Transposisi [PDF]

Citation preview

Nama : Cindy Prisilia Makasambi Nim : 18507043 Evolusi Karena transposisi



A. Transposisi Transposisi adalah suatu proses perpindahan elemen genetik dari satu lokus dalam suatu kromosom, plasmid, atau genom virus, ke bagian lain kromosom yang sama, atau bahkan ke suatu lokus dalam kromosom lain (Yuwono, 2005: 245). Kebanyakan gen terletak pada sebuah lokus atau posisi spesifik pada kromosom. Akan tetapi, sejumlah gen atau set gen yang teratut erat bisa memerantai pergerakannya sendiri dari satu lokasi ke lokasi lain. Gen tersebut juga bisa terdapat dalam banyak salinan (terkadang ratusan atau ribuan) yang tersebar di sepanjang genom. Unsur-unsur tersebut telah diberi berbagai sebutan, yaitu “gen melompat”, “elemen bergerak (mobile)”, “sekuens insersi”, “kaset”, dan “transposon” (Elrod, S. dan Stansfield, W, 2007). Transposon merupakan elemen genetik yang berpindah dapat berupa satu gen atau beberapa gen yang bertaut (linkage) sehingga disebut juga elemen genetik yang dapat bertransposisi (transposable genetic elements) atau unsure transposable (Yuwono, 2005: 245). Transposon disebut juga dengan gen loncat (jumping genes), elemen genetik bergerak (mobile genetic element), sekuensi insersi, dan kaset (Addy, 2009). Elemen genetik yang dapat bertransposisi tersebut ditemukan baik dalam prokaryot, eukaryot, maupun dalam bakteriofag. Semua transposon membawa kode genetik untuk satu atau lebih dari satu protein yang diperlukan untuk transposisi. Di samping itu, beberapa transposon juga membawa gen lain yang menghasilkan fenotipe tertentu, misalnya ketahanan terhadap antibiotik tertentu (Yuwono, 2005: 245). Dalam beberapa hal, proses transposisi mirip dengan proses rekombinasi khusus, yaitu melibatkan proses pemotongan untai DNA baik pada molekul DNA donor maupun DNA target pada tempat khusus. Proses tersebut kemudian diikuti dengan penggabungan ujungujung transposon ke molekul DNA target yang sudah terpotong. Walaupun demikian, ada perbedaan mendasar antara proses transposisi dengan proses rekombinasi khusus. Ciri penting transposisi adalah proses transposisi tidak tergantung pada ada atau tidaknya hubungan antara urutan nukleotida pada DNA donor dengan DNA target, baik hubungan 1



fungsional maupun, misalnya, hubungan asal-usul. Dalam proses rekombinasi khusus, pemotongan dan penyambungan molekul DNA donor dan DNA target tidak disertai dengan sintesis molekul DNA baru. Sebaliknya, proses transposisi melibatkan sintesis molekul DNA baru yang dikendalikan oleh sistem reparasi atau replikasi. Selain itu, selama transposisi, molekul DNA donor tidak disusun kembali seperti bentuk tipe alami pra-transposisi (Yuwono, 2005: 247). Transposisi dapat menyebabkan terjadinya penyusunan kembali (rearrangement) genom suatu jasad. Hal ini dapat terjadi, misalnya karena ada dua duplikat (copy) transposon yang sama pada lokasi kromosom yang berbeda sehingga dapat menyebabkan terjadinya rekombinasi antarduplikat transposon tersebut. Rekombinasi semacam itu dapat membawa implikasi terjadinya delesi, penyisipan, inversi, atau translokasi. Transposisi mempunyai peranan dalam proses evolusi beberapa plasmid bakteri. Sebagai contoh, integrasi plasmid F yang berasal dari E. coli ke dalam kromosom bakteri seringkali terjadi melalui proses rekombinasi antara suatu transposon yang ada di dalam plasmid dengan transposon yang homolog di dalam kromosom bakteri (Yuwono, 2005: 247).



Gambar Transposisi (Gerakan Transposon) McClintock menemukan bahwa transposon bertanggung jawab untuk berbagai jenis mutasi gen, biasanya berupa: 



penyisipan,







penghapusan, dan







translokasi (Kimbal).



Perubahan dalam genom bisa, misalnya, menyebabkan perubahan warna biji jagung. Sekitar 50% dari total genom jagung terdiri dari transposon (elemen Ac/Ds). Pada bakteri, 2



ditemukan elemen IS yang pertama kali ditemukan pada gen Escherichia coli oleh James Shapiro pada tahun 1968. Dirangsang oleh laporan Shapiro tersebut, tindak lanjut penelitian biologi molekular tentang keterlibatan dalam berbagai fenomena transposon DNA mobile terkait pada bakteri, tanaman, dan serangga. Penemuan Barbara McClintock yang sebelumnya pada jagung diberi pengakuan yang luas di antara ahli biologi. Akhirnya, McClintock memperoleh pengakuan berupa penghargaan Nobel di bidang Fisiologi atau Kedokteran pada tahun 1983. Jadi, butuh waktu sekitar 40 tahun bagi para ilmuwan lain untuk sepenuhnya menghargai pentingnya penemuan McClintock. Dalam mengembangkan jaringan somatik seperti biji jagung, mutasi yang mengubah warna akan diteruskan ke semua sel keturunan. Ini menghasilkan pola beraneka ragam yang begitu dihargai di “jagung India” (Kimbal). Satu keluarga transposon pada lalat buah Drosophila melanogaster disebut unsur P. transposon tampaknya memiliki pertama kali muncul di satu-satunya spesies di pertengahan abad kedua puluh. Dalam 50 tahun, mereka telah menyebar melalui setiap populasi spesies. P buatan elemen dapat digunakan untuk menyisipkan gen ke Drosophila dengan menyuntikkan embrio (Kimbal). Pada masa kini, transposon dianggap sebagai relik (peninggalan) evolusi dari masa lalu dan dianggap sebagai sisa-sisa virus yang telah terintegrasi ke dalam genom suatu organism (Citizendium). Pada mulanya, transposon diduga sebagai fragmen yang tidak berguna atau disebut “sampah” DNA dan “egois” DNA hingga akhirnya diketahui bahwa transposon ternyata memiliki peranan penting dalam perkembangan organism (Addy, 2009).  “Sampah” DNA karena tidak ada manfaat yang jelas bagi inang mereka. Sedangkan, “egois” DNA karena transposon tampaknya hanya berfungsi untuk membuat salinan bagi diri mereka sendiri (Jkimball: 2010). Yuwono (2005: 258) mengatakan bahwa transposon mempunyai peranan penting dalam evolusi dan organisasi genom jasad hidup. Pada beberapa jasad, misalnya jagung, transposon terkonsentrasi pada daerah DNA di antara gen yang secara total meliputi lebih dari setengah (50%) genom jagung. Pada Drosophila, transposon terdapat pada heterokromatin maupun eukromatin dan diketahui ada sekitar 90 famili transposon pada genom Drosophila. Pada Drosophila, transposon diketahui terlibat dalam proses evolusi genom melalui proses penyusunan ulang genom (genom rearrangement). Transposon juga diketahui sebagai salah satu penyebab terjadinya mutasi pada banyak organisme. Misalnya, pada Drosophila, mutasi pada gen white (bertanggung jawab pada 3



pembentukan warna mata) disebabkan oleh penyisipan beberapa macam transposon. Penyebaran elemen transposon yang luas pada genom jasad memberikan gambaran bahwa elemen genetik tersebut mempunyai peranan dalam proses evolusi jasad hidup (Yuwono, 2005: 258). Berdasarkan mekanisme perpindahan (transposisi), transposon dapat di kelompokkan menjadi tiga kategori, yaitu transposon potong-tempel, transposon repliktif, dan retrotransposon.  Transposon potong-tempel



Transposon potong-tempel (cut-and-paste transposon) dapat berpindah dari satu lokus ke lokus lain dengan cara dipotong dari satu lokus pada kromosom dan ditempelkan pada lokus lain yang dapat terletak pada kromosom yang berbeda (Yuwono, 2005).  Transposon replikatif Transposon replikatif (replicative transposon) mengalami transposisi dengan melibatkan proses replikasi elemen DNA transposon. Enzim transposase yang dikode oleh elemen genetik tersebut berperan di dalam proses interaksi dengan sisi tempat penyisipan transposon. Dalam interaksi tersebut, elemen DNA transposon direplikasi dan salah satu turunan (copy) disisipkan pada sisi baru, sedangkan elemen DNA aslinya tetap berada di sisi semula (Yuwono, 2005).



4



 Retrotransposon



Retrotransposon disebut juga jenis transposon kelas I yang dapat digambarkan sebagai copy and paste. Retrotransposon menyalin dirinya dalam dua tahap, pertama dari DNA ke RNA dengan transkripsi. Kemudian, dari RNA kembali ke DNA oleh transkripsi balik. Salinan DNA ini kemudian dimasukkan ke genom pada posisi baru. Transkripsi balik dikatalisis oleh enzim transkriptase yang sering dikodekan oleh transposon sendiri (Anonim, 2009). Menurut Yuwono (2005) bahwa retrotransposon dapat mengalami trasposisi dengan cara melakukan proses transkripsi balik (reverse transcription) untuk mengubah elemen genetik berupa RNA menjadi DNA. Proses ini dikatalisis oleh enzim transkriptase balik (reverse transcriptase). Setelah DNA terbentuk, dilakukan penyisipan ke dalam sisi target. Beberapa elemen genetik yang mengalami transposisi dengan cara ini mempunyai kaitan dengan retrovirus sehingga transposon semacam ini sering disebut elemen yang mempunyai retrovirus (retrovirus-like elements).



5



B. Mekanisme transposisi pada prokaryot Mekanisme transposisi secara detail sampai saat ini belum diketahui dengan jelas. Namun, pada prokaryot, misalnya E. coli, transposisi terjadi melalui dua cara, yaitu replikatif dan konservatif (nonreplikatif) (Yuwono, 2005). Mekanisme transposisi beberapa transposon dapat dilihat pada Tabel  berikut ini. Penggolongan transposon berdasarkan mekanisme transposisi Kategori                                 Contoh Transposon                          Organisme I. Transposon                          * Elemen IS (Insertion sequence,        Bakteri potongtempel                        misalnya: IS50) * Transposon komposit                       Bakteri (misalnya: Tn5) * Elemen Ac/Ds                                  Jagung * Elemen P                                          Drosophila                                                 * Elemen mariner                               Drosophila * Elemen hobo                                    Drosophila * Elemen Tc1                                      Nematoda II. Transposon replikatif         Elemen Tn3                                         Bakteri III. Retrotransposon Elemen serupa             * Ty1                                                   Khamir retrovirus (disebut          * copia                                                 Drosophila juga long terminal       * gypsy                                                Drosophila                repeat, LTR). Retroposon                  * Elemen F, G, dan I                          Drosophila



6



                                              * Retroposon yang spesifik                   Drosophila pada telomer * LINE (misalnya L1)                         Manusia * SINE (misalnya Alu)                        Manusia Sumber: Snutad & Simmons, 2003 dalam Yuwono, 2005. Transposisi secara replikatif akan dibentuk duplikat elemen transposon pada tempat yang baru dan satu duplikat transposon pada tempat yang lama. Sedangkan, transposisi secara konservatif tidak terjadi replikasi sehingga disebut nonreplikatif, transposisi terjadi dengan cara pemotongan elemen transposon dari kromosom atau plasmid dan transposon tersebut kemudian diintegrasikan ke tempat yang baru (Yuwono, 2005). Transposisi secara replikatif ada dua model antara dua plasmid, yaitu model simetris (model Shapiro) dan model asimetris. Model tranpososisi secara simetris, yaitu tranpososisi terjadi melalui pembentukan elemen genetik lingkar yang merupakan gabungan antara kedua plasmid (cointegrate) dan mengandung dua duplikat tranpososon dengan orientasi yang sama. Cointegrate tersebut kemudian akan diuraikan lebih lanjut sehingga akan dihasilkan dua elemen plasmid baru yang masing-masing akan mengandung satu tranpososon. Dalam model ini, pembentukan cointegrate merupakan suatu keharusan. Sebaliknya, menurut asimetris, pembentukan cointegrate tidak merupakan keharusan namun hanya merupakan salah satu kemungkinan hasil antara yang dapat terjadi. Tranpososisi secara replikatif tersebut dapat terjadi misalnya pada bakteriofag Mu dan Tn3 (Yuwono, 2005).



7



Gambar Mekanisme Transposisi secara Replikatif pada Tn3



Gambar Mekanisme Tra nsposisi secara Nonreplikatif



8



C. Transposon pada manusia             Hasil penentuan urutan nukleotida (DNA sequencing)  kromosom manusia menunjukkan bahwa paling tidak sekitar 44% DNA manusia berasal dari elemen transposon, termasuk elemen yang menyerupai virus (8% dari genom yang sudah disekuen), retroposon (33%), dan beberapa family transposon yang mengalami transposisi dengan mekanisme potong tempel (3%). Salah satu transposon yang dominan adalah elemen1 (retroposon) yang merupakan sekuens kelompok LINE (long interspersed nuclear element). Elemen L1 yang lengkap berukuran sekitar 6 kb, mempunyai promoter internal yang ditanskripsi oleh RNA polymerase II, dan mempunyai dua ORF, yaitu ORF1 (mengkode protein pengikat DNA) dan ORF2 (mengkode endonuklease dan transcriptase balik) genom manusia mengandung sekitar 3.000 sampai 5.000 elemen L1 yang lengkap. Selain itu, ditemukan juga ada sekitar 500.000 elemen L1 yang tidak lengkap karena terpotong ujung 5’ sehingga tidak mampu ditransposisi (Yuwono, 2005).             Elemen L1 merupakan retroposon yang otentik. Transposisi elemen ini melibatkan proses transkripsi elemen L1 menjadi RNA yang kemudian diikuti dengan proses transkripsi balik menjadi DNA. Kedua proses tersebut terjadi di dalam nukleus, meskipun sebelum ditranskripsi balik elemen tersebut ditransfer ke sitoplasma untuk ditranslasi menjadi polipeptida yang terikut sampai ke dalam nukelus. Endonuklease yang dikode oleh ORF2 berfungsi untuk mengkatalisis pemotongan DNA untai ganda pada sisi yang prospektif untuk digunakan sebagai tempat penyisipan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa jumlah elemen L1 yang aktif mengalami transposisi hanya sedikit. Selain itu, juga diketahui bahwa beberapa penyakit pada manusia disebabkan oleh mutasi karena penyisipan oleh elemen L1. Misalnya, mutasi pada gen faktor VIII yang menyebabkan hemophilia. Genom manusia juga mengandung elemen LINE yang lain, yaitu L2 (315 kopi), dan L3 (37.000 kopi) (Yuwono, 2005).             Elemen lain selain LINE yang juga banyak terdapat pada genom manusia adalah SINE (short interspersed nuclear element) yang berukuran sekitar 400 pasang nukleotida dan tidak mengkode suatu protein. SINE mengalami transposisi melalui proses transkripsi balik. Enzim yang digunakan untuk proses transkripsi balik (enzim transcriptase balik) tersebut tampaknya disintesis dari elemen LINE. Dengan demikian, proses perbanyakan SINE tergantung pada elemen LINE. Genom manusia mengandung tiga famili SINE, yaitu elemen Alu, MIR, dan Ther2/MIR3 meskipun yang mengalami transposisi secara aktif hanya elemen Alu (Yuwono, 2005). 9



            Genom manusia mengandung lebih dari 400.000 sekuens yang berasal dari elemen yang menyerupai virus. Seperti halnya elemen LINE dan SINE yang tidak aktif, hampir semua elemen yang menyerupai virus pada genom manusia merupakan “fosil genetik” (Yuwono, 2005).  



D. Perubahan Materi Molekuler Gen-gen dari organisme purba telah mengalami perubahan seiring berjalannya waktu. Selama jutaan tahun, mutasi telah terjadi dalam sekuens DNA dari gen pada tingkat yang lambat namun stabil. Sebagian besar mutasi akan terseleksi karena sangat merugikan, namun beberapa akan bertahan. Kebanyakan mutasi itu menyatu secara permanen ke dalam gen dan akan menjadi mutasi netral tanpa efek berbahaya atau menguntungkan bagi organisme. Terkadang, mutasi ada yang memperbaiki fungsi gen dan atau protein yang disandikan oleh gen tersebut, walaupun ini jarang terjadi. Terkadang mutasi yang pada awalnya berbahaya dapat berubah menjadi menguntungkan dalam kondisi lingkungan yang baru. Gen-gen baru mungkin muncul setelah kejadian duplikasi gen dan kemungkinan besar juga karena munculnya oleh bentuk morfologis baru. Tapi sulit untuk menentukan hubungan kausal antara perubahan genetik dan morfologis yang terjadi di masa lalu. Namun demikian, kesulitan dapat dikesampingkan melalui suatu studi baru baru ini tentang perubahan yang berkaitan dengan perkembangan organisme, terkait dengan 10



difergensi dari serangga berkaki enam yang berasal dari nenek moyang mirip krustasea yang memiliki lebih dari enam kaki. Pada serangga, misalnya Drosophila, gen Ubx diekspresikan di perut, sedangkan pada krustasea, seperti Artemia (sejenis udang laut), diekspresikan dalam batang utama tubuh. Saat diekspresikan, gen Ubx menekan pembentukan kaki pada serangga tapi tidak pada krustasea.Hasil pengkajian tersebut memberikan bukti yang menghubungkan perubahan tertentu dalam urutan nukleotida dari gen yang berperan dalam perkembangan organisme dengan perubahan evolusioner mengenai asal usul rupa tubuh serangga berkaki enam. Perubahan informasi genetik biasanya diturunkan dari satu generasi ke keturunan berikutnya. Namun, informasi genetis juga dapat saja mengalir “menyamping” dari satu organisme ke organisme lain yang bukan merupakan keturunannya atau bahkan bukan berkerabatan dekat. Bertolak belakang dengan transfer gen vertikal, dimana gen ditranfer dari generasi tetua ke keturunan secara langsung, transfer gen horizontal (juga dikenal sebagai transfer gen lateral) dimana informasi genetik itu mengalir menyamping dari organisme donor ke organisme lain yang bukan keturunan langsungnya.Sebagai contoh, gen-gen resistensi antibiotik yang dibawa plasmid, dapat mengalir ke jenis bakteri-bakteri yang tidak berkerabat. Karena gen-gen yang dibawa plasmid kadangkala bergabung dengan kromosom, sehingga gen-gen itu dapat berpindah dari genom suatu organisme ke organisme lain yang tidak berkerabat dalam beberapa tahap. Transfer horisontal semacam itu dapat terjadi di antara anggota spesies yang sama (misalnya transfer plasmid di antara dua strain Escherichia coli yang berkerabat dekat ) atau terjadi di antara spesies yang memiliki jarak taksonomi besar (misalnya transfer plasmid Ti dari bakteri ke sel tumbuhan). Transfer gen horizontal dalam jarak jauh bergantung pada pembawa yang melintasi batas batas dari satu spesies ke spesies lainnya. Virus, plasmid dan transposon semuanya terlibat dalam pergerakan gen yang menyamping seperti itu.Retrovirus, secara khusus mampu menyisip masuk ke dalam kromosom hewan, mengambil gen dan memindahkannya ke spesies Hewan lain. Salah satu contoh transfer horisontal yang terjadi pada hewan yaitu berkenaan dengan virogen tipe-C yang dimiliki oleh babon dan semua monyet masa lampau lainnya. Virogen tipe-C hadir pada nenek moyang bersama monyetmonyet itu sekitar 30 juta tahun yang lalu, dan sejak saat itu berpencar sampai kepada gen monyet lainnya. Sekuens berkerabat ini, juga ditemukan pada beberapa spesies kucing, namun hanya kucing-kucing kecil di Afrika Utara dan Eropa yang memiliki Virogen tipe-C babon. Semua kucing Amerika, Asia dan Sub-Sahara Afrika tidak memiliki sekuens ini. Oleh 11



karena itu, nenek moyang kucing awal tidak memiliki virogen tip-C ini. Sekuens yang ditemukan pada kucing Afrika Utara lebih condong menyerupai babun daripada sekuens pada monyet. Hal ini menunjukkan bahwa sekitar 5-10 juta tahun yang lalu retrovirus membawa virogen tipe-C secara horisontal dari nenek moyang babon modern ke nenek moyang kucing kecil Afrika Utara. Kucing peliharaan Eropa awalnya berasal dari Mesir, sehingga juga membawa virogen tipe-C, namun kucing lainnya yang telah terpencar lebih dari 10 juta tahun yang lampau yang lalu kekurangan sekuens ini. Pemahaman tentang kekerabatan evoluioner dapat diperoleh melalui salah satu cara yaitu ketika kita memutuskan dalam “wadah” mana kita meletakkan suatu spesies melalui perbandingan ciri - ciri yang berpotensi sebagai pembeda. Sebagai contoh Kadal tak berkaki Australia, dikenal sebagai Scalyfoot (Pygopuslepidopodus) tidak memiliki kelopak mata kompak, rahang yang melar dan ekor pendek dibagian posterior anus, yang merupakan tiga ciri yang dimiliki semua ular. Walaupun ciri lainnya mirip dengan ular akan tetapi scalyfootbukanlah ular. Selanjutnya, pengamatan pada kadal menunjukkan bahwa keadaan tanpa kaki, juga telah berkembang secara terpisah pada beberapa kelompok kadal. Kebanyakan kadal yang tidak berkaki adalah tinggal di liang atau di padang rumput sama halnya dengan ular, dimana hilangnya kaki itu berkenaan dengan adaptasi terhadap lingkungan mereka.Ular dan kadal adalah bagian dari rangkaian perluasan kehidupan yang berasal dari organisme awal menuju kepada keragaman spesies seperti sekarang ini. Perluasan keragaman itu bersinggungan dengan proses, yaitu mekanisme evolusi, dan pola, yaitu pengamatan produk evolusi setelah waktu tertentu.Sebagai contoh, filogeni kadal dan ular menunjukkan bahwa scalyfoot dan ular berkembang dari kadal berkaki, namun mereka berkembang dari keturunan berbeda dari kadal berkaki. Jadi munculnya keadaan tak berkaki itu berkembang secara sendiri-sendiri. Untuk membangun filogeni, para ahli biologi memanfaatkan sistematika, yaitu suatu disiplin ilmu yang menitik beratkan pada penggolongan organisme dan penentuan kekerabatan evolusiner mereka. Sistematika dapat menggunakan data berupa fosil, molekul atau gen untuk menarik kesimpulan mengenai sejarah evolusioner.



12



DAFTAR PUSTAKA



Clark, David. 2005. MolecularBiology. USA: Academicpress in anImprintofElsevier. Tamura K., D. Peterson, N. Peterson, G. Stecher, M. Nei, and S. Kumar. 2012. MEGA5: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Using Maximum Likelihood, Evolutionary Distance, and Maximum Parsimony Methods. Molecular and Biology Evolution. 28(10):2731–2739. Nei M. Population genetics and evolution. Notrh-Holaland Rresearch Monograph, Frontiers of Biology Vol. 40. North-Holland Pulishing Company, Amsterdam. Mulhardt, C. 2007. Molecular Biology and Genomics; Translated by E. W. Beese. USA: Elsevier Academic Press. Elsevier Inc. Freeland R. Joanne. 2005. Molecular Ecology. John Woley and Sons: USA. Kimball, John W. 1994. Biologi Jilid 2. Jakarta : Erlangga. Yuwono, Triwibowo. 2005. Biologi Molekuler. Penerbit Erlangga: Jakarta. Erny, S., dkk. 2010. Evolusi Molekuler. Malang : Universitas Negeri Malang. Widodo, Lestari, U., dan Amin, M. 2012. Bahan Ajar Evolusi. Malang: Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi.



13