REKOMBINASI HOMOLOG: FUNGSI, MEKANISME DAN APLIKASI - BIOLOGI - 2025

The rekombinasi homolog adalah proses yang melibatkan pertukaran molekul DNA antara bagian yang sama atau identik genom. Sel menggunakan rekombinasi homolog terutama untuk memperbaiki kerusakan pada materi genetik, menghasilkan variasi genetik dalam populasi.

Secara umum, rekombinasi homolog melibatkan pasangan fisik antara area homolog materi genetik, diikuti dengan putusnya rantai yang akan mengalami pertukaran, dan akhirnya penyatuan molekul DNA gabungan baru.

Rekombinasi antara dua kromosom homolog.
Sumber: Emw

Kerusakan DNA harus diperbaiki secepat dan seefisien mungkin. Bila kerusakan tidak diperbaiki, akibatnya bisa serius dan bahkan mematikan. Pada bakteri, fungsi utama rekombinasi homolog adalah untuk memperbaiki kerusakan ini pada materi genetik.

Rekombinasi homolog dianggap sebagai salah satu mekanisme utama yang memungkinkan kestabilan genom. Ia ada di semua ranah kehidupan dan bahkan di dalam virus, jadi ia mungkin merupakan mekanisme vital yang muncul paling awal dalam evolusi kehidupan.

Perspektif sejarah

Salah satu prinsip paling relevan yang dikemukakan oleh Gregor Mendel terdiri dari kebebasan dalam pemisahan karakter. Menurut hukum ini, berbagai gen diturunkan dari orang tua ke anak secara mandiri.

Namun, pada tahun 1900, keberadaan pengecualian yang sangat mencolok terhadap prinsip ini terbukti. Ahli genetika Inggris Bateson dan Punnett menunjukkan bahwa berkali-kali sifat-sifat tertentu diwariskan bersama-sama, dan untuk sifat-sifat ini prinsip yang diucapkan oleh Mendel tidak valid.

Penelitian selanjutnya berhasil memaparkan adanya proses rekombinasi, dimana sel mampu melakukan pertukaran materi genetik. Dalam kasus di mana gen diwariskan bersama, DNA tidak dipertukarkan karena kedekatan fisik antar gen.

Apa itu rekombinasi homolog?

Rekombinasi homolog adalah fenomena seluler yang melibatkan pertukaran fisik sekuens DNA antara dua kromosom. Rekombinasi melibatkan sekumpulan gen yang dikenal sebagai gen rek. Kode ini untuk berbagai enzim yang berpartisipasi dalam proses tersebut.

Molekul DNA dianggap "homolog" jika memiliki urutan yang sama atau identik lebih dari 100 pasangan basa. DNA memiliki daerah kecil yang dapat berbeda satu sama lain, dan varian ini dikenal sebagai alel.

Pada makhluk hidup, semua DNA dianggap DNA rekombinan. Pertukaran materi genetik antar kromosom terjadi terus menerus, pencampuran dan penataan ulang gen pada kromosom.

Proses ini jelas terjadi pada meiosis. Khususnya pada fase di mana kromosom berpasangan pada pembelahan sel pertama. Pada tahap ini terjadi pertukaran materi genetik antar kromosom.

Secara historis, proses ini ditetapkan dalam literatur menggunakan kata Anglo-Saxon yang menyeberang. Peristiwa ini merupakan salah satu hasil rekombinasi homolog.

Frekuensi persilangan antara dua gen dari kromosom yang sama bergantung terutama pada jarak yang ada di antara mereka; semakin kecil jarak fisik di antara mereka, semakin rendah frekuensi pertukarannya.

Fungsi dan konsekuensi rekombinasi homolog

Materi genetik selalu terpapar kerusakan, yang disebabkan oleh sumber endogen dan eksogen, seperti radiasi, misalnya.

Sel manusia diperkirakan memiliki jumlah lesi DNA yang signifikan, sekitar puluhan hingga ratusan per hari. Lesi ini perlu diperbaiki untuk menghindari potensi mutasi yang merusak, replikasi dan blok transkripsi, dan kerusakan pada tingkat kromosom.

Dari sudut pandang medis, kerusakan DNA yang tidak diperbaiki dengan benar menghasilkan perkembangan tumor dan patologi lainnya.

Rekombinasi homolog adalah peristiwa yang memungkinkan perbaikan DNA, memungkinkan pemulihan urutan yang hilang, menggunakan untai DNA lain (homolog) sebagai templat.

Proses metabolisme ini hadir dalam semua bentuk kehidupan, menyediakan mekanisme kesetiaan tinggi yang memungkinkan perbaikan "celah" dalam DNA, pemutusan untai ganda, dan ikatan silang antara untai DNA.

Salah satu konsekuensi rekombinasi yang paling relevan adalah generasi variasi genetik baru. Seiring dengan mutasi, keduanya adalah dua proses yang menghasilkan variasi pada makhluk hidup - ingatlah bahwa variasi adalah bahan mentah evolusi.

Selain itu, ini menyediakan mekanisme untuk mengatur ulang garpu replikasi yang telah rusak.

Pada bakteri

Pada bakteri, sering terjadi peristiwa transfer gen horizontal. Ini diklasifikasikan sebagai konjugasi, transformasi, dan transduksi. Di sini, prokariota mengambil DNA dari organisme lain, dan bahkan dari spesies yang berbeda.

Selama proses ini, rekombinasi homolog terjadi antara sel penerima dan sel donor.

Mekanisme

Rekombinasi homolog dimulai dengan putusnya salah satu untai molekul DNA kromosom. Setelah ini, serangkaian langkah yang dikatalisis oleh beberapa enzim terjadi.

Ujung 3 'tempat pemotongan terjadi diserang oleh untai ganda DNA homolog. Proses invasi sangatlah penting. Yang kami maksud dengan "rantai homolog" adalah bagian-bagian kromosom yang memiliki gen yang sama dalam urutan linier, meskipun urutan nukleotida tidak harus identik.

Sinapsis

Invasi untai ini menempatkan kromosom homolog saling berhadapan. Fenomena pertemuan benang ini disebut sinaps (jangan bingung dengan sinaps di neuron, di sini istilah tersebut digunakan dengan arti lain).

Sinapsis tidak selalu menyiratkan kontak langsung antara kedua urutan homolog, DNA dapat terus bergerak untuk beberapa saat hingga menemukan bagian homolog. Proses pencarian ini disebut penyelarasan homolog.

Pembentukan D-loop

Kemudian, sebuah peristiwa yang disebut "invasi untai" terjadi. Kromosom adalah heliks ganda DNA. Dalam rekombinasi homolog, dua kromosom mencari urutan homolognya. Di salah satu heliks, untaiannya terpisah dan untai ini "menyerang" struktur heliks ganda, membentuk struktur yang disebut loop D.

Untai D-loop telah dipindahkan oleh invasi untai putus dan berpasangan dengan untai komplementer dari heliks ganda asli.

Pembentukan persimpangan Holliday

Langkah selanjutnya adalah pembentukan serikat Holliday. Di sini, ujung untaian yang dipertukarkan diikat menjadi satu. Persatuan ini memiliki kemampuan untuk bergerak ke segala arah. Sendi bisa pecah dan terbentuk beberapa kali.

Proses akhir dari rekombinasi adalah resolusi dari persatuan ini dan ada dua cara sel mencapai ini. Salah satunya adalah pembelahan penyatuan atau dengan proses yang disebut disolusi, khas organisme eukariotik.

Dalam mekanisme pertama, memutus sambungan Holliday menghasilkan dua rantai. Dalam peristiwa "pembubaran" lainnya, terjadi semacam keruntuhan dalam serikat pekerja.

Protein terlibat

Protein penting dalam proses rekombinasi disebut Rad51 dalam sel eukariotik, dan RecA dalam Escherichia coli. Ia bekerja dalam berbagai fase rekombinasi: sebelum, selama dan setelah sinaps.

Protein Rad51 memfasilitasi pembentukan hubungan fisik antara DNA yang menyerang dan DNA yang dilunakkan. Dalam proses ini DNA heteroduplex dihasilkan.

Rad51, dan rekan RecA-nya, mengkatalisasi pencarian DNA homolog dan pertukaran untaian DNA. Protein ini memiliki kemampuan untuk mengikat DNA pita tunggal secara kooperatif.

Ada juga gen paralogue (yang berasal dari peristiwa duplikasi gen dalam satu garis keturunan organisme) dari Rad51, yang disebut Rad55 dan Rad57. Pada manusia, lima gen paralogue Rad51 telah diidentifikasi yang disebut Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2, dan Xrcc3.

Anomali yang terkait dengan proses rekombinasi

Karena rekombinasi membutuhkan pengikatan fisik pada kromosom, ini adalah langkah penting dalam segregasi yang tepat selama meiosis. Jika rekombinasi yang tepat tidak terjadi, hasilnya bisa menjadi patologi utama.

Nondisjungsi kromosom atau kesalahan dalam segregasi adalah salah satu penyebab paling sering terjadinya aborsi dan anomali asal kromosom, seperti trisomi kromosom 21, yang menyebabkan sindrom Down.

Meskipun rekombinasi biasanya merupakan proses yang cukup tepat, daerah genom yang diulang dan gen yang memiliki banyak salinan di seluruh genom rentan terhadap persilangan yang tidak rata.

Perkawinan silang ini menghasilkan sifat yang relevan secara klinis, termasuk penyakit umum seperti talasemia dan autisme.

Aplikasi rekombinasi

Ahli biologi molekuler telah memanfaatkan pengetahuan tentang mekanisme rekombinasi homolog untuk menciptakan teknologi yang berbeda. Salah satunya memungkinkan terciptanya organisme "knockout".

Organisme yang dimodifikasi secara genetik ini memungkinkan untuk menjelaskan fungsi gen yang diinginkan.

Salah satu metodologi yang digunakan untuk pembuatan sistem gugur terdiri dari penekanan ekspresi gen spesifik dengan mengganti gen asli dengan versi yang dimodifikasi atau "rusak". Gen tersebut ditukar dengan versi yang bermutasi melalui rekombinasi homolog.

Jenis rekombinasi lainnya

Selain rekombinasi homolog atau sah, ada jenis pertukaran materi genetik lainnya.

Ketika daerah DNA yang bertukar bahan non-alelik (kromosom homolog) hasilnya adalah duplikasi atau reduksi gen. Proses ini dikenal sebagai rekombinasi non-homolog atau rekombinasi tidak sama.

Bersama-sama, materi genetik juga dapat dipertukarkan antara kromatid saudara perempuan pada kromosom yang sama. Proses ini terjadi pada divisi meiosis dan mitosis, dan disebut pertukaran yang tidak sama.

Referensi

1. Tukang roti, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Biologi molekuler dari gen. Benjamin-Cummings Publishing Company.
2. Devlin, TM (2004). Biokimia: buku teks dengan aplikasi klinis. Saya terbalik.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Perbaikan untai putus dengan rekombinasi homolog. Perspektif Cold Spring Harbor dalam biologi, 5 (11), a012740.
4. Li, X., & Heyer, WD (2008). Rekombinasi homolog dalam perbaikan DNA dan toleransi kerusakan DNA. Penelitian sel, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS, & Pfaller, MA (2017). Mikrobiologi medis. Ilmu Kesehatan Elsevier.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR, & Willard, HF (2015). Genetika Thompson & Thompson dalam e-book kedokteran. Ilmu Kesehatan Elsevier.
7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Genom manusia: kemajuan baru dalam penelitian, diagnosis, dan pengobatan. Edisi Universitat Barcelona.