Struktur Molekul Kromosom

Struktur Molekuler Kromosom Prokariot

Gambaran umum genom prokariot dapat diwakili oleh kromosom E. coli, yang merupakan gulungan DNA tunggal berbentuk sirkuler tertutup sepanjang 4,6 x 106 pb. Seperti telah dijelaskan pada Bab I, DNA tersebut dikemas di suatu tempat di dalam sel yang dinamakan nukleoid. Di tempat ini terdapat konsentrasi DNA yang sangat tinggi, mungkin mencapai 30 hingga 50 mg/ml, dan semua protein yang berhubungan dengan DNA seperti polimerase, represor, dan lain sebagainya.

Percobaan-percobaan yang memungkinkan isolasi DNA E. coli dari semua protein yang melekat padanya serta pengamatan melalui mikroskop elektron dapat menunjukkan satu tingkat organisasi nukleoid. Ternyata, DNA terdiri atas 50 hingga 100 domain atau kala (loop), yang ujung-ujungnya dipersatukan oleh suatu struktur yang diduga terdiri atas protein-protein terikat membran plasma (Gambar 3.1). Masing-masing kala tersebut berukuran lebih kurang 50 hingga 100 kb. Belum diketahui apakah kala bersifat statis atau dinamis, tetapi ada satu model yang menyebutkan bahwa DNA mungkin berputar-putar melalui struktur pemersatu yang ada di dasar kala tersebut.


...

Kromosom E. coli secara keseluruhan mengalami superkoiling negatif (berkebalikan dengan arah putaran heliks untai ganda DNA) meskipun ada bukti bahwa masing-masing domain dapat mengalami superkoiling secara independen. Bahkan, gambaran mikrograf elektron menunjukkan bahwa beberapa domain tidak mengalami superkoiling, mungkin karena salah satu untai DNAnya patah.

Protein-protein terikat membran plasma yang terdapat pada struktur pemersatu domain ada beberapa macam. Protein yang paling banyak dijumpai adalah HU, suatu protein dimerik (mempunyai dua subunit) yang bersifat basa dan H-NS (dulu disebut H1), suatu protein monomerik netral. Kedua-duanya mengikat DNA secara nonspesifik dalam arti tidak bergantung kepada sekuens tertentu, dan sering dikatakan sebagai protein mirip histon. Akibat pengikatan oleh kedua protein tersebut DNA menjadi kompak. Hal ini sangat penting bagi pengemasan DNA di dalam nukleoid dan stabilisasi superkoiling kromosom.

Struktur Molekuler Kromosom Eukariot

Berbeda dengan DNA prokariot yang berbentuk sirkuler tertutup, DNA eukariot merupakan molekul linier yang sangat panjang. Panjang DNA eukariot di dalam nukleus jauh melebihi ukuran nukleus itu sendiri. Oleh karenanya, agar dapat dikemas di dalam nukleus, DNA harus dimampatkan dengan suatu cara. Derajad pemampatan (kondensasi) DNA dinyatakan sebagai nisbah pengepakan (packing ratio)-nya, yaitu panjang molekul DNA dibagi dengan panjang pengepakannya. Sebagai contoh, kromosom manusia yang terpendek, yaitu kromosom nomor 21, berisi 4,6 x 107 pb DNA (sekitar 10 kali ukuran genom E. coli). Ukuran DNA kromosom ini setara dengan panjang 14.000 μm jika DNA ditarik lurus. Pada kondisi yang paling mampat, yaitu selama mitosis, kromosom tersebut panjangnya hanya sekitar 2 μm. Angka ini memberikan nisbah pengepakan sebesar 7.000 (14.000/2).

Untuk mencapai nisbah pengepakan totalnya, DNA tidak langsung dikemas ke dalam struktur terakhirnya (kromatin). Pengemasan DNA dilakukan melalui sejumlah tingkatan organisasi kromosom. Tingkatan yang pertama diperoleh ketika DNA melilit-lilit di sekeliling sumbu protein sehingga menghasilkan struktur seperti manik-manik yang disebut nukleosom. Pada tingkatan ini terdapat nisbah pengepakan sebesar 6. Tingkatan yang kedua adalah pemutaran sejumlah nukleosom membentuk struktur heliks yang disebut serabut 30 nm. Struktur serabut 30 nm dijumpai baik pada kromatin interfase maupun pada kromosom mitosis. Dengan struktur ini nisbah pengepakan DNA meningkat menjadi sekitar 40. Pengemasan terakhir terjadi ketika serabut 30 nm tersusun dalam sejumlah kala, struktur tangga, dan domain, yang memberikan nisbah pengepakan tertinggi sebesar lebih kurang 1.000 pada kromatin interfase dan 10.000 pada kromosom mitosis.

Kromosom eukariot terdiri atas suatu kompleks DNA-protein yang tersusun sangat kompak sehingga memungkinkan DNA yang ukurannya begitu panjang tersimpan di dalam nukleus. Istilah bagi struktur dasar kromosom adalah kromatin, sedangkan satuan dasar kromatin adalah nukleosom. Dengan demikian, kromatin merupakan satuan analisis kromosom yang menggambarkan struktur umum kromosom.

Nukleosom

Nukleosom dijumpai pada semua kromosom eukariot. Telah dikatakan di atas bahwa nukleosom merupakan struktur yang paling sederhana dalam pengemasan DNA eukariot. Pengemasan terjadi dengan cara pelilitan DNA di sekeliling sumbu nukleosom, yang merupakan oktamer protein basa berukuran kecil dan disebut histon sumbu. Protein histon sumbu ini bersifat basa atau bermuatan positif karena banyak mengandung asam amino arginin dan lisin.

Ada empat macam histon sumbu yang menyusun sumbu nukleosom, yaitu H2A, H2B, H3, dan H4. Keempat macam histon ini berada dalam bentuk oktamer karena masing-masing terdiri atas dua molekul. Selain itu, ada satu macam histon lagi, yaitu H1, yang letaknya bukan di sumbu nukleosom, melainkan di bagian tepi nukleosom. Dengan adanya molekul H1 ini, ukuran nukleosom menjadi lebih besar 20 pb dan biasanya disebut dengan kromatosom.


Setiap untai DNA sepanjang 146 pb mengelilingi satu sumbu nukleosom, sementara bagian-bagian DNA lainnya menjadi penghubung (linker) antara satu sumbu nukleosom dan sumbu nukleosom berikutnya. Pelilitan DNA di sekeliling sumbu nukleosom berlangsung dengan arah ke kiri atau terjadi superkoiling negatif. Pelilitan terjadi demikian kuat karena DNA bermuatan negatif, sedangkan histon sumbu bermuatan positif.


Gambar 3.2. Struktur skematik nukleosom dan kromatosom

Serabut 30 nm

Telah dikatakan di atas bahwa terbentuknya rangkaian heliks nukleosom secara keseluruhan terlihat sebagai serabut dengan diameter 30 nm yang dikenal sebagai serabut 30 nm (Gambar 3.3). Keberadaan histon H1 berfungsi menstabilkan struktur serabut 30 nm. Hal ini didukung oleh bukti percobaan bahwa penghilangan histon tersebut dari kromatin ternyata tidak dapat mempertahankan struktur serabut 30 nm meskipun struktur nukleosomnya tetap dipertahankan.

Hasil studi menggunakan mikroskop elektron menunjukkan bahwa nukleosom-nukleosom di dalam serabut 30 nm membentuk heliks yang berputar ke arah kiri dengan jumlah nukleosom sebanyak enam buah tiap putaran. Meskipun demikian, organisasi struktur serabut 30 nm yang tepat sebenarnya masih berupa suatu perkiraan.

Struktur kromatin yang tertinggi

Organisasi kromatin pada tingkatan yang paling tinggi nampak agak menyerupai struktur DNA prokariot. Hasil pengamatan menggunakan mikroskop elektron terhadap kromosom eukariot yang telah dibersihkan dari protein-protein histonnya memperlihatkan gambaran struktur domain (kala) seperti pada kromosom prokariot (Gambar 3.1). Bahkan, ukuran tiap kalanya pun lebih kurang sama, yaitu hingga sekitar 100 kb. Meskipun demikian, pada kromosom eukariot terdapat lebih banyak kala.

Kala-kala tersebut dipersatukan oleh kompleks protein yang dinamakan matriks nuklear. DNA di dalam kala berada dalam bentuk serabut 30 nm, dan kala-kala tersebut membentuk susunan yang membentang sekitar 300 nm (Gambar 3.4).

Gambar 3.3. Struktur skematik serabut 30 nm


Gambar 3.4. Organisasi serabut 30 nm ke dalam domain kromosom

Kromosom mitosis

Gambaran fisik kromosom eukariot yang dapat kita lihat dengan jelas adalah ketika kromosom mengalami kondisi yang paling mampat pada tahap mitosis, khususnya metafase. Pada waktu kromosom-kromosom hasil replikasi ditarik ke dua kutub yang berlawanan, DNA kromosom yang mempunyai nisbah aksial sangat tinggi (sangat tipis memanjang) seharusnya akan terpotong-potong oleh kekuatan penarikan tersebut. Namun, tidaklah demikian kenyataannya. Hal ini karena, seperti telah disinggung di atas, DNA kromosom eukariot telah mencapai nibah pengepakan yang paling tinggi.


Gambar 3.5. Struktur kromosom mitosis


Sentromir

Sentromir merupakan daerah pada kromosom eukariot yang mengalami penyempitan dan menjadi tempat bersatunya dua kromatid kembar (kromosom hasil replikasi) pada saat metafase. Di dalam sentromir terjadi perakitan kinetokor, suatu kompleks protein yang berikatan dengan mikrotubulus dari benang spindel. Mikrotubulus akan bekerja memisahkan kromatid kembar pada anafase. Oleh karena itu, dengan adanya sentromir, segregasi kromatid kembar ke masing-masing kutub sel dapat berlangsung dengan tepat.

DNA pada sentromir khamir diketahui hanya terdiri atas suatu sekuens pendek (88 pb) yang kaya akan AT dan diapit oleh dua sekuens konservatif (selalu tetap) yang sangat pendek. Sementara itu, DNA pada sentromir mamalia berupa sekuens yang agak lebih panjang dan diapit oleh sejumlah besar sekuens repetitif (berulang) yang disebut dengan DNA satelit.

Telomir

Telomir adalah ujung kromosom eukariot yang sekaligus juga merupakan ujung molekul DNA. Sebuah telomir terdiri atas beratus-ratus salinan (copy) sekuens pendek repetitif yang disintesis oleh enzim telomerase dengan mekanisme yang tidak bergantung kepada replikasi DNA biasa. Pada manusia, misalnya, sekuens ini berupa 5’-TTAGGG-3’.

DNA telomerik membentuk struktur sekunder tertentu, yang fungsinya untuk melindungi ujung kromosom dari degradasi. Sintesis DNA telomerik yang bersifat independen dari replikasi DNA lainnya akan mengimbangi terjadinya pemendekan kromosom secara bertahap. Pemendekan itu sendiri terjadi karena ketidakmampuan replikasi biasa untuk menyintesis bagian yang paling ujung pada suatu molekul DNA linier.

Kromosom interfase

Pada waktu interfase, gen-gen di dalam kromosom mengalami transkripsi. Demikian pula, replikasi DNA berlangsung. Selama kurun waktu tersebut, yang merupakan bagian terbesar di antara tahapan-tahapan daur sel, kromosom mempunyai struktur yang sangat baur dan tidak dapat dilihat satu demi satu. Meskipun demikian, diyakini bahwa kala-kala kromosomal seperti pada Gambar 3.4. tetap ada dan terikat pada matriks nuklear.

Heterokromatin

Bagian kromatin yang selama interfase tetap nampak sangat kompak meskipun tidak sekompak ketika metafase dinamakan heterokromatin. Jika diamati di bawah mikroskop, heterokromatin terlihat sebagai daerah yang gelap di bagian tepi nukleus. Dewasa ini telah diketahui bahwa heterokromatin berisi sejumlah sekuens repetitif yang secara genetik tidak aktif atau tidak banyak mengalami transkripsi. Diyakini bahwa kebanyakan heterokromatin terdiri atas DNA satelit yang letaknya berdekatan dengan sentromir. Meskipun demikian, dalam kasus tertentu seluruh kromosom bisa saja berupa heterokromatin, misalnya salah satu dari dua kromosom X pada mamalia betina.

Eukromatin
Eukromatin adalah bagian kromatin yang berisi sekuens-sekuens nonrepetitif (tunggal, tidak berulang) yang secara genetik sangat aktif atau banyak mengalami transkripsi. Kenampakannya tidak sejelas heterokromatin. Meskipun demikian, eukromatin tidaklah homogen sempurna. Masih banyak juga daerah-daerah yang secara genetik relatif inaktif. Hanya sekitar 10% di antaranya merupakan daerah dengan gen-gen yang sedang dan akan ditranskripsi. Di daerah semacam ini serabut 30 nm mengalami disosiasi menjadi struktur seperti tasbih. Bahkan, beberapa bagian di antaranya kehilangan nukleosom. Diduga hal ini dimaksudkan untuk memudahkan pengikatan faktor-faktor transkripsi dan protein lainnya.

Sensitivitas kromatin terhadap enzim DNase I, yang memotong tulang punggung molekul DNA kecuali jika DNA tersebut terlindungi oleh protein yang terikat padanya, telah digunakan untuk memetakan daerah-daerah yang aktif mengalami transkripsi. Daerah-daerah pendek yang hipersensitif terhadap DNase I dianggap menggambarkan daerah yang serabut 30 nm-nya diselingi oleh pengikatan suatu protein regulator tertentu sehingga memperlihatkan DNA yang tebuka dan mudah diserang oleh DNase I. Sementara itu, daerah sensitif yang lebih panjang menggambarkan sekuens-sekuens yang mengalami transkripsi. Daerah-daerah tersebut bevariasi di antara jenis sel yang berbeda, sesuai dengan tempat gen yang akan diekspresikan pada sel tertentu.

Suatu modifikasi kimia penting yang diduga terlibat dalam sinyal pengemasan kromosom di tempat gen-gen yang diekspresikan pada sel-sel mamalia adalah metilasi atom C ke 5 pada basa sitosin (C) dengan sekuens 5’-CG-3’, yang biasa dikenal sebagai metilasi CpG. Keberadaan CpG biasanya relatif jarang karena 5-metil sitosin secara spontan akan mengalami deaminasi menjadi timin. Metilasi CpG berkaitan dengan daerah-daerah kromatin yang tidak aktif mengalami transkripsi. Akan tetapi, ada daerah sepanjang lebih kurang 2 kb yang dinamakan kepulauan CpG, yang berisi CpG yang tidak mengalami metilasi dan ternyata sensitif terhadap DNase I. Kepulauan CpG menjadi tempat pengikatan promoter gen-gen yang akan ditranskripsi.


Gambar 3.6. Eukromatin

Kompleksitas Genom Eukariot

Genom organisme eukariot dapat mengandung jumlah DNA lebih dari 1000 kali jumlah yang ada pada genom prokariot seperti E. coli. Akan tetapi, banyaknya protein pada eukariot, misalnya manusia, tidaklah 1000 kali jumlah protein pada E. coli. Dengan demikian, dapat dipastikan bahwa tidak semua sekuens DNA eukariot menyandi pembentukan protein. Sekuens DNA eukariot yang tidak menyandi sintesis protein ini dinamakan intron.

Intron akan menginterupsi daerah penyandi protein (coding sequence) di dalam gen-gen eukariot sehingga sekuens gen-gen tersebut dapat mencakup panjang beberapa kilobasa tetapi tidak semuanya merupakan coding sequence. Hingga sekarang fungsi intron, kalau pun ada, tidak diketahui. Hal yang pasti adalah bahwa kebanyakan intron terdiri atas sejumlah pengulangan salinan beberapa macam sekuens yang serupa atau sama. Salinan sekuens tersebut dapat dijumpai berurutan (tandemly repeated) seperti pada DNA satelit yang ada di dekat sentromir, atau tersebar (interspersed) di sepanjang genom, misalnya pada elemen Alu pada genom manusia.


Kecepatan renaturasi atau kinetika reasosiasi sampel DNA kromosom digambarkan sebagai kurva yang dikenal sebagai kurva Cot. Pemberian nama ini berkaitan dengan variabel-variabel yang dihubungkan. Sumbu X memetakan variabel yang merupakan hasil kali konsentrasi DNA awal (Co) dengan waktu yang dibutuhkan untuk renaturasi (t). Sementara itu, sumbu Y memetakan banyaknya fragmen DNA yang masih tetap berupa untai tunggal (f).

Kurva Cot untuk DNA kromosom manusia memperlihatkan adanya tiga fase, yaitu fase cepat, fase sedang, dan fase lambat. Fase cepat menunjukkan bahwa fragmen-fragmen untai tunggal membawa sekuens repetitif yang sangat banyak sehingga mudah sekali untuk mengalami renaturasi. Fase sedang menunjukkan bahwa fragmen-fragmen untai tunggal membawa sekuens repetitif dalam jumlah yang tidak terlalu besar sehingga kecepatan renaturasinya pun sedang-sedang saja. Fase lambat menunjukkan bahwa fragmen-fragmen untai tunggal sedikit sekali atau sama sekali tidak membawa sekuens repetitif sehingga sangat sulit untuk mengalami renaturasi. Dengan demikian, genom atau DNA kromosom manusia dapat dibagi dalam tiga daerah, yaitu daerah dengan banyak sekuens repetitif (highly repetitive DNA), daerah dengan beberapa sekuens repetitif (moderately repetitive DNA), dan daerah dengan sekuens unik atau tanpa sekuens repetitif. Sementara itu, genom prokariot, misalnya E. coli, hanya terdiri atas sekuens-sekuens unik