DNA REPAIR

Pemeliharaan integritas informasi di dalam molekul DNA sangat penting bagi

kelangsungan hidup spesies. Jadi dapat disimpulkan bahwa spesies yang

bertahan hidup berhasil mekanisme untuk memperbaiki kerusakan DNA-nya

yang terjadi akibat kesalahan replikasi atau gangguan dari lingkungan.

DNA bukanlah substansi yang lemah, telah dilengkapi dengan mekanisme

tertentu yang mampu menetralisasi “gangguan-gangguan” yang terjadi

sehingga tidak membawa efek negatif. Mekanisme yang dimiliki DNA

tersebut adalah mekanisme DNA repair (perbaikan DNA) yang terjadi pada

fase tertentu dalam siklus sel.

Pada fase G1 (Gap 1) terdapat check point yaitu suatu tempat dimana

susunan DNA akan dikoreksi dengan seteliti-telitinya. Apabila ada kesalahan,

sel mempunyai dua pilihan :

Pertama, kesalahan tersebut diperbaiki dengan cara mengaktifkan DNA

repair.

Namun, apabila kesalahan yang ada sudah tidak mampu lagi ditanggulangi,

sel memutuskan untuk mengambil pilihan kedua yaitu “dimatikan” daripada

hidup membawa pengaruh buruk bagi lingkungan sekelilingnya. Saat itulah

keputusan untuk berapoptosis diambil. Sel dengan DNA normal akan

meneruskan perjalanan untuk melengkapi siklus yang tersisa yaitu S

(Sintesis), G2 (Gap 2) dan M (Mitosis).

Kerusakan DNA akibat bahan kimia, fisik, dan lingkungan diklasifikasikan

menjadi empat tipe, yaitu:

I. Perubahan satu basa

A. Depurinasi

B. Deaminasi sitosin menjadi uraasil

C. Deaminasi adenine menjadi hipoxantin

D. Alkilasi basa

E. Insersi atau delesi nukleotida

F. Penyertaan analog basa

II. Perubahan dua basa

A. Dimmer antartimin (pirimidin) yang diinduksi oleh sinar UV

B. Ikatan silang agen pengalkil bifungsional

III. Pemutusan rantai

A. Radiasi pengionan

B. Disintegrasi elemen rangka (tulang punggung) oleh

radioaktivitas

C. Pembentukan radikal bebas oksidatif

IV. Ikatan silang

A. Antara basa di untai yang sama atau berlawanan

B. Antara DNA dan molekul protein (mis. Histon)

MEKANISME PERBAIKAN DNA

Region abnormal DNA, baik karena kesalahan penyalinan atau kerusakan

DNA, diganti melalui empat mekanisme, yaitu:

1. Mismatch repair (perbaikan ketidakcocokan)

2. Base excision repair (perbaikan dengan memotong basa)

3. Nucleotide excision repair (perbaikan dengan

mengeluarkan/memotong nukleotida)

4. Double strand break repair (perbaikan kerusakan untai ganda)

Tabel. Mekanisme perbaikan DNA

Mekanisme Masalah Solusi

Mismatch repair

(perbaikan

ketidakcocokan)

Kesalahan penyalinan

(lengkung tak

berpasangan dengan

dua sampai lima basa

atau satu basa)

Pemotongan untai

yang diarahkan oleh

metal, pencernaan oleh

eksonuklease, dan

penggantian

Base excision repair

(perbaikan dengan

memotong basa)

Kerusakan satu basa

yang timbul spontan

akibat bahan kimia atau

radiasi

Pengeluaran basa oleh

N-glikosilase,

pengeluaran gula

tanpa basa,

penggantianNucleotide excision

repair

(perbaikan dengan

memotong

nukleotida)

Kerusakan suatu

segmen DNA secara

spontan akibat bahan

kimia atau radiasi

Pengeluaran oligomer

sekitar 30 nukleotida

dan penggantian

Double strand

break repair

(perbaikan

kerusakan untai

ganda)

Radiasi pengionan,

kemoterapi, radikal

bebas oksidatif

Sinapsis, penguraian,

penyusunan, dan ligasi.

1. Mismatch repair (Perbaikan yang tidak berpasangan/ketidakcocokan)

Mismatch repair memperbaiki kesalahan yang dibuat ketika DNA

disalin. Contohnya, C dapat terselip berhadapan dengan A, atau

polymerase dapat “tergelincir” atau “tersendat” dan menyisipkan dua

sampai lima basa tambahan yang tidak berpasangan. Protein-protein

yang spesifik memindai DNA yang baru dibentuk menggunakan

metilasi adenine di dalam sekuens GATC sebagai titik referensi. Untai

cetakan mengalami metilasi, dan untai yang baru dibentuk tidak

demikian. Perbedaan ini tidak memungkinkan enzim perbaikan

mengidentifikasi untai yang mengandung kesalahan nukleotida dan

memerlukan pergantian. Jika ditemukan ketidakcocokan atau lengkung

kecil, suatu GATC endonuklease memotong untai yang mengandung

mutasi di tempat yang berkorespondensi dengan GATC. Suatu

eksonuklease kemudianmencerna untai ini dari GATC dan melalui

mutasi sehingga DNA yang cacat tersebut dapat dibuang. Hal ini dapat

berlangsung dari kedua ujung jika cacat tersebut diapit oleh dua

tempat GATC. Cacat ini kemudian di isi oleh enzim sel normal sesuai

aturan pembentukan pasangan basa.

Untuk memperbaiki basa yang tidak berpasangan harus diketahui

pasangan basa mana yang salah. Pada E. coli, ini dapat diketahui oleh

methylase yang disebut dengan "Dam methylase", dimana dapat

memetilasi adenines yang terdapat pada urutan (5')GATC . Segera

sesudah replikasi DNA, template strand dimetilasi, tetapi strand yang

baru disintesa belum dimetilasi. Jadi antara template strand dan new

strand akan berbeda. Pada E. coli, diperlukan tiga protein (Mut S, Mut

C, dan Mut H) untuk mengenali mutasi dan memotong untai. Enzim

lain di dalam sel, termasuk ligase, plimerase, dan SSB mengeluarkan

dan mengganti untai.

Dimulai dengan berikatannya protein MutS pada mismatched base

pairs. Kemudian MutL mengaktifkan MutH untuk bergabung bersama

pada urutan GATC. MutH akan membelah strand yang tidak dimetilasi

pada tempat GATC . Selanjutnya, segment dari tempat pembelahan

akan dibuang oleh enzim exonuclease (dengan bantuan enzim helicase

II dan SSB proteins).

Bila pembelahannya pada bagian 3' dari kerusakan, akan dipotong

oleh enzim exonuclease I dan bila pada bagian 5' oleh enzim

exonuclease VII atau RecJ untuk mendegradasi single tranded DNA.

Kekosongannya akan diisi dengan bantuan enzim DNA polymerase III

dan DNA ligase.

Jarak antara tempat GATC dengan kerusakan bisa mencapai sepanjang

1,000 base pairs .

Gambar. Mismatch repair DNA.

Mekanisme ini memperbaiki

kesalahan pembentukan satu

pasangan basa (mis. C dengan

A, bukannya T dengan A) atau

sepotong pendek DNA yang

tidak berpasangan. Bagian yang

cacat dikenali oleh suatu

endonuklease yang melakukan

pemotongan untai-tunggal di

sekuens GATC termetilasi. Untai

DNA dikeluarkan melalui mutasi,

diganti, lalu disambung kembali.

2. Base excision repair (Perbaikan dengan memotong Basa)

Depurinasi DNA, yang terjadi secara spontan karena labilitas termal

ikatan N-gglikosida purin, terjadi dengan kecepatan 5.000-

10.000/sel/hari pada suhu 370 C. enzim-enzim spesifik mengenali

bagian yang mengalami depurinasi dan menggantikannya dengan

purin yang secara langsung, tanpa interupsi pada tulang punggung

phospodiester.

Basa sitosin, adenine, dan guanine di DNA secara spontan membentuk,

masing-masing, urasil, hipoxantin, xantin. Karena tidak ada satupun

dari ketiga basa tersebut yang terdapat di DNA pada keadaan normal,

tidaklah mengherankan jika N-glikosilase spesifik dapat mengenali

basa-basa abnormal ini yang mengeluarkan sendiri basa dari DNA.

Pengeluaran ini menandai letak kecacatan dan memungkinkan

endonuklase apurinik atau apirimidinik memotong gula tanpa basa.

Basa yang sesuai kemudian memotong gula tanpa basa ini. Basa yang

sesuai kemudian dipasang oleh DNA polymerase, dan ligase

memperbalikkan DNA ke keadaannya semula. Rangkaian kejadian ini

disebut base excision repair (perbaikan dengan memotong basa).

Dengan rangkaian langka serupa yang mula-mula melibatkan defek,

basa teralkilasi dan analog basa dapat dikeluarkan dari DNA dan DNA

dipulihkan kebentuknya semula. Mekanisme ini cocok untuk

menggantikan basa tunggal, tetapi tidak efektif untuk mengganti

region DNA yang rusak.

Basa-basa DNA dapat dirusak melalui deamination atau alkylation.

Tempat kerusakan basa tersebut disebut dengan "abasic site" atau

"AP site". Pada E.coli, enzim DNA glycosylase dapat mengenal AP site

dan membuang basanya. Kemudian AP endonuclease membuang AP

site dan nucleotida sekitarnya. Kekosongan akan diisi dengan

bantuan DNA polymerase I dan DNA ligase.

Gambar. Base Excison-repair DNA, enzim urasil DNA glikosilasil membuang

urasil yang terbentuk dari deaminasi spontan sitosin di DNA. Suatu

endonuklease memotong kerangka utama untai di dekat defek; lalu setelah

endonuklease mengeluarkan beberapa basa, defek tersebut diisi melalui

kerja polimerasi dan untai tersebut kembali dihubungkan oleh suatu ligase.

3. Nucleotide excision repair (perbaikan dengan memotong

nukleotida)

Mekanisme ini digunakan untuk menggantikan suatu regio DNA

dengan panjang30 bp yang mengalami kerusakan. Penyebab umum

kerusakan DNA semacam ini adalah sinar ultraviolet (UV), yang

memicu pembentukan dimmer antarpirimidin siklobutan, dan merokok,

yang menyebabkan pembentukan adduct (addition product) benzo

[a]piren-guanin. Radiasi pengion, obat kemoterapi kanker, dan

berbagai bahan kimia yang terdapat dilingkungan yang dan dapat

menyebabkan modifikasi basa, putusnya untai, ikatan silang antara

basa di untai yang berhadapan atau DNA dan protein, dan berbagai

defek lain. Cacat-cacat ini diperbaiki oleh suatu proses yang disebut

perbaikan yang disebut eksisi nukleotida. Proses rumit, yang

melibatkan lebih banyak produk gen dibandingkan dengan dua tipe

perbaikan sebelumnya, pada dasar mencakup hidrolisis dua ikatan

phospodiester di untai yang mengandung kecacatan. Suatu nuclease

eksisi khusus (eksinuklease), yang terdiri dari paling sedikit tigan

subunit pada E. coli dan 16 polipeptida pada manusia, melaksanakan

tugas ini. Di sek eukariot, enzim-enzim memotong antara ikatan

phospodiester ketiga dan kelima 3’ dari lesi, dan dari sisi 5’ potongan

terletak di suatu tempat antara ikatan keduapuluh satu dan

keduapuluh lima. Karena itu, terjadi eksisi suatu fragmen DNA dengan

panjang 27-29 nukleotida. Untai yang dikeluarkan kemudian diganti,

juga pembentukan pasangan basa yang tepat, melalui kerja

polymerase lain yang belum diketahui (δ /ε pada manusia), dan

ujung-ujung untai disatukan dengan untai yang sudah ada oleh DNA

ligase.

Pada E. coli, protein UvrA, UvrB, dan UvrC berperan dalam membuang

nukleotida

( dimer akibat UV light). Kemudian kekosongan akan diisi dengan

bantuan enzim DNA polymerase I dan DNA ligase. Pada yeast,

proteins Uvr's dikenal dengan nama RADxx ("RAD" kependekan dari

"radiation"), seperti RAD3, RAD10, dan lain-lain.

Gambar. Perbaikan-eksisi nukleotida (nukleotida excision repair). Mekanisme

ini digunakan untuk memperbaiki defek besar DNA dan umumnya

melibatkan lebih banyak protein disbanding mismatch repair atau perbaikan

eksisi basa. Setelah kelainan dideteksi (ditandai oleh XXXX) dan DNA yang

mengandung kelainan tersebut diraikan/(unwinding), suatu nuclease eksisi

(eksinuklease) memotong DNA disebelah hulu dan hilir dari bagian yang

cacat. Celah ini kemudian diisi oleh polymerase dan disambung kembali.

4. Double strand break repair (perbaikan kerusakan untai ganda)

Perbaikan kerusakan untai ganda merupakan bagian dari proses

fisiologis tata ulang gen imunoglobulin. Perbaikan ini merupakan

mekanisme penting untuk memperbaiki DNA yang rusak, seperti yang

terjadi akibat radiasi pengion atau pembentukan radikal bebas

oksidatif. Sebagian obat kemoterapi merusak sel dengan merusak

untai ganda atau perbaikannya.

Mula-mula terdapat dua protein yang berperan dalam penyatuan

kembali non homolog suatu kerusakan untai ganda. Ku, suatu

heterodimer subunit 70 kDa dan 86 kDa, berikatan dengan ujung-ujung

bebas DNA aktivitas helikase dependen-ATP laten. Heterodimer Ku

yang berikatan dengan DNA merekrut suatu protein kinase unit,

protein kinase dependen DNA (DNA PK). DNA-PK memiliki satu ikatan

bagi ujung-ujung bebas DNA dan satu tempat ikatan untuk dsDNA

tepat di bagian dalam ujung-ujung unit. Karena itu, enzim-enzim ini

memungkinkan aproksimasi kedua ujung yang terpisah. Ujung bebas

kompleks DNA-Ku-DNA-PK membangkitkan aktivitas kinnase pada

ujung-ujung yang terpisah. DNA-PK secara timbale balik

memphosporilasi KU dan molekul DNA-PK lain di untai yang

berlawanan, ditrans. DNA-PK kemudian kemudian terlepas dari DNA

dan KU, menyebabkan aktivasi Ku helikase. Hal ini menyebabkan

penguraian kedua ujung DNA. DNA yang telah di urai dan sudah

diaproksimasi kemudian membentuk pasangan basa; kelebihan ekor

nukleotida dibuang oleh eksonuklease; dan celah yang ada di isi dan

ditutup oleh DNA ligase.

Gambar. Perbaikan kerusakan

untai ganda DNA. Protein Ku dan

protein kinase dependen-DNA

berikatan untuk mendekatkan

kedua untai dan menguraikannya.

Fragmen-fragmen yang telah

berjajar membentuk pasangan

basa; kelebihan ujung dikeluarkan,

mungkin oleh endonuklease atau

eksonuklease terkait DNA-PK, dan

celah kemudian diisi; dan

kontinuitas untai dipulihkan oleh

ligase.