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 Kerusakan satu basa yang Pengeluaran basa oleh N-

(perbaikan dengan

memotong basa)

timbul spontan akibat bahan

kimia atau radiasi

glikosilase, pengeluaran gula

tanpa basa, penggantian

Nucleotide 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 (/ 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.