Bab 06 Organisasi Genom

Pokok Bahasan:I Organisasi Genom pada ProkaryotI Pengemasan D N A pada Sel ProkaryotI Organisasi Gen dalam G e n o m ProkaryotI Organisasi Genom pada EukaryotI Pengemasan D N A pada Sel EukaryotI Organisasi Gen dalam G e n o m EukaryotI Famili G e nI G e n HomeoboxI Organisasi G e n o m VirusSeperti telah dikemukakan sebelumnya, salah satu perbedaan fundamental antara jasad prokaryot dan eukaryot adalah pada organisasi bahan genetiknya.Pada kelompok prokaryot, umumnya hanya adasatu unit bahan genetik utamayang membawa semua informasi genetik yang diperlukan untuk kelangsunganp e r t u m b u h a n jasad tersebut. Meskipun demikian, a d a beberapa bukti yangmenunjukkan bahwa jasad prokaryot tertentu mempunyai lebih dari satu unitbahan genetik utama. Sebaliknya, pada kelompok eukaryot, bahan genetik utamaterdiri atas beberapa unit independen yang terpisah namun semua unit bahangenetik m e r u p a k a n satu kesatuan genom yang m e n e n t u k a n kelangsungan hidupjasad. Sebelum sistem organisasi g e n o m pada jasad dibahas lebih lanjut, perlud i p a h a m i t e r l e b i h d a h u l u p e r b e d a a n p e n g e r t i a n a n t a r a gen d e n g a n genom. Gena d a l a h unit molekul DNA atau RNA dengan panjang minimum tertentu yangmembawa informasi mengenai urutan asam amino yang lengkap suatu protein,atau yang menentukan struktur lengkap suatu molekul rRNA (RNA ribosom)atau tRNA ( t r a n s f e r R N A ) . G e n o m a d a l a h satu kesatuan gen yang secara alamidimiliki oleti satu sel atau virus, atau satu kesatuan kromosom jasad eukaryotdalam fase haploid. D e n g a n b a t a s a n s e m a c a m i n i m a k a d a p a t d i m e n g e r t i b a h w asepotong molekul D N Ayang tidak membawa informasi genetik yang lengkapt i d a k d a p a t d i s e b u t s e b a g a i g e n m e l a i n k a n h a n y a s e b a g a i fragmen DNA. D e m i k i a njuga, satu k r o m o s o m suatu jasad yang mempunyai lebih dari satu k r o m o s o mjuga tidak dapat disebut sebagai g e n o m jasad tersebut.

76 Biologi Molel<ularDefinisi Pada beberapa jasad, t e r u t a m a pada k e l o m p o k prokaryot,seringkali dijumpaiplasmid bahan genetik tambahan selain bahan genetik utamanya. Bahan genetik tambahan/ e k s t r a s e m a c a m ini secara u m u m disebut sebagai plasmid. D a l a m keadaan n o r - mal, kehadiran plasmid pada u m u m n y a tidak diperlukan oleh sel. Jika sel jasad tersebut m e m b a w a plasmid, maka g e n o m jasad tersebut meliputi satu kesatuan gen yang ada pada bahan genetik utamanya d a ng e nyang ada pada plasmid tersebut. Meskipun demikian, batasan semacam inidapat diargumentasi sebab plasmid dapat masuk k e dalam sel secara alami atau secara artifislal di dalam laboratorium. Oleh karena itu, batasan genom pada prokaryot u m u m n y a hanya meliputi bahan genetik utamanya, kecuali kalau \"bahan genetik tambahan\" tersebut merupakan bagian yang secara genetis tak terpisahkan dari sel tersebut. Sebagai c o n t o h , y a n g d i m a k s u d d e n g a n g e n o m b a k t e r i Escherichia coli a d a l a h s e m u a g e n yang ada pada satu unit bahan genetik utamanya (\"kromosom\"), yang tersusun atas 4 , 6x 1 0* bp (bose po/rs/pasangan basa) D N A . Sebaliknya, pada beberapa p r o k a r y o t , m i s a l n y a Pseudomonas s p . d a n Rhizobium s p . , d i k e t a h u i a d a u n i t b a h a n g e n e t i k y a n g s e r i n g k a l i d i a n g g a p s e b a g a i p l a s m i d r a k s a s a (giant plasmid) yang secara genetis merupakan bahan genetik yang vital u n t u k jasad tersebut. S e b a g a i c o n t o h , Pseudomonas s p . d i k e t a h u i m e m p u n y a i p l a s m i d m e t a b o l i k ( p l a s - m i d C A M ) y a n g b e r u k u r a n 2 3 0 k b ( 1 k b = 1 kilo base pairs, s e r i b u p a s a n g a n basa). O l e h karena sifat genetisnya yang vital maka plasmid raksasa semacam itu dianggap merupakan bagian g e n o m jasad tersebut. Pada jasad eukaryot, selain bahan genetik utama yang ada di dalam inti sel, yang disebut sebagai kromosom, juga dijumpai bahan genetik lain yang terletak dl dalam organel yang lain, misalnya m o l e k u l D N A pada m i t o k o n d r i a dan kloroplas (pada t u m b u h a n hijau). O l e h karena itu, pada jasad semacam ini yang dimaksud dengan g e n o m adalah semua unit g e n yang ada pada k r o m o s o m dalam fase haploid, termasuk g e nyang adapada bahan genetik ekstra baik yang ada dl mitokondria maupun kloroplas.Organisasi Genom pada Prokaryot Bahan genetik utama ( \" k r o m o s o m \" ) jasad p r o k a r y o t pada u m u m n y a terdiri atas s a t u u n i t m o l e k u l D N A u n t a i - g a n d a (double-stranded) d e n g a n s t r u k t u r l i n g k a r (circular). O l e h k a r e n a i t u , j a s a d p r o k a r y o t b e r s i f a t m o n o p l o i d k a r e n a h a n y a a d a s a t u b a h a n g e n e t i k u t a m a . P a d a b a k t e r i Escherichia coli, b a h a n g e n e t i k u t a m a n y a terdiri atas sekitar 4.600 k b (4,6 x 1 0^ bp). Bahan genetik pada jasad p r o k a r y o t tidak d i k e m a s d i d a l a m s u a t u s t r u k t u r y a n g j e l a s k a r e n a p a d a s e l p r o k a r y o t tidak terdapat inti sel (nukleus). H a l i n i b e r b e d a d e n g a n b a h a n g e n e t i k u t a m a j a s a d eukaryot yang terdapat dl dalam struktur nukleus. Bahan genetik utama jasad prokaryot diketahui terikat pada m e m b r a n selsebelah dalam yang diduga ber- peranan dalam proses pemisahan D N A pada w a k t u terjadi pembelahan sel. Oleh karena struktur bahan genetik utama jasad p r o k a r y o t berupa molekul lingkar, m o l e k u l t e r s e b u t tidak a d a b a g i a n u j u n g n y a .

Definisi B a b 6 O r g a n i s a s i G e n o m 77 plasmid Meskipun pada umumnya k r o m o s o m bakteri berupa molekul D N A dengan Plasmid struktur lingkar, namun diketahui ada beberapa bakteri yang struktur bahan\ artifislal g e n e t i k u t a m a n y a b e r u p a m o l e k u l D N A l i n e a r , m i s a l n y a p a d a b a k t e r i Borrelia burgdorferi d a n Streptomyces lividans. U j u n g m o l e k u l k r o m o s o m S. lividans diketahui berikatan secara kovalen dengan suatu protein. Protein diujung molekul k r o m o s o m semacam ini mempunyai fungsi yang sangat penting dalam proses inisiasi replikasi D N A . Selain itu juga diketahui a d abakteri yang m e m p u n y a i 2 m o l e k u l k r o m o s o m y a i t u b a k t e r i Rhodobacter sphaeroides. Selain bahan genetik utama, jasad p r o k a r y o t seringkali juga m e m p u n y a i bahan genetik tambahan yang disebut sebagai p l a s m i d . Plasmid pada prokaryot berupa molekul D N A untai-ganda dengan struktur lingkar. Pada u m u m n y a plas- mid tidak dibutuhkan oleh seluntuk pertumbuhan meskipun seringkali plasmid m e m b a w a gen-gen t e r t e n t u yang m e m b e r i k a n keuntungan tambahan bagi sel dalam keadaan tertentu, misalnya gen ketahanan terhadap antiblotik. Oleh karena i t u , d a l a m k e a d a a n n o r m a l p l a s m i d d a p a t d i h i l a n g k a n d e n g a n m e t o d e curing tanpa mengganggu pertumbuhan selnya. Ukuran plasmid sangat bervariasi tetapi pada u m u m n y a lebih kecil dari ukuran bahan genetik utama sel prokaryot. Sebagai c o n t o h , p l a s m i d C o l V - K 3 0 y a n g a d a d i d a l a m s e l £. coli h a n y a b e r u k u r a n s e k i t a r 2 k b , s e d a n g k a n p l a s m i d C A M y a n g a d a p a d a Pseudomonas s p b e r u k u r a n s e k i t a r 230 kb. Plasmid berada bebas didalam sitoplasma dan pada u m u m n y a bereplikasi secara independen dari replikasi bahan genetik utama jasad. Jumlah turunan (copy number) p l a s m i d d i d a l a m s a t u s e l j u g a b e r v a r i a s i d a r i 1 k o p i s a m p a i beberapa ratus kopi. Bahkan, plasmid tertentu, misalnya plasmid seri pUC, dapat d i p e r b a n y a k j u m l a h n y a d i d a l a m s e l £. coli s e h i n g g a d a p a t m e n c a p a i j u m l a h turunan sampai lebih dari seribu kopi per sel. Pada dasarnya plasmid merupakan entitas genetik yang diketemukan secara alami di dalam selbeberapa kelompok prokaryot dan eukaryot. Dengan teknik rekayasa genetik, sekarang telah dapat dikembangkan plasmid artifislal dengan cara menggabungkan gen-gen dari beberapa plasmid alami maupun dari genom jasad tertentu. Salah satu c o n t o h plasmid artifislal adalah plasmid seri p U C , misalnya p U C 1 8 dan p U C 19.Pengemasan D N A pada Sel Prokaryot Jika direntangkan sebagai molekul linear, maka molekul D N A utama pada prokaryot mempunyai ukuran yang lebih panjang dibandingkan dengan ukuran selnya i t u s e n d i r i . S e b a g a i c o n t o h , p a n j a n g m o l e k u l D N A u t a m a p a d a £. coli a d a l a h s e k i t a r 1,2 m m sedangkan ukuran selnya sendiri kurang dari 1 m m . Dengan demikian ada mekanisme tertentu untuk mengemas molekul D N A tersebut sehingga dapat m a s u k d i d a l a m s e l y a n g u k u r a n n y a j a u h l e b i h k e c i l . P a d a £. coli d i k e t a h u i b a h w a mekanisme pengemasan dilakukan dengan membuat molekul D N A tersebut t e r k o n d e n s a s i m e m b e n t u k r a n g k a i a n ' b u t i r a n ' (beads) s e p e r t i t a s b i h ( G a m b a r 6.1). Setiap butiran tersusun atas molekul D N A dalam keadaan berpilin

7 8 Biologi Molekular (supercoiled) y a n g b e r i k a t a n d e n g a n s u a t u p r o t e i n (DNA-binding protein) d a n molekul-molekul poliamin. Diameter setiap butiran adalah sekitar 12 n m . Dalam setiap butiran adasekitar 2 0 0 - 2 5 0 bp D N A . Budran satu dengan butiran yang lain dipisahkan oleh molekul D N A yang tidak berikatan dengan molekul protein m a u p u n p o l i a m i n , y a n g d i s e b u t s e b a g a i D N A penghubung (linker DNA). R a n g k a i a n b u t i r a n t e r s e b u t k e m u d i a n m e m b e n t u k s t r u k t u r l e n g k u n g (loop) s e h i n g g a m o l e k u l D N A yang panjang tersebut dapat dikemas dalam struktur yang kompak. Kromosom bakteri Kromosom bakteri Kromosom bakteri dalam bentuk lingkar d a l a m b e n t u k b e r l i p a t (folded) d a l a m b e n t u k supercoiled G a m b a r 6.1 k S t r u k t u r k r o m o s o m b a k t e r i Escherichia coli d a l a m sel.Organisasi Gen dalam Genom Prokaryot Strulctur gen G e n o m jasad p r o k a r y o t tersusun atas banyak unit gen. Secara u m u m s t r u k t u r\ pada bakteri lengkap g e n pada bakteri terdiri atas tiga bagian u t a m a yaitu: ( 1 ) promoter, ( 2 ) bagian strul<tural (coding region), d a n ( 3 ) t e r m i n a t o r . P r o m o t e r a d a l a hPerbedaan bagian gen yang berfungsi sebagai pengatur proses ekspresi genetik (transkripsi)organisasi gen bagian struktural. Bagian iniadalah bagian yang akan dikenali pertama kali olehp r o k a r y o t dan R N A polimerase dan protein regulator sebelum proses transkripsi (sintesis R N A ) d i m u l a i . Bagian strul<tural a d a l a h bagian g e n y a n g m e m b a w a k o d e - k o d e g e n e t i k\ Kelompok \ yang akan ditranskripsi dan kemudian ditranslasl (dalam hal gen yang m e n g k o d e\ utama ^ protein) atau hanya ditranskripsi saja (dalam hal gen yang m e n g k o d e r R N A dan I organisasi gen t R N A ) . Bagian terminator adalah bagian g e n yang berperanan dalam proses/ eukaryot penghentian transkripsi. Salah satu perbedaan utama antara organisasi g e n pada p r o k a r y o t dengan eukaryot adalah bahwa bagiar strukturalgen p r o k a r y o t (bakteri) tidak mengandung intron ( b e r a s a l d a r i k a t a intervening sequences). Intron a d a l a h s e k u e n s n u k l e o t i d a yang tidak akan ditemukan \"terjemahannya\" di dalam rangkaian asam amino protein yang dikode oleh suatu gen. Intron akan ditranskripsi tetapi kemudian mengalami pemotongan sehingga tidak akan mengalami translasi. Sekuens n u k l e o t i d a yang akan d i t e r j e m a h k a n disebut sebagai ekson (exon, berasal dari k a t a expressed). P a d a g e n o m e u b a k t e r i , d i k e t a h u i t i d a k a d a i n t r o n , t e t a p i p a d a genom arkhaebakterl tertentu diketahui terdapat intron. Pada jasad p r o k a r y o t diketahui ada tiga k e l o m p o k utama organisasi g e n y a i t u : ( 1 ) gen independen, ( 2 ) unit transkripsi, ( 3 ) kelompok gen (gene duster).

Bab B Organisasi Genom 7 9 dan (4) operon. Gen independen adalah gen yang ekspresinya tidak t e r g a n t u n g pada ekspresi gen lain sehingga gen tersebut akan diekspresikan terus-menerus ( d i s e b u t sebagai ekspresi konstitutif) s e l a m a s e l n y a m a s i h t u m b u h . Unit transkripsi adalah sekelompok gen yang secara fisik terletak berdekatan dan diekspresikan bersama-sama karena produk ekspresi gen-gen tersebut diperlukan dalam suatu rangkaian proses fisiologi yang sama. C o n t o h unit transkripsi adalah rangkaian g e n y a n g m e n g k o d e r R N A dan t R N A . Kelompok gen adalah b e b e r a p a gen y a n g secara fisik terletak pada lokus yang berdekatan dan produk ekspresi gen-gen tersebut diperlukan dalam rangkaian proses fisiologi yang sama, meskipun masing- masing gen tersebut dikendalikan secara independen, misalnya kelompok gen y a n g b e r p e r a n a n d a l a m p r o s e s p e n a m b a t a n n i t r o g e n p a d a b a k t e r i Rhizobium s p . Operon adalah sekelompok (gen) struktural yang terletak berdekatan d a n e k s p r e s i n y a d i k e n d a l i k a n o l e h satu promoter yang sama. M a s i n g - m a s i n g b a g i a n struktural tersebut mengkode protein yang berbeda tetapi protein-protein tersebut diperlukan untuk rangkaian proses metabolisme yang sama. Sebagai c o n t o h , o p e r o n lac t e r d i r i a t a s t i g a b a g i a n s t r u k t u r a l u t a m a y a i t u lacZ, lacY, d a n lacA. B a g i a n lacZ m e n g k o d e r a n g k a i a n a s a m - a s a m a m i n o e n z i m P - g a l a k t o s i d a s e , lacY m e n g k o d e s i n t e s i s e n z i m p e r m e a s e , s e d a n g k a n lacA m e n g k o d e e n z i m transasetilase. Ketiga enzim tersebut diperlukan dalam proses metabolisme laktosa p a d a b a k t e r i £. coli. O p e r o n m e r u p a k a n s a l a h s a t u c i r i k h a s o r g a n i s a s i g e n p a d a prokaryot. Sistem operon tidak diketemukan di dalam organisasi g e n pada eukaryot. Dengan adanya sistem o p e r o n maka m R N A hasll transkripsi g e n p r o k a r y o t bersifat polisistronik k a r e n a s a t u m o l e k u l m R N A m e n g k o d e lebih dari satu protein.Contoh Soal 1. Jelaskan perbedaan antara istilah g e n dengan g e n o m . Jawaban: G e n adalah unit molekul D N A atau R N A dengan panjang m i n i m u m tertentu yang membawa informasi mengenai urutan asam amino yang lengkap suatu protein, atau yang menentukan s t r u k t u r l e n g k a p s u a t u m o l e k u l r R N A ( R N A r i b o s o m ) a t a u t R N A (transfer RNA). G e n o m adalah satu kesatuan gen yang secara alami dimiliki oleh satu sel atau virus, atau satu kesatuan k r o m o s o m jasad eukaryot dalam fase haploid. 2. Sebutkan bagian-bagian utama suatu gen jasad p r o k a r y o t dan eukaryot dan fungslnya. Jawaban: Bagian-bagian utama gen jasad prokaryot dan eukaryot adalah: (1) promoter, (2) bagian struktural (coding region), d a n ( 3 ) t e r m i n a t o r . B a g i a n s t r u k t u r a l a d a l a h b a g i a n y a n g m e n g k o d e s e s u a t u , misalnya urutan asam amino suatu protein, p r o m o t e r adalah bagian yang mengatur proses awal ekspresi gen, sedangkan terminator bagian gen yang berfungsi menghentikan proses ekspresi (transkripsi) suatu gen.

8 0 Biologi IVlolel<ular Organisasi Genom pada Eukaryot G e n o m eukaryot mempunyai organisasi yang lebih kompleks dibandingkan dengan genom prokaryot. Molekul D N Autama pada eukaryot berupa molekul untai- ganda dengan struktur linear. Ukuran genom eukaryot, khususnya eukaryot tingkat tinggi, jauh lebih besar dibandingkan dengan ukuran genom prokaryot. Bahan genetik utama jasad eukaryot terletak di dalam inti sel (nukleus) d a n dikemas sedemikian rupa membentuk struktur yang disebut k r o m o s o m . Jumlah k r o m o s o m pada kelompok jasad eukaryot sangat bervariasi, mulai dari dua buah p a d a k h a m i r Schizosaccharomyces pombe, s a m p a i m e n c a p a i 2 5 0 b u a h p a d a s e j e n i s k e p i t i n g {hermit crab). S e l a i n k r o m o s o m , b e b e r a p a s e l e u k a r y o t j u g a m e m p u n y a i D N A dl luar k r o m o s o m yaitu D N A pada mitokondria dan pada kloroplas (pada sel t u m b u h a n hijau). Bebei-apa sel e u k a r y o t juga m e m p u n y a i D N A plasmid, m i s a l n y a Saccharomyces cerevisiae m e m p u n y a i p l a s m i d a l a m i y a n g d i s e b u t p l a s - mid 2 |xm. D N A mitokondria dan pada kloroplas berupa molekul D N A lingkar dan replikasinya berlangsung secara independen, tidak tergantung pada replikasi k r o m o s o m . Organisasi gen pada mitokondria lebih mirip organisasi g e n pada bakteri sehingga diduga mitokondria merupakan jasad prokaryot endosimbion yang dalam proses evolusi berkembang menjadi bagian struktur sel eukaryot seperti yang dikenal sekarang. Pengemasan D N A pada Sel Eukaryot Seperti halnya pada prokaryot, ukuran molekul D N A yang menyusun k r o m o s o m eukaryot jauh lebih panjang dibandingkan ukuran selnya. Sebagai contoh, jika molekul D N A k r o m o s o m pada satu selmanusia disambung secara linear maka dapat mencapai panjang sekitar 1,74 m sedangkan ukuran sel manusia hanya beberapa mikron. K r o m o s o m sel manusia mempunyai kandungan nukleotida yang berkisar antara 4 8 juta pasangan basa (pada k r o m o s o m autosom terkecil, yaitu k r o m o s o m 2 1 d a n 2 2 ) sampai sekitar 2 4 0juta pasangan basa pada k r o m o s o m terbesar, yaitu k r o m o s o m 1 , 2,dan 3. Oleh karena itu, D N A utama pada sel e u k a r y o t dikemas dengan sistem yang sangat efisien dan kompak. D N A pada sel e u k a r y o t dikemas dengan menggunakan protein h i s t o n yang terdiri atas l i m a m a c a m y a i t u H I , H 2 A , H 2 B , H 3 , d a n H 4 . P a d a k h a m i r Saccharomyces cerevisiae t i d a k t e r d a p a t h i s t o n H I . P r o t e i n h i s t o n d i g u n a k a n u n t u k m e n g g u l u n g molekul D N A . Sekitar 200 bp D N A digulung pada satu kompleks histon yang tersusun atas masing-masing dua molekul H2A, H2B, H3, H4, dan satu molekul H I . Satu kompleks D N A d a n protein histon semacam ini disebut sebagai n u k l e o s o m . Histon H 3dan H 4tersusun sedemikian rupa membentuk tetramer, sedangkan dua histon H 2 A terletak pada bagian tengah-atas partikel nukleosom dan histon H 2 B terletak di bagian tengah-bawah. Fungsi histon H I adalah untuk \"mengunci\" D N Adalam struktur nukleosom tersebut. Pembentukan struktur nukleosom menyebabkan kondensasi atau pengemasan D N A menjadi enam kali

Bab 6 Organisasi Genom 8 1lebih kompak. Secara skematis, pengemasan D N A pada eukaryot disajikan padaGambar 6.2. Struktur kromosom pada metafase D N A dikemas dalam histon membentuk solenoidG a m b a r 6.2 I S k e m a p e n g e m a s a n D N A p a d a jasad eukaryot. K r o m o s o m p a d ametafase m e m p u n y a i b e n t u k y a n g k h a s seperti terlihat p a d a panel b a g i a n atas.Jika diuraikan m a k a k r o m o s o m eukaryot sebenarnya berupa molekul D N A lineary a n g sangat panjang d a n d i k e m a s d e n g a n m e n g g u n a k a nprotein histon. Dalam satu kompleks histon tersebut D N A digulung kurang lebih dua kali.Antara n u k l e o s o m satu dengan n u k l e o s o m yang lain dihubungkan oleh molekulD N A yang tidak berikatan dengan histon sehingga disebut sebagai DNAp e n g h u b u n g {linker DNA) y a n g p a n j a n g n y a b e r k i s a r a n t a r a 8 - 1 1 4 p a s a n g a nbasa. Bagian D N A penghubung tersebut dapat dipotong dengan menggunakannuklease. Ikatan antara D N A dengan histon dapat dipisahkan menggunakan larutangaram dengan konsentrasi tinggi. Pada w a k t u gen sedang aktif ditranskripsikanatau pada saat terjadi replikasi D N A , D N A nukleosom akan menjadi lebih sensitifterhadap nuklease. Hal ini memberikan indikasi bahwa pada saat terjadi transkripsidan replikasi ada proses penguraian struktur nukleosom. Rangkaian nukleosomm e m b e n t u k struktur yang disebut sebagai k r o m a t i n . K r o m a t i n merupakan suatukompleks yang terdiri atas D N A , protein, dan R N A (kurang dari 1 0%). MolekulR N A yang ada pada k r o m a t i n sebenarnya merupakan bagian produk ekspresigen-gen yang ada pada k r o m o s o m .

Pada aras struktur yang lebih tinggi kromatin m e m b e n t u k struktur m e -n y e r u p a i solenoid yang m e r u p a k a n s t r u k t u r pilinan n u k l e o s o m . S t r u k t u r sole-noid terkondensasi secara kompak m e m b e n t u k struktur khas k r o m o s o m yangdapat diamati pada saat sel berada pada metafase. Pembentukan solenoidmeningkatkan derajat kondensasi D N A menjadi 4 0kali, artinya setiap satu m i k r o -meter struktur solenoid mengandung 4 0 j i mD N A . Pembentukan solenoidmemerlukan histonH I . S t r u k t u r solenoid selanjutnya dirapatkan lagi dengan m e m b e n t u k pilinansolenoid. Pilinan solenoid meningkatkan derajat pengemasan menjadi 1.000 kailpada saat interfase dan menjadi 1 0.000 kali pada w a k t u k r o m o s o m berada padaf a s e m i t o t i k . P i l i n a n s o l e n o i d y a n g m e m b e n t u k radial loop m e n y e b a b k a nk r o m o s o m yang ukurannya jauh lebih panjang dari sel dapat dikemas dalamvolume sel yang kecil. Selain protein histon, D N A juga berikatan dengan protein nonhiston yangdiperlukan u n t u k replikasi D N A , ekspresi gen, sebagai protein regulator maupunprotein yang digunakan untuk menstabllkan struktur k r o m o s o m . Pada metafase struktur k r o m o s o m dapat diamati dengan menggunakanmikroskop cahaya dengan teknik pengecatan menggunakan cat Giemsa. Strukturk r o m o s o m yang terlihat dapat dibedakan menjadi beberapa bagian yaitu:( 1 ) lengan kromosom, (2) sentromer, dan (3) telomer. Lengan k r o m o s o mt e r d i r i a t a s d u a b a g i a n y a i t u p a r m (petite arm, l e n g a n p e n d e k ) d a n q a r m (longarm, l e n g a n p a n j a n g ) . L e n g a n k r o m o s o m a d a l a h b a g i a n k r o m o s o m y a n gmengandung rangkaian gen, s e n t r o m e r adalah bagian tengah k r o m o s o m yangberfungsi dalam proses distribusi k r o m o s o m pada w a k t u terjadi pembelahan sel,sedangkan t e l o m e r adalah bagian ujung k r o m o s o m . Gambaran skematis strukturk r o m o s o m jasad e u k a r y o t dapat dilihat pada G a m b a r 6.3. S e n t r o m e r b e r i k a t a n d e n g a n s u a t u p r o t e i n y a n g d i s e b u t k i n e t o k o r (kineto-chore) y a n g b e r i k a t a n d e n g a n p r o t e i n y a n g d i s e b u t b e n a n g g e l e n d o n g (spindlefiber) y a n g m e n a r i k k r o m o s o m k e a r a h k u t u b - k u t u b s e l y a n g b e r l a w a n a n p a d awaktu terjadi proses pembelahan sel. U k u r a n panjang s e n t r o m e r sangat ber-variasi antara jasad satu dengan jasad yang lain, misalnya s e n t r o m e r padak h a m i r Saccharomyces cerevisiae b e r u k u r a n s e k i t a r b e b e r a p a r a t u s p a s a n g a nbasa, sedangkan s e n t r o m e r pada k r o m o s o m manusia b e r u k u r a n antara 3 0 0sampai 5.000 kbp. Telomer adalah bagian ujung k r o m o s o m . Kedua untaian D N A pada bagiant e l o m e r mempunyai panjang yang tidak sama sehingga salah satu untaianmembentuk struktur yang runcing karena berupa molekul untai-tunggal. Urutannukleotida pada t e l o m e r berupa urutan berulang yang berukuran pendek, misalnyatelomer pada k r o m o s o m manusia berupa ulangan urutan nukleotida T T A G G G .Replikasi D N A pada bagian t e l o m e r melibatkan suatu enzim khusus yang disebuttelomerase. Aktivitas e n z i m t e l o m e r a s e diketahui t e r d a p a t pada sel-sel m e t a s t a t i ktetapi tidak ditemukan pada sel-sel somatik yang normal. Pada selyang normal,ujung telomer akan semakin m e m e n d e k seiring semakin bertambahnya u m u rjasad.

Bab 8 Organisasi Genom 83 Telomer Lengan pendek kromosom (p a r m ) Sentromer Lengan panjang kromosom {q a r m ) »• T e l o m e rI I Sister chromatidG a m b a r 6.3I G a m b a r a n s k e m a t i s k r o m o s o m p a d a j a s a d e u k a r y o t . G a m b a r a n d iatas adalah pada saat metafase. K r o m o s o m dapat dicat dengan menggunakan cat Giemsa. Dengan pengecatansemacam ini maka dapat diamati ada perbedaan dalam hal pengikatannya terhadapcat tersebut pada bagian-bagian tertentu. Bagian k r o m o s o m yang tidak terlalurapat pengemasannya mengikat lebih sedikit catGiemsa dan bagian ini disebuteukromatin. E u k r o m a t i n m e n g a n d u n g gen-gen yang ekspresinya diperlukan u n t u kp e m e l i h a r a a n a k t i v i t a s n o r m a l f i s i o l o g i s s e l , y a n g d i s e b u t j u g a s e b a g a i house-keep/ng genes, misalnya untuk produksi energi selular. Selain itu,gen-gen tersebutjuga tersusun atas gen-gen yang diekspresikan secara spesifik pada jaringan tertentu{tissue-specific genes), m i s a l n y a p a d a s e l - s e l s a r a f . Bagian k r o m o s o m yang lebih rapat mengikat catGiemsa lebih banyak d a nbagian ini disebut sebagai heterokromatin. H e t e r o k r o m a t i ndibedakan menjadid u a m a c a m , y a i t u h e t e r o k r o m a t i n konstitutif d a n fakultatif Heterokromatinkonstitutif t e r d i r i atas u r u t a n n u k l e o t i d a s e d e r h a n a b e r u l a n g , t i d a k m e n g a n d u n gg e n , d a n t i d a k p e r n a h d i t r a n s k r i p s i k a n . Heterokromatin fakultatif pada d a s a r n y amerupakan e u k r o m a t i n yang tidak aktif pada tahapan perkembangan sel tertentu.Pada jasad tingkat tinggi, k r o m o s o m dibedakan atas k r o m o s o m non-seks yangdisebut autosom dan k r o m o s o m seks y a i t u k r o m o s o m X dan Y.

Organisasi Gen dalam Genom Eukaryot Seperti halnya pada prokaryot, organisasi dasar gen pada eukaryot juga terdiri atas tiga bagian utama yaitu p r o m o t e r , bagian g e nstruktural, dan terminator. Perbedaan mendasar organisasi gen prokaryot dan eukaryot terutama terletak pada bagian s t r u k t u r a l n y a , y a i t u adanya intron pada sebagian besar gen e u k a r y o t tingkat tinggi. Pada mamalia, sebagian besar gen mengandung intron, sedangkan p a d a e u k a r y o t t i n g k a t r e n d a h Saccharomyces cerevisiae h a n y a s e b a g i a n k e c i l g e n yang mengandung Intron. Ukuran geneukaryot bervariasi dari beberapa ratus pasangan basa (misalnya gen insulin manusia) sampai lebih dari satu juta pasangan b a s a ( m i s a l n y a g e n Duchene muscular dystrophy d a n n e u r o f i b r o m a t o s i s p a d a manusia). Pada umumnya satu gen eukaryot hanya mengandung informasi untuk satu macam polipeptida atau R N A tertentu. Meskipun demikian telah diketemukan juga adanya fenomena gen di dalam gen, misalnya gen untuk Faktor VIII hemofilla dan neurofibromatosis mengandung urutan nukleotida u n t u k gen lain. Infomasi genetik pada eukaryot dapat terletak pada kedua untaian ganda D N A , artinya masing-masing untaian D N A dapat berfungsi sebagai bagian yang m e n g k o d e s e s u a t u {coding region) m a u p u n y a n g t i d a k m e m b a w a i n f o r m a s i g e n e t i k {non<oding region). G e n p a d a j a s a d e u k a r y o t d a p a t d i k e l o m p o k k a n m e n j a d i t i g a kelas, yaitu: G e n K e l a s I, y a i t u g e n - g e n y a n g m e n g k o d e p e m b e n t u k a n r R N A 5 , 8 S , rRNA IBS, d a n r R N A 28S. Ketiga molekul r R N A tersebut digunakan dalam pembentukan ribosom.Tiga l<elas G e n Kelas II, y a i t u g e n - g e n y a n g m e n g k o d e s i n t e s i s s e m u a m o l e k u l p r o t e i n .gen p a d a Gen-gen tersebut terlebih dahulu akan disalin (ditranskripsi) menjadi molekuleukaryot m R N A , selanjutnya m R N A akan ditranslasl menjadi rangkaian asam amino yang menyusun suatu protein. Gen Kelas III, y a i t u g e n - g e n y a n g m e n g k o d e p e m b e n t u k a n m o l e k u l t R N A d a n r R N A 5S. Molekul t R N A digunakan untuk m e m b a w a asam amino yang akan disambungkan menjadi molekul protein dalam proses translasi. Seperti telah disebutkan sebelumnya, sebagian besar bagian struktural suatu gen pada e u k a r y o t tingkat tinggi t e r s u s u n atas ekson (bagian yang m e n g k o d e a s a m - a s a m a m i n o ) d a nintron (bagian y a n g t i d a k akan d i t e r j e m a h k a n m e n j a d i urutan asam amino). Mekipun demikian, tidak semua gen pada eukaryot ter- interupsi oleh intron, misalnya gen yang mengkode protein histon, interferon, d a n g e n zein ( p a d a j a g u n g ) . J u m l a h d a n u k u r a n i n t r o n p a d a s u a t u g e n s a n g a t b e r v a r i a s i , m i s a l n y a g e n t R N A ^ ' \" ' p a d a Saccharomyces cerevisiae h a n y a m e n g a n d u n g s a t u i n t r o n y a n g t e r d i r i a t a s 1 4 b p , s e d a n g k a n g e n thyroglobulin pada manusia mengandung lebih dari 4 0 intron yang ukuran totalnya sekitar 100.000 bp. Pada w a k t u g e n ditranskripsikan, sebenarnya bagian intron juga akan d i - transkripsikan tetapi selanjutnya akan dipotong dari transkrip ( m R N A ) primer.

Bab 6 Organisasi Genom 8 5Selanjutnya hanya ekson-ekson saja yang akan disambungkan menjadi m R N Ay a n g m a t a n g (mature mRNA). T r a n s k r i p y a n g s u d a h m a t a n g k e m u d i a n d i t r a n s l a s l(diterjemahkan) menjadi urutan asam-asam amino. Beberapa hal utama yangmerupakan ciri u m u m pada semua gen yang terlnterupsi (mengandung intron)adalah:1. U r u t a n bagian-bagian gen yang terlnterupsidalam g e n o m adalah sama dengan urutan pada p r o d u k R N Ahasil transkripsi.2. G e n yang terlnterupsi m e m p u n y a i s t r u k t u r yang sama pada semua jaringan, baik terekspresikan maupun tidak.3. Intron dalam gen-gen inti sel pada u m u m n y a m e m p u n y a i k o d o n t e r m i n a s i d a l a m s e m u a k e r a n g k a b a c a (reading frame). Semua gen yang ada dalam inti sel dapat mengalami interupsi, yaitu baik genyang mengkode protein, yang mengkode rRNA, maupun yang mengkode t R N A .Interupsi oleh adanya intron juga ditemukan dalam gen-gen mitokondria dalameukaryot tingkat rendah, maupun dalam gen-gen kloroplas. Interupsi gen olehintron bahkan juga ada dalam g e n arkhaebakterl dan suatu bakteriofag yangm e n y e r a n g b a k t e r i £. coli. S e b a l i k n y a , d a l a m g e n o m e u b a k t e r i t i d a k d i t e m u k a nsama sekali adanya Intron. Dalam hal gen yang mengkode m R N A , ekson-eksonyang terletak di bagian ujung (5' dan 3') mengandung bagian g e n yang tidakditranslasikan. Gen-gen yang mempunyai hubungan evolusioner juga menunjukkan hubunganorganisasi, khususnya dalam hal posisi beberapa intron yang selalu tetap. Variasiukuran gen terutama ditentukan oleh panjang intron. Gen yang berukuran sangatpanjang disebabkan oleh Intron yang berukuran sangat panjang, bukan oleh karenaukuran eksonnya. Hal semacam Ini nampak, misalnya, dalam organisasi gen yangmengkode globin dan dihidrofolatreduktase (DHFR). Gen yang mengkode globinyang aktif pada jasad yang berbeda, misalnya mamalia, burung, dan katak, menunjuk-kan adanya interupsi oleh intron pada posisi yang homolog. G e n globin terdiriatas tiga ekson dan dua intron. Intron yang pertama biasanya berukuran pendek,sedangkan intron kedua biasanya lebih panjang meskipun ukurannya bervariasiantarjasad yang berbeda. Sebagian besar variasi ukuran total gen globin disebabkanoleh variasi pada intron kedua. Hal yang serupa juga nampak dalam hal organisasigen D H F R yang tersusun atas 6 ekson yang setara dengan 2.000 basa m R N A .Ukuran total gen D H F R jauh lebih panjang karena adanya intron yang berukuransangat panjang. Pada tiga macam mamalia yang berbeda, panjang ekson-eksontersebut sama, tetapi ukuran intronnya sangat bervariasi sehingga ukuran totalgen D H F R bervariasi dari 2 5 sampai 3 1 kb. Tabel 6.1 menunjukkan beberapacontoh ukuran beberapa gen pada beberapa jasad yang berbeda. S e l a i n i n t r o n y a n g t e r d a p a t di dalam b a g i a n s t r u k t u r a l s u a t u g e n , j u g a t e r d a p a tu r u t a n D N A y a n g t e r d a p a t di antara g e n y a n g s a t u d e n g a n g e n y a n g l a i n y a i t uyang disebut sebagai spocer D N A . Meskipun secara u m u m intron merupakanbagian yang tidak mengkode urutan asam amino namun ada beberapa perkecualian.

86 Biologi Molekular Tabel 6.1 1 U k u r a n b e b e r a p a g e n p a d a b e b e r a p a j a s a d h i d u p .Spesies Rata-rata Rata-rata panjang; Rata-rata panjang jumlah ekson gen (kb) mRNA (kb)S . cerevisiae 1 1,6 1,6Fungi 3 1,5 1,5 4 4,0 3,0Caenoriiabditis elegans 4 11,3 2,7 9 13,9 2,4D . melanogaster 7 16,6 2,2AyamMamalia(Sumber: Lewin, 1994.)S e b a g a i c o n t o h , g e n s i t o k r o m fa p a d a k h a m i r S. cerevisiae m e n g a n d u n g d u aintron (yaitu intron 1 2 dan 1 4 )yang urutan nukleotidanya mengkode enzimmaturase yang berfungsi dalam pemrosesan R N A . Ekson pada suatu g e n diketahui mengkode suatu bagian tertentu (yangdisebut sebagai domain) pada suatu p r o t e i n . Sebagai c o n t o h , gen yang m e n g k o d eantibodi dan hemoglobin mengandung beberapa ekson yang diketahui merupakandomain-domain speslfik protein-protein tersebut. Penyebaran ekson pada suatugen semacam inididuga mempunyai implikasi evolusioner yang sangat pentingkarena memungkinkan terjadinya rekombinasi antara unit-unit ekson sehinggaterbentuk protein dengan fungsi baru. I^eskipun demikian, unit-unit ekson se-m a c a m i n i j u g a d a p a t h i l a n g k a r e n a p r o s e s p e n y u s u n a n k e m b a l i (rearrangement)suatu genatau karena proses rekombinasi. P o l a penggabungan e k s o n (exon splicing) y a n g b e r b e d a d a r i s u a t u g e n d a p a tmenyebabkan terbentuknya protein yang berbeda. Sebagai contoh, g e n yangm e n g k o d e t r o p o n i n T p a d a t i k u s t e r d i r i a t a s l i m a e k s o n , y a i t u e k s o n W , X, a,p, d a n Z . P e n g g a b u n g a n e k s o n a a t a u P d e n g a n e k s o n - e k s o n y a n g l a i nm e n g h a s i l k a n v a r i a n t r o p o n i n a a t a u t r o p o n i n p. D e n g a n d e m i k i a n , s a t u u r u t a nD N A yang sama dapat digunakan untuk mengkode pembentukan protein yangberbeda. Pada eukaryot, sebagian besar gen yang mengkode protein hanya berupag e n t u n g g a l (single copy). M e s k i p u n d e m i k i a n , a d a b e b e r a p a p e r k e c u a l i a n , m i s a l n y agen yang mengkode t R N A dan r R N A yang terdapat dalam ribuan kopi. Gen-genyang mengkode r R N A pada manusia terdapat dalam suatu kelompokan padab a g i a n t e r t e n t u l i m a k r o m o s o m y a n g d i s e b u t s e b a g a i nucleolar organizer. B a g i a nini adalah t e m p a t t e r b e n t u k n y a nukleolus yang t e r b e n t u k pada v^^aktu t e r j a d itranskripsi gen-gen r R N A . Pada tanaman jagung, gen-gen r R N A terdapat dalamsuatu kelompokan pada satu k r o m o s o m yaitu k r o m o s o m 6.Tabel 6.2 memberikanbeberapa c o n t o h jumlah kopi gen r R N A dan t R N A pada beberapa jasad yangberbeda. Gen-gen t R N A juga terdapat dalam suatu kelompokan pada satu ataubeberapa kromosom. Dalam suatu kelompokan terdapat banyak kopi (multikopi)suatu gen t R N A yang sama atau beberapa gen t R N A yang berbeda. Pada manusia,terdapat kurang lebih 2.600 kopi gen t R N A dalam setiap sel diploid yang tersebardalam beberapa kromosom.

Bab 8 Organisasi Genom 8 7 Tabel 6.2I J u m l a h k o p i g e nr R N A d a n t R N A p a d a b e b e r a p a jasad h i d u p . Spesies G e n 18S/28S Gen 5S Gen tRNA £. coli 7 7 60 S . cerevisiae 140 140 250 X e n o p u s laevis 450 24.000 1.150 Manusia 280 1.000 1.300 (Sumber: Lewin, 1994.)Famili Gen Definisi f a m i i i ^ Telah diketahui bahwa beberapa gen yang mengkode suatu protein mempunyai gen pola urutan nukleotida yang mirip satu sama lain. K e l o m p o k gen semacam ini,\ Contoh gen y a n g d i s e b u t sebagai famili gen (multigen), diduga m e r u p a k a n k e l o m p o k g e n y a n g\ superfamili berasal dari gen nenek moyang yang sama. Gen-gen semacam ini dapat berada imunoglobulin dalam suatu kelompokan pada satu k r o m o s o m yang sama, atau tersebar di beberapa k r o m o s o m . Gen-gen yang merupakan satu famili pada u m u m n y a m e m - punyai urutan nukleotida yang mirip dan protein yang dikode mempunyai fungsi yang berkaitan erat atau serupa. Sebagai contoh, gen-gen yang mengkode enzim tripsin, khimotripsin, d a nelastase mempunyai urutan nukleotida yang mirip. Enzim-enzim tersebut mempunyai kemampuan yang serupa yaitu mampu me- m o t o n g ikatan peptida dan disintesis oleh sel-sel pankreas yang sama. Selain itu, juga diketahui ada beberapa protein yang dihasilkan oleh jasad yang berbeda tetapi mempunyai kemiripan struktur dan fungsi, misalnya papain dan aktinidin. Papain adalah enzim protease yang banyak diketemukan dalam daun pepaya, s e d a n g k a n a k t i n i d i n a d a l a h e n z i m p r o t e a s e y a n g a d a d a l a m b u a h k i w i (Actinidia chiriensis). K e d u a e n z i m t e r s e b u t m e m p u n y a i k e m i r i p a n s t r u k t u r a l y a n g s a n g a t besar. Di samping famili gen seperti yang dijelaskan diatas, juga ada k e l o m p o k gen y a n g m e r u p a k a n superfamili gen y a n g p r o d u k p r o t e i n n y a m e m p u n y a i h u b u n g a n yang erat. C o n t o h dari superfamili gen misalnya adalah g e nyang mengkode p r o t e i n h e m o g l o b i n d a n p r o t e i n - p r o t e i n s i s t e m k e k e b a l a n {immurie system). Gen-gen yang termasuk dalam superfamili imunoglobulin, misalnya yang mengkode: 1 . Major histocompatibility K e l a s I d a n I I ( b a g i a n p e n g e n a l a n ) d a n K e l a s I I I (komponen komplementer). 2. Lima kelas antibodi: IgG, IgM, IgA, IgD, dan IgE. 3. R e s e p t o r s e l T . 4. Reseptor poli-lg yang mengikat antibodi IgA dan m e m b a w a n y a melintasi sel- sel epitel. 5. M o l e k u l - m o l e k u l C D 4dan C D S yang masing-masing terdapat pada sel-sel T-helper d a n s e l - s e l T-suppressor. M o l e k u l - m o l e k u l t e r s e b u t b e r p e r a n a n dalam proses pengenalan pada saat awal terjadinya tanggapan kekebalan.

8 8 Biologi MolekularDefinisi Seringkali semua anggota suatu famili gen merupakan gen-gen yang fungsional,pseudogen namun beberapa famili gen juga mempunyai anggota yang bukan merupakan gen yang aktif karena tidak mengkode produk protein yang fungsional. Gen-gen yang tidak fungsional s e m a c a m ini disebut pseudogen. S u a t u p s e u d o g e n biasanya dl- s l m b o l k a n d e n g a n yr. B e b e r a p a p s e u d o g e n m e m p u n y a i s t r u k t u r g e n y a n g s e r u p a dengan gen yang fungsional, tetapi pseudogen tersebut menjadi tidak akdf karena adanya mutasi yang menghalangi proses ekspresinya. Pseudogen biasanya meng- alami mutasi delesi yang menyebabkan g e ntersebut tidak dapat diekspresikan. S e b a g a i c o n t o h a d a l a h p s e u d o g e n fff 1 p a d a k e l l n c i y a n g m e m p u n y a i s t r u k t u r yang mirip dengan g e n globin /37. Pseudogen ^ 1 tersebut mengalami delesi s e b a n y a k 2 0 b p y a n g m e n y e b a b k a n p e r g e s e r a n p o l a - b a c a {frame-shift) g e n s e h i n g g a t e r j a d i t e r m i n a s i t r a n s l a s i s e c a r a p r e m a t u r . P s e u d o g e n g l o b i n ijf 3 p a d a m e n c i t mempunyai struktur yang menarik karena tidak mengandung intron sehingga d i k a t a k a n s e b a g a i p s e u d o g e n y a n g t e r p r o s e s {processed pseudogene).G e n Homeobox Pada jasad eukaryot multiselular, ada sekelompok gen yang bertanggung jawabDefinisi gen dalam proses perkembangan dari satu sel menjadi indlvidu yang lengkap. K e l o m p o khon)eotil( g e n t e r s e b u t d i s e b u t gen homeotik. K a t a homeotik berasal d a r i bahasa Y u n a n I y a i t u homoio y a n g a r t i n y a \" s e r u p a \" . G e n - g e n h o m e o t i k m e n g k o d e p r o t e i n y a n g merupakan regulator dalam proses transkripsi yaitu dengan cara menempel pada b a g i a n l e k u k a n b e s a r {major groove) D N A . P a d a g e n o m Drosophila, g e n h o m e o t i k terdapat pada k r o m o s o m 3 yaitu dalam suatu kelompokan yang tersusun atas 2 5 0 . 0 0 0 b p . S a l a h s a t u k e l o m p o k a n g e n ( g e n e cluster) d i s e b u t s e b a g a i k o m p l e k s a n t e n n a p e d i a {ANT-C) yang berperanan dalam mengatur perkembangan kepala dan tiga bagian t o r a k s . K e l o m p o k a n g e n yang lain disebut sebagai kompleks bitoraks (BX-C) yang m e n g a t u r p e r k e m b a n g a n delapan bagian a b d o m i n a l d a n dua bagian toraks. Analisis urutan nukleotida gen-gen h o m e o t i k menunjukkan adanya urutan y a n g s a n g a t i d e n d k y a n g t e r d i r i a t a s T 8 0 b p . B a g i a n y a n g s e l a l u a d a (conserved) p a d a s e t i a p g e n h o m e o t i k t e r s e b u t d i s e b u t s e b a g a i homeobox yang mengkode 60 asam a m i n o yang m e n y u s u n homeodomain pada p r o t e i n regulator tersebut. Diketahui ada sekitar 4 0genyang mengandung urutan homeodomain. Lokus h o m e o t i k p a d a k e l o m p o k a n g e n 6 X - C d a n ANT-C s e r i n g d i s e b u t p u l a s e b a g a i g e n - g e n HOM-C. U r u t a n nukleodda h o m e o d o m a i n tersebut juga ditemukan pada gen-gen jasad lain yaitu fungi, khamir, amfibi, t u m b u h a n , dan manusia. Pada vertebrata, gen-gen homeotik terdapat dalam empat kelompokan yang disebut sebagai gen Hox. P a d a t i k u s , g e n - g e n h o m e o t i k t e r d a p a t p a d a k r o m o s o m 2 , 6 , 1 1 , dan 1 5,sedangkan pada manusia terdapat pada k r o m o s o m 2,7, 12,dan 1 7. Gen-gen h o m e o t i k pada katak dan mamalia diekspresikan pada tahap awal embrio- g e n e s i s , s e p e r t i a p a y a n g t e r j a d i p a d a Drosophila. H a l I n i m e m b e r i k a n d u g a a n b a h w a g e n - g e n y a n g m e n g a n d u n g homeobox b e r p e r a n a n d a l a m r e g u l a s i e m b i o - genesis pada banyak spesies.

Bab 8 Organisasi Genom 8 9Beda gen J i k a u r u t a n n u k l e o t i d a g e n homeobox p a d a m a m a l i a ( m i s a l n y a m e n c i t ) d i -homeobox b a n d i n g k a n d e n g a n g e n p a d a Drosophila, m a k a d a p a t d i l i h a t b a h w a g e n - g e nDrosophila dan t e r s e b u t m e m p u n y a i k e t e r k a i t a n . S e b a g a i c o n t o h , g e n HoxA4 d a n HoxB4 p a d amencit m a m a l i a m e m p u n y a i k e t e r k a i t a n d e n g a n g e n Dfd p a d a Drosophila. L o k u s p a d a s u a t u k e l o m p o k a n g e n s e r i n g d i s e b u t s e b a g a i p a r a l o g . C o n t o h n y a , g e n Hox4A dan Hox64 yang terletak dalam satu kelompokan merupakan paralog. Salah satu hal yang sangat menonjol dalam halorganisasi lokus Hox adalah bahwa posisi gen dalam genom mempunyai korelasi dengan ekspresi pada tingkat embrionik. Jika gen-gen dalam kelompokan Hox tersebut digambarkan dalam urutan dari kiri k ekanan, maka urutan tersebut akan sesuai dengan urutan ekspresinya pada e m b r i o dari arah anterior k e posterior (jika urutan anterior d a n posterior tersebut juga digambarkan dari kiri k e kanan). M e s k i p u n a d a k e s e r u p a a n a n t a r a g e n - g e n homeobox p a d a Drosophila d a n mencit, namun adabeberapa perbedaan di antara keduanya, yaitu: 1. Gen-gen Hox ukurannya lebih kecil, sebagai contoh kelompokan HoxB ber- ukuran sekitar 120 k b dan mengandung 9 gen. Kelompokan gen homeotik pada Drosophila b e r u k u r a n s e k i t a r 3 5 0 k b . 2 . P a d a Drosophila, m a s i n g - m a s i n g g e n b e r s i f a t u n i k , t e t a p i p a d a v e r t e b r a t a terjadi duplikasi yang menyebabkan kelompokan gen-gen ada dalam jumlah kopi lebih dari satu (multigen) yang menunjukkan pola ekspresi yang sangat mirip. Dengan demikian mutasi pada salah satu gen Hox, misalnya, dapat diminimalkan dengan adanya ekspresi gen yang serupa.Organisasi Genom VirusKelompok Virus adalah jasad parasit obligat yang hanya dapat melakukan perbanyakan (multi-virus plikasi) jika berada di dalam sistem biologis sel inang yang sesuai. Virus dapatberdasarkan dikelompokkan menjadi dua kelompok besar, yaitu virus yang inangnya berupainangnya jasad prokaryot (bakteri), sehingga disebut b a k t e r i o f a g , dan yang inangnya adalah sel eukaryot. Virus merupakan k e l o m p o k jasad yang g e n o m n y a sangat bervariasi, yaitu ada yang berupa D N A untai-tunggal, D N A untai-ganda, R N A untai-tunggal, atau R N A untai-ganda. Selain itu, genom virus ada yang berupa molekul asam nukleat linear atau m o l e k u l asam nukleat sirkular. Pada Tabel 6.3 disajikan beberapa tipe dan struktur asam nukleat virus. Beberapa virus tertentu mempunyai keunikan dalam halkomposisi asam n u k l e a t n y a . S e b a g a i c o n t o h , p a d a b a k t e r i o f a g T 4 ( d e n g a n s e l I n a n g £. coli) s e m u a b a s a c y t o s ; n e - n y a ( b a s a C ) t e r d a p a t d a l a m b e n t u k hydroxymethylcytosine ( H M C ) , y a i t u b a s a n u k l e o t i d a y a n g t i d a k t e r d a p a t p a d a b a k t e r i £ coli. B a s a H M C i n i mempunyai sifat-sifat ikatan hidrogen seperti halnya basa C sehingga tidak m e n g u b a h k o d e genetik. Selain itu, basa H M C i n im e m p u n y a i sisi reaktif yang dapat mengikat satu molekul glukosa. Keberadaan molekul glukosa tersebut menyebabkan molekul D N A bakteriofag menjadi resisten terhadap pemotongan

90 Biologi Molekular Tabel 6.3 i Beberapa tipe a s a m n u k l e a t p a d a virus. Tipe asam nukleat Struktur asam Contoh virus Sel inang D N A untai-tunggal Linear Manusia D N A untai-ganda Sirkular Parvovirus B a k t e r i E. coli Bakteriofag M13, R N A untai-tunggal Linear b a k t e r i o f a g (|)X174 E. coli R N A untai-ganda Sirkular Manusia Bakteriofag T4 Pseudomonas Linear Virus Epstein-Barr aeruginosa B A L - 3 1 Bakteriofag P M 2 Manusia Linear Polyomavirus E . coli Tanaman tembakau Bakteriofag M S 2 Tobacco M o s a i c P. phaseolica Virus Insekta B a k t e r i o f a g (|)6 (mengandung 3 molekul R N A ) CypovirusPermutasi oleh enzim endonuklease sel inangnya. Bakteriofag lain yang m e m p u n y a i keunikansiklis u r u t a n y a i t u b a k t e r i o f a g S P 0 1 y a n g s e l i n a n g n y a a d a l a h Bacillus subtilis. G e n o m b a k t e r i o f a gDNA tersebut berupa D N A untai-ganda, linear, tetapi basa thym/ne-nya (basaT) terdapatb a k t e r i o f a g T4 d a l a m b e n t u k hydroxYmetiiYluracll ( H M U ) . \ D N A g e n o m bakteriofag T 4 tersusun atas sekitar 1 66.000 pasangan basa, dengan panjang sekitar 5 5m m sedangkan ukuran partlkelnya hanya sekitar 0,06- 0,09 j i m , sehingga D N A - n y a mengalami pelipatan yang sangat intensif. Bagian u j u n g D N A b a k t e r i o f a g T 4 t e r d i r i a t a s u r u t a n b a s a y a n g b e r u l a n g (terminally redundant), s e h i n g g a k a l a u g e n - g e n n y a d i g a m b a r k a n d e n g a n s i m b o l m a k a d a p a t d i t u l i s k a n s e b a g a i b e r i k u t : A B C D .... Z A ' B ' C ' S t r u k t u r D N A y a n g s e m a c a m i n i menyebabkan molekul D N A yang ada pada setiap bakteriofag berbeda-beda, meskipun populasi bakteriofag tersebut berasal dari replikasi satu partikel bakterio- f a g . H a l i n i d i s e b a b k a n o l e h a d a n y a p e r m u t a s i s i k l i s (cyclically permutecf) u r u t a n D N A bakteriofag tersebut seperti digambarkan dalam skema sebagai berikut: a. U r u t a n D N A partikel b a k t e r i o f a g i n d u k ( d i sini hanya d i g a m b a r k a n d a l a m bentuk untai-tunggal, meskipun genomnya berupa molekul untai-ganda): 5'- A B C D E F G Z A B C -3' b. B e b e r a p a k e m u n g k i n a n u r u t a n D N A p a r t i k e l b a k t e r i o f a g t u r u n a n n y a : b.1 5'- A B C D Z A B C -3\" b.2 5 ' - C D E Z A B C D E -3' b.3 5 ' - E F G ZABCDEFG-3' Perlu diketahui bahwa permutasi siklis semacam inimerupakan ciri khas populasi partikel bakteriofag, s e d a n g k a n p e n g u l a n g a n u r u t a n b a s a D N A p a d a

Bab B Organisasi Genom 9 1u j u n g m e r u p a k a n c i r i k h a s m o l e k u l D N A bakteriofag individual. P e n g u l a n g a n b a s aD N A pada ujung dapat juga terjadi tanpa a d apermutasi siklis, tetapi permutasisiklis tanpa pengulangan basa D N A pada ujung belum pernah diketahui. Sampaisaat initelah ada 135 g e nyang terldentifikasi pada bakteriofag T4. Bakteriofag (t)X174 mempunyai genom berupa D N Auntai-tunggal, sirkular,yang terdiri atas 5.386 nukleotida yang urutan lengkapnya sudah diketahui.Bakteriofag ini mempunyai 1 1 gen. Berdasarkan atas banyaknya protein yangdiketahui, maka diestimasikan jumlah nukleotida yang diperlukan untuk mengkoderangkaian asam-asam amino tersebut melebihi jumlah nukleotida yang ada padagenom. Ketldaksesualan antara ukuran genom dengan banyaknya asam aminoyang disintesis tersebut disebabkan oleh adanya gen-gen yang tumpang-tindih(overlapping-genes). S e b a g a i c o n t o h , g e n B ( m e n g k o d e p e m b e n t u k a n p r e k u r s o rkapsid) terletak pada akhir g e n A (berperanan dalam replikasi D N A virus),sedangkan g e n E (berperanan dalam llsis sel inang) t e r l e t a k pada akhir gen D(berperanan dalam pembentukan kapsid). Translasi gen K (tidak diketahui fungsl-nya) dimulai pada suatu daerah yang tumpang-tindih dengan kodon terminatorgen B dan terentang sepanjang 8 6 basa nukleotida pada bagian akhir gen A d a n89 basa pertama pada gen C (berperanan dalam pembentukan D N A virus yang\"matang\"). G e n yang tumpang tindih semacam ini ditranslasl dengan menggunakanp o l a b a c a (reading frame) y a n g b e r b e d a . S k e m a o r g a n i s a s i g e n y a n g t u m p a n gtindih semacam inidapat dilihat pada Gambar 6.4. Bakteriofag lain yang sudah diketahui urutan lengkap basa nukleotidanyaa d a l a h b a k t e r i o f a g X y a n g m e n y e r a n g b a k t e r i £. coli. G e n o m b a k t e r i o f a g X b e r u p a GF Gen E Gen J r 89 90 12 Lys Glu S T O P Met S e r 12wA T G A G T JL I m ( 11 1 Met V a l Met S e r I TAATGTCTA 12 f l r1 T GI A A) GLG A GTG AT G V V wG T T T A T G G T A T J LT \"J LT Val T y r G l y 59 6 0 6 1 Glu G l y V a l M e t S T O P 149 150 151152 J Gen DG a m b a r 6 . 4 t S k e m a g e n - g e n y a n g t u m p a n g t i n d i h ( o v e r l a p p i n g genes). Gen-geny a n g t u m p a n g t i n d i h s e m a c a m i n i t e r d a p a t p a d a b a k t e r i o f a g (|)X174.

9 2 Biologi MolekularSiklus hidup D N A untai-ganda linear yang terdiri atas 48.514 bp dan mengkode 4 6 gen.bakteriofag Molekul D N A bakteriofag ini mempunyai struktur yang unik karena pada kedua ujungnya terdapat 1 2 basa tambahan berupa molekul D N A untai-tunggal. Kedua ujung molekul D N A tersebut dapat m e m b e n t u k ikatan k o m p l e m e n t e r jika terjadi pelingkaran D N A , sehingga ujung-ujung D N Atersebut disebut sebagai u j u n g \ k o h e s i f (cohesive ends, d i s i n g k a t c o s ) . B a k t e r i o f a g i n i m e m p u n y a i d u a s i k l u s hidup, yaitu siklus M t i k ( m e n y e b a b k a n llsis sel inang) dan siklus l i s o g e n i k ( g e n o m bakteriofag akan terintegrasi dengan genom sel inang). Gen-gen yang dikode oleh g e n o m bakteriofag ini tidak semuanya berperanan dalam proses lltlk (gen- gen yang tidak esensial). Uraian di atas memberikan gambaran bahwa struktur dan organisasi g e n o m p a d a j a s a d h i d u p s a n g a t b e r v a r i a s i . S e c a r a u m u m d a p a t d i k a t a k a n b a h w a semaiiin sederhana suatu jasad, maka semakin efisien organisasi genomnya. V i r u s y a n g merupakan jasad paling sederhana m e n u n j u k k a n organisasi g e n o m yang paling efisien, sedangkan jasad eukaryot tingkat tinggi yang merupakan jasad hidup p a l i n g k o m p l e k s m e m p u n y a i o r g a n i s a s i g e n o m y a n g p a l i n g t i d a k e f i s i e n (redun- dant). H a l i n i s e k a l i g u s m e n u n j u k k a n s e c a r a t i d a k l a n g s u n g b a h w a s e l a m a p r o s e s e v o l u s i j a s a d s e l a m a j u t a a n t a h u n t e l a h t e r j a d i p r o s e s defungsionalisasi sebagian genom y a n g m e r u p a k a n b a g i a n d a r i s e l e k s i a l a m . P r o s e s d e f u n g s i o n a l i s a s i s e b a g i a n g e n o m tersebut nampaknya telah mengarahkan perkembangan jasad hidup sehingga dapat mencapai struktur dan organisasi sistem biologis yang relatif paling stabil seperti yang dapat dikenali dewasa ini. F e n o m e n a lain yang sangat menarik dalam hal organisasi g e n o m adalah sistem pengemasan bahan genetik yang sangat efisien pada setiap jasad hidup. Meskipun ukuran bahan genetiknya jauh lebih panjang dibanding ukuran sel atau ukuran partikelnya (dalam hubungannya dengan virus), namun bahan genetik tersebut dapat dikemas sedemikian rupa sehingga hanya menempati sebagian kecll ruang dl dalam sel atau partikel virus. Soal-soal1. jelaskan perbedaan sistem pengemasan genom pada prokaryot dan eukaryot.2 Jelaskan perbedaan organisasi genom prokaryot dengan eukaryot.3. Jelaskan p e n g e l o m p o k a n gen pada jasad e u k a r y o t . Jelaskan pula p e r b e d a a n n y a d e n g a n y a n g ada pada prokaryot.4. Sebutkan beberapa tipe asam nukleat pada virus dan berikan contoh virusnya.