada fase S di dalam interfase. Untuk memasuki fase S diperlukan regulasi oleh sistem protein kompleks yang disebut siklin dan kinase tergantung siklin atau cyclin-dependent protein kinases (CDKs), yang berturut-turut akan diaktivasi oleh sinyal pertumbuhan yang mencapai permukaan sel. Beberapa CDKs akan melakukan fosforilasi dan mengaktifkan protein-protein yang diperlukan untuk inisiasi pada masing-masing ori. Berhubung dengan kompleksitas struktur kromatin, garpu replikasi pada eukariot bergerak hanya dengan kecepatan 50 pb tiap detik. Sebelum melakukan  penyalinan, DNA harus dilepaskan dari nukleosom pada garpu replikasi sehingga gerakan garpu replikasi akan diperlambat menjadi sekitar 50 pb tiap detik.

5.      Replikasi DNA Yeast pada  Tahap Meiosis

Reproduksi seksual organisme bergantung pada sel khusus yang disebut meiosis untuk menghasilkan gamet yang materi genetiknya stengah dari jumlah kromosom induknya. Tahap pertama dari pembelahan sel meiosis adalah duplikasi kromosom, diikuti dengan pertukaran DNA antara kromosom homolog yang diwarisi dari kedua orang tua. Telah lama diketahui bahwa replikasi DNA terjadi lebih lambat di prameiosis sel daripada di sel mitosis, dan itu mengakibatkan penundaan yang disebabkan oleh struktur kromosom atau protein yang diperlukan untuk pertukaran DNA. Kami menunjukkan disini bahwa penundaan replikasi DNA pada ragi di atur secara terpisah dari pembentukan rekombinan kromosom. Untuk mencegah rekombinasi struktur di Replikasi DNA prameiosis, dan sel-sel replikasi DNA dapat memulai rekombinasi. Keterlambatan dalam replikasi DNA prameiosis dalam ragi mungkin dikarenakan kondisi kosong yang diperlukan untuk induksi meiosis dalam organisme ini. Pembelahan sel meiosis menghasilkan gamet haploid dari diploid dengan memisahkan salinan anakan dengan inangnya yang dicopy dari setiap kromosom. Disribusi yang baik dari kromosom homolog dalam meiosis difasilitasi pada sebagian banyak organisme dengan persilangan yang terbentuk selama rekombinasi kromosom homolog. Rekombinasi meiosis diatur secara hati-hati dari program DNA untai ganda  istirahat  fase S (DSBs) dan berlangsung tidak lama setelah replikasi DNA selama fase GAP yang panjang disebut profase meiosis.

Setiap formasi dan perbaikan DSBs meiosis menjadi persilangan rekombinan, membutuhkan pengaturan besar dari setiap kromosom meiosis menjadi lengkungan kromatin yang berasal dari pusat, sumbu. Prameiosis fase S (MeiS) lebih panjang dari pramitosis fase S (MitS) pada sebagian besar organisme. Pada genom eukariotik, replikasi DNA di inisisasi dari banyak di sepanjang kromosom, asal dari replikasi, yang kemungkinan pemanfaatan modulasi panjang fase S dalam situasi perkembangan yang berbeda. Pada ragi, awal potensial replikasi dipilih selama fase G1 dengan proses Mcm 2-7 yang dipisahkan oleh helicase secara spesifik sepanjang bagian kromosom.

Setelah masuk fase S, cyclin dependent kinase (CDK) dan Dbf4 dependent Cdc& kinase (DDK) memicu inisiasi  dari replikasi DNA dari subset potensial awal. Yang tersisa dari tidak aktif di awal secara pasif direplikasi oleh garpu yang ada didekatnya. Studi menegnai molekul DNA mengungkapkan bahwa ada waktu awal DNA bereplikasi selama fase S bervariasi secara substansial antara sel-sel, dan ada sedikit korelasi antara lokus yang jauh, menunjukkan awal aktivasi yang tidak terkoordinasi. Namun demikian, replikasi DNA menunjukkan fungsi probabilitas.

MeiS pada ragi diperkirakan berlangsung antara 1,5-3 kali dari MitS. Secara teoritis waktu yang lebih lama menyebabkan mengurangi efisiensi dari inisiasi replikasi DNA, mengurangi garpu replikasi atau kombinasi keduanya. Studi sebelumnya mengatakan bahwa panjang dari MeiS bukan karena perubahan, karena mayoritas awal dari inisiasi kromosom III dan IV inisiasi replikasi DNA selama keduanya MitS dan MeioS dalam ragi. Dalam ragi tidak ada pemisahan yang jelas dari MeiS dan awal profase, sintesis DNA terjadi bersamaan dengan pemuatan faktoer yang diperlukan untuk sumbu dan pembentukan DSB, dan keduanya memerlukan kinase pada siklus sel yang sama.

Untuk lebih memahami bagaimana pembelahan sel meiosis dini terkoordinasi, ditandai dengan kinetika dan persyaratan MeiS dan pembentukan sumbu genom dalam ragi. Pembelahan tertunda dan kurang efisien pada awal MeiS karena sel-selnya lebih sensitif terhadap nukleotida. Replikasi DNA tidak diatur kuat oleh atau terkait dengan struktur sumbu, ini menunjukkan bahwa replikasi DNA dan inisiasi rekombinasi homolog adalah kejadian terpisah, yang terkoordinasi berkontribusi pada pembentukan kromosom rekombinan meiosis.

6.      Kesimpulan

·         Titik awal replikasi pada khamir disebut sekuens yang bereplikasi secara otonom atau disebut Autonomously Replicating Sequence/ARS. Sekuens tersebut terdiri dari dua buah daerah yang mengikat protein berbeda yang membuat heliks ganda DNA menjadi tidak stabil. Daerah yang berikatan dengan kompleks multiprotein disebut kompleks pengenalan titik awal (Origin recognition Complex = ORC).

·         Enzim yang berperan pada replikasi adalah Helikase, DNA Polimerase III dan I, Primase, dan Ligase.

·         Proses replikasi terjadi pada fase pembelahan mitosis dan meiosis fase S

7.      Daftar Pustaka

Bielinsky, A.K., Gerbi, S.A. Where It All Starts: Eukariotic Origin of DNA Replication. Jounal of Cell Science. 114 (4) : 643-644.

Blitzblau, H.G., Chan, C.S., Hochwagen, A., Bell, S.P. 2012. Separation of DNA Replication from The Assembly of Brek-Competent Meotic Chromosoes. PloS Genetic. 8 : 1-2.

Murray, R.K., Granner, D.K., Mayes, P.A., Rodwell, V.W. 1995. Biokimia Harper Edisi ke 22. Penerbit Buku Kedokteran EGC. Jakarta: 439.

 

Gambar 1. Replikasi DNA

   

Gambar 2. Pembelahan Sel Pada Yeast.