DNA, RNA dan Organisasi genom ASAM NUKLEAT: DNA, RNA dan Organisasi genom Asmarinah Departemen Biologi Fakultas Kedokteran Universitas Indonesia

Asam Nukleat Salah satu makromolekul penting dalam sel, yang berisi rangkaian molekul nukleotida terhubung satu sama lain dengan ikatan fosfodiester. 2 jenis asam nukleat: DNA (Deoxyribonucleic acid) RNA (Ribonucleic acid)

DNA disusun oleh molekul subunit, yg disebut nukleotida Setiap nukleotida dibentuk oleh komponen: Sugar (deoxyribose) Phosphate Base: Adenine Thymine Guanine Cytosine

Komposisi dan struktur DNA

DNA double helix - Setiap “putaran” DNA disusun oleh 10.4 nukleotida Jarak antara nukleotida yg berpasangan 3.4 nm Setiap untaian mempunyai 2 sisi terminal (end) yang berbeda, 5’ end (membawa grup fosfat) dan 3’ end (membawa grup hidroksil) Ikatan kovalen fosfodiester antara nukleotida dalam satu untain, menghubungkan -OH group antar molekul gula ribosa

“DNA packaging in chromosome” (in eukaryote) DNA + histon Nukleosom Kromatin Kromosom

Struktur nukleosom Nukleosom, disusun oleh: Protein histon oktamerik DNA double helix

DNA - Gen Gen adalah suatu segmen DNA yang mengandung informasi/instruksi untuk membuat molekul protein

Organisasi gen dalam kromosom

Chromosomes from many eucaryotes (including human) contain a large excess of interspersed DNA that does not seem to carry critical information, called junk DNA This DNA may not be important, but can play a role: - as spacer material - for long-term evolution of the species - for the proper expression of genes Bacteria and some single-celled eucaryotes have especially compact genomes. The complete nucleotide sequence of their genomes reveals that DNA molecules are little more than strings of closely packed genes

Genome Total informasi genetik yang dimiliki oleh suatu organisme (= total nukleotida) Genomics Ilmu yang mempelajari sekuens DNA dan karakteristiknya pada suatu genom.

Kromosom manusia, (dengan metode ‘banding’) Pada tahap awal mitosis sebelum kondensasinya sempurna Diberi nomer 122, berdasarkan ukurannya

The genome of E. coli E. Coli genome is circular that forms a single, closed loop. Yellow or orange bars shows protein-coding genes Green arrows indicate genes encoding only RNA molecules

Contoh organisasi genetik pada Vibrio cholerae Gambar A. - Terdapat 2 kromosom sirkuler, masing2 mempunyai origin of replication yang berbeda (oriC1 & oriC2) - Locus CTXφ  gen toxin kolera - VPI island  gen utk kolonisasi di intestin B. Lokus CTXφ berisi : - gen toksin kolera (ctxA & ctxB) - gen utk virulensi (ace & zot) - Sekuen berulang RS2 & RS1 utk insersi kromosomal dari genom bacteriophage

Perbedaan struktur materi genetik pada bakteri pathogen dan non-pathogen

Schematic drawings of several types of viral genomes

RNA Asam nukleat yang dibentuk oleh subunit ribonukleotid Tipe RNA: mRNA = messenger RNA, kode untuk protein rRNA = ribosomal RNA, membentuk struktur dasar ribosom dan mengkatalisis sintesis protein tRNA = tranfer RNA, berperan penting dalam sintesis protein, sebagai adaptor antara mRNA dan asam amino

snRNA = small nuclear RNA, berfunngsi pada berbagai proses di inti sel snoRNA = small nucleolar RNA, digunakan untuk memproses dan memodifikasi rRNA secara kimiawi scaRNA = small cajal RNA, digunakan untuk memodofikasi snoRNA dan snRNA miRNA = microRNA, mengatur ekspresi gen yaitu menghambat proses translasi mRNA tertentu siRNA = small interfering RNA, membuat turn off ekspresi gen dengan cara mendegradasi mRNA tertentu dan menjadikan struktur kromatin yang kompak/padat

Struktur tRNA

DNA Mitochondria Ukuran 6000 bp 300.000 bp (pada manusia : 16.569 bp) Kebanyakan berbentuk double strand yang sirkular Maternal inherited

DNA mitokondria manusia Mengandung: 2 gen rRNA (16S rRNA dan 12S rRNA) 22 gen tRNA 13 gen mengkode protein

DNA mitokondria  rentan mutasi : (5-10x lebih sering) Tidak ada mekanisme reparasi DNA yang efektif. Tidak mempunyai proteksi nukleoprotein. Tingginya kadar radikal bebas yang terbentuk pada proses OXPHOS.

Perbedaan DNA inti dan mtDNA pada manusia Karakteristik DNA inti mtDNA Ukuran Jumlah kopi/sel Struktur Penurunan Rekombinasi Laju mutasi 3 milyar pb 2 Linier, dikemas dalam kromosom Paternal & maternal Ya Rendah 16.569 pb Bisa > 1000 Sirkuler Maternal Tidak 5 – 10 x inti

Plasmid Molekul DNA sirkuler kecil dari suatu genome, yang dapat bereplikasi secara independen Plasmid dimodifikasi  digunakan secara luas sebagai vektor dalam metode kloning DNA Ukuran bervariasi: 1.000 – 1.000.000 pb

Penggunaan plasmid pada metode kloning DNA

Plasmid untuk metode kloning, biasanya mempunyai Gen untuk resistensi terhadap antibiotik, misalnya amphicilin resistance gene Polylinker, berisi fragment berbagai macam situs restriksi untuk enzim restriksi (yang unik untuk setiap plasmid) Replication of origin (ORI)

DNA mobile = Transposon DNA yang dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lain dalam genom pada suatu sel.

Mekansime transposisi Cut and paste  DNA transposons, dikatalisis oleh enzim transposase Copy and paste  Retrotransposon, fragment di copy dalam 2 tahap yaitu tahap I dari DNA ke RNA melalui proses transkripsi kemudian dari RNA kembali ke DNA melalui proses reverse transkriptase. Kopi DNA kemudian insert ke genom pada posisi yang baru.

References: Albert et al., 2008. Molecular biology of the cell. 5th ed. Albert et al., 2004. Essential of cell biology. Pollard and Earnshaw. 2004. Cell biology.