Blok 1B Cytogenetik PDF

GEN DAN KROMOSOM (CYTOGENETICA) Oleh: E. Suryadi Struktur sel dan organella  Types protein in Human Chromosome 1. Histon protein contain five types: (H1, H2A, H2B, H3,and H4) – Role of the histons : conservation in the higher organism – Nucleosom is smallest structure...

GEN DAN KROMOSOM (CYTOGENETICA) Oleh: E. Suryadi Struktur sel dan organella  Types protein in Human Chromosome 1. Histon protein contain five types: (H1, H2A, H2B, H3,and H4) – Role of the histons : conservation in the higher organism – Nucleosom is smallest structure combining DNA and histon 2. Non histon chromosomal protein: – Varies widely among different cell types of the same organism – Role in the regulation of expression of specific genes Komponen Penyusun Strukture Nucleus RNA DNA Non-cromatin Nuclear histone constituent Non histone protein Gambar kromosom dalam inti sel Satu inti suatu sel waktu pembelahan tahap metaphasis Karyotyping  Telomere P = lengan pendek Kromosom jika direntangkan Centomere Q= lengan panjang  DNA Struktur Materi Genetik GEN Kromosom  Gen Satuan fungsional terkecil bahan genetik dinamakan gen. Gen tersebut tersusun linear dalam benang kromatin. Benang kromatin yang mengalami pemadatan / pengemasan pada fase pembelahan dinamakan kromosom.  Berdasarkan letak dan ekspresi gen dibedakan /mendelisme: Kromosom pada sel manusia jumlahnya ada 46 Kromosom dibedakan : autosom & gonosom X/Y Autosom antara sel laki2 & sel Wanita sama Autosom dominan Autosom resessif Gonosom adalah pembeda antara laki2 & wanita X kromosom dominan X kromosom resessif Y kromosom (holandrik)  Konsep gen dominan resessif Setiap sel somatik mengandung 23 pasang kromosom homolog. Sesama kromosom homolog mempunyai lokus gen yang sama Lokus gen itu bisa ditempati oleh gen yang sama atau homozigote dan gen yang berbeda atau heterozigote. Jika gen itu berfungsi akan menentukan jenis/jumlah polipeptida sebagai polipeptida atau protein. Jenis/jumlah protein tertentu akan menentukan normal tidaknya fungsi tertentu sebagai fenotipe. Apabila fenotipe itu dapat dipenuhi hanya oleh 1 gen saja maka jika ada gangguan gen yang lain (pada lokus yg sama) tidak berpengaruh atau fungsinya masih normal hal ini disebut resessif Sedangkan jika untuk memenuhi kebutuhan jumlah normal polipeptida itu perlu 2 gen yang sama itu namanya dominan  Siklus dan perubahan kehidupan sel Pada organisme multiseluler termasuk manusia pada awal perkembangan terjadi dari 1 sel, kemudian 2 sel, 4 sel dan seterusnya, proses penggandaan ini disebut proliferasi. Selain proliferasi, sel-sel itu juga mengalami diferensiasi yang kemudian membentuk masa jaringan, organ dan system organ. Walaupun sel mengalami perkembangan namun pada periode khusus yang mana sel menunjukkan perilaku dasar khusus yaitu pertumbuhan dan metabolisme, periode ini dinamakan waktu interfase. Sedangkan periode lain yang mana sel mengalami pembelahan dinamakan mitosis. Pada interfase ini dibagi menjadi 3 fase yaitu G1, S dan G2. karena itu dalam pembelahan siklus sel dibagi menjadi 4 fase G1, S, G2 dan M/mitosis. Sel manusia yang sedang tumbuh, siklus pembelahan lamanya sebagai berikut. Seluruh siklus memerlukan waktu 16-24 jam, yaitu G1=5-9 jam, S=6-9 jam, G2=2-5 jam dan M=1-2 jam.  Tahap pertama fase ini adalah fase G1 (G berasal dari kata gap yakni antara sel lahir dengan sel membelah). Selama fase ini lamanya sangat bervariasi dapat beberapa minggu, beberapa bulan ataupun beberapa tahun, bahkan kadang- kadang tidak sampai membelah lagi. Untuk satu jenis sel saja waktu yang dibutuhkan dapat bervariasi tergantung keadaan lingkungan yang mendukung atau menghambatnya. Apabila waktu G1 ini lebih dari 9 jam maka batas waktu itu dinamakan titik R (resting). Waktu setelah G1 lebih 9 jam dinamakan G0. Pada tahap akhir fase G1 ini maka centriola mulai mengadakan replikasi.  Tahap kedua adalah fase S (sintesis) yaitu fase yang mana proses replikasi DNA mulai terjadi. Pada eukariota setiap kromosom merupakan rantai DNA yang sangat panjang. Pada mamalia molekul DNA mengandung 25 juta sampai beratus- ratus juta pasangan basa yang panjangnya antara satu sampai beberapa sentimeter. Pada fase ini DNA yang disintesis dihubungkan dengan protein histon untuk membentuk nukleosom. Nukleosom satu dengan yang lain dihubungkan dengan protein non histon. Rangkaian nukleosom ini membentuk benang kromatin, dalam keadaan ini gen menjadi tidak aktif lagi.  Proses replikasi kromatin secara detail belum diketahui dengan baik. Hanya dari tempat tertentu dari masing-masing kromosom mengalami pembukaan nukleosom dan replikasi DNA dimulai pada tempat khusus itu. Tempat itu dinamakan asal titik replikasi (the origin of replication) dan dari titik ini akan dilanjutkan kedua arah dengan kecepatan 50 base per detik. Pada setiap titik replikasi ini akan mendapatkan maksimum 90.000 pasang basa. Hasil replikasi yang berasal dari setiap asal titik replikasi (the origin of replication) merupakan unit replikasi yang dinamakan replikan.  Pada mamalia jumlah replikan kira-kira 30.000 dan ini membutuhkan waktu +- 8jam. Di dalam sitoplasma selama fase S ini disintesis protein histon, yang bersama DNA replikasi membentuk nukleosom baru dan selanjutnya menjadi serabut kromatin. Serabut kromatin ini kemudian dikemas selama mitosis menjadi kromosom. Centriola mengalami replikasi selama fase ini.  G2 selama periode ini kromosom melakukan kondensasi dan kedua centriola menjauh dan menuju kutub sel yang saling berlawanan, waktu ini dibutuhkan kira-kira 2-5 jam. Faktor yang mempengaruhi pembelahan sel antara lain: a. Bentuk sel, sel yang bulat memerlukan waktu yang lebih lama dari pada sel pipih. b. Keadaan intraseluler misalnya konsentrasi enzim tertentu Ca++, Calmodulin Bending Protein. c. Keadaan ekstraseluler misalnya kadar logam tertentu, asam amino, asam lemak, bahan-bahan lain. d. Plasma membrane, karena di dalamnya terdapat reseptor terhadap substansi tertentu.  Dalam organisme multiseluler growth factor and growth inhibitor factor (chalones) sangat berpengaruh dalam siklus pembelahan sel. Beberapa jenis sel misalnya sel otot serat lintang, sel-sel saraf setelah umur perkembangan tertentu sudah tidak membelah dan berhenti pada fase G1 atau S. Walaupun kemampuan untuk membelah belum hilang. Hal ini dapat dibuktikan dengan memindah sel tersebut ke dalam media kultur. Membrana basalis tersusun oleh bahan-bahan ECM (Matrix Ekstra Celluler). Dalam metastase tumor agar sel tumor dapat tumbuh diperlukan jaringan ikat untuk melekat sel tumor tersebut.  Keseimbangan antara sel dengan sel lain dan keseimbangan antara sel dengan substrat sekelilingnya. Hal ini dapat diambil contoh pada proses penyembuhan luka. Sel yang di tepi luka akan selalu membelah sampai menutup luka dan terjadi kontak dengan sel lain, sel tersebut baru berhenti membelah seolah-olah ada kontak inhibisi. Mekanisme yang lebih pasti belum diketahui dengan pasti. Kecuali factor-faktor di atas ada juga factor umum yang ikut berpengaruh terhadap pembelahan sel antara lain: nutrient misalnya asam amino, karbohidrat, lemak, vitamin, mineral lain dan O2.  MITOSIS/Pembelahan Sel Setelah diketemukannya mikroskop pada tahun 1870an maka pembelahan sel dapat diamati. Walaupun sekarang mikroskop sudah sangat canggih dan tersedianya teknik fisiko-biokimiawi yang mutakhir, tetapi banyak sisi dalam proses pembelahan sel secara rinci belum diketahui. Sebagai contoh : Bagaimana proses kromosom melakukan kondensasi? Bagaimana kromosom melakukan replikasi? Bagaimana spindel terbentuk dan beroperasi? Bagaimana anak kromosom dapat terpisah dan bergerak berlawanan menuju kutub spindel? Bagaimana stitoplasma membelah? Bagaimana membatasi jumlah sel yang membelah?  Bagaimana keteraturan antara proliferasi sel dan kontrol kematian sel yang dapat membentuk dan memfungsikan organ pada perkembangan embryo dan organisme dewasa ? Dalam mitosis pada tanaman dan binatang tingkat tinggi ada beberapa variasi. Secara sitologis dipisahkan menjadi beberapa stadium: profase, metafase, anafase, telofase dan sitokinesis.  Profase Stadium ini paling lama. Dimulai dengan pembesaran nukleus (pembengkakan), serabut-serabut kromatin mulai berkondensasi. Nukleoli (ribosomal RNA dan protein) secara bertahap menghilang. Sitoskeletal mulai rusak dan melepaskan molekul tubulin-tubulin. Kedua sentriola di luar dinding inti mulai bergerak ke kutub yang berlawanan dan membentuk spindel mikrotubuli dari tubulin bebas di sekeliling sentriola. Sentriola dan benang mikrotubuli yang mengelilingi ini dinamakan sentrosom (aster). Mikrotubuli pada tempat lain mengikat sentromer kromatin sebagai kinetokor mikrotubuli  Metafase Pada fase ini dimulai dengan dinding inti mulai berombak terutama pada dekat kutub lalu patah dan hilang (tidak terlihat). Kromoson menempel pada spindel mirotubuli dan bergerak ke arah pertengahan antara kedua sentrosom, penampakan kromosom tidak teratur. Setelah benang mikrotubuli memasuki daerah sentral, mikrotubuli terbentang antara kromosom. Kromosom diikatkan oleh kinetokor ke beberapa benang spindel dan mengaturnya sampai mereka terletak radier di bidang ekuator dan membentuk lempeng ekuator. Spindel yang mengikat kromosom disebut spindel kromosom, yang terentang antara kutup tanpa terputus disebut serabut kontinu. Mitosis dengan spindel yang mempunyai aster disebut mitosis astral atau amfiastral. Mitosis yang tidak punya sentriola dan aster disebut mitosis anastral, misalnya pada tanaman tinggi: semua angiospermae dan kebanyakan gymnospermae.  Anafase Pada anafase, keseimbangan kekuatan yang ada pada metafase akan dihilangkan oleh pemisahan kinetokor, yaitu suatu proses yang berlangsung secara simultan pada setiap kromosom. Kinetokor saling menjauh, kromatid memisah dan mulai migrasi ke kutub. Kinetokor ”menarik kromatid atau anak kromosom” kekutub sel. Sewaktu ditarik kromosom oleh benang spindel. Kromosom dapat berbentuk seperti huruf V dengan lengan-lengan tidak sama jika ia submetasentrik. Selama anafase, mikrotubuli serabut kromosom memendek sepertiga sampai seperlima panjang aslinya. Secara simultan mikrotubuli serabut kontinu bertambah panjang. Beberapa di antara serabut spindel yang meregang ini menyusun serabut interzonal.  Telofase Akhir migrasi ke kutub anak kromosom menandai permulaan telofase (telo=akhir/jauh) kromosom mengurai dan menjadi kurang padat oleh suatu proses dalam beberapa cara seperti pada profase tetapi dalam arah terbalik. Pada waktu yang sama kromosom mengumpul menjadi masa kromatin yang dikitari oleh ruas- ruas yang diskontinu bungkus inti yang dibuat oleh retikulum endoplasma (ER). Ruas-ruas demikian bersatu membentuk 2 bungkus dinding yang komplit dari nukleus anak. Selama tahap-tahap akhir nukleoli muncul kembali pada tempat – tempat pengatur nukleous.  Sitokinesis Serentak dengan mengurainya kromosom dan pembentukan dinding inti, terjadi sitokinesis. Pada sel hewan terjadi lekukan atau konstriksi pada daerah ekuator dan konstriksi bertambah dalam sampai sel membelah. Viskositas sitoplasma yang tinggi selama metafase lalu pada anafase turun dan selama telofase mengecil dan cenderung menghilang. Selama sitokinesis, komponen-komponen sitoplasma dibagikan termasuk mitokondria dan kompleks Golgi. Hasil akhir proses mitosis yang berasal dari satu sel menjadi dua sel anak dengan nuklei yang identik. Jumlah dan komposisi kromosom tetap. Distribusi sitoplasma dapat sama tetapi dapat pula tidak sama. Ketidaksamaan ini penting dalam proses diferensiasi.  Meiosis Prosesnya hampir sama dengan mitosis hanya perbedaanya adalah: Hanya terjadi pada sel gamet Pada tahap profase membutuhkan waktu lama melalui beberapa tahap: leptonem, Zygonem, pachynem, diplonem, Ada bangunan tetrad dan dan terjadi proses pindah silang Proses pemisahan sel terjadi 2 kali. Hasil akhir merupakan sel haploid (n) Leptonema (lepsos = tipis, nema = benang) Merupakan periode dimana nukleus bertambah besar dan kromosom menjadi lebih nyata. Kromosom leptonen berbeda dengan profase mitosis dalam 2 hal : Walaupun duplikasi DNA sudah terjadi dan mempunyai 2 kromatid, kromosom leptonen lebih tampak tunggal daripada ganda. Pada tempat-tempat tertentu kromosom-kromosom memperlihatkan penebalan seperti cakram yang disebut kromomer (chromomere) dengan interval tidak menentu di sepanjang kromosom. Karena ukuran, jumlah dan posisi kromomer khas bagi kromosom tertentu, kromomer dapat digunakan untuk penanda identifikasi kromosom spesifik suatu organisme. Dengan pengerutan kromosom selama zygonema dan pachynema, kromomer menjadi besar dan jumlahnya lebih sedikit.  Zygonema Adalah waktu ketika kromosom homolog berpasangan dan membentuk kompleks sinaptonemal (SC). Kromosom homolog berdekatan dan berpasangan, dan proses ini sering disebut sinapsis kromosom. Dua kromosom homolog tidak bersatu selama berpasangan tetapi tetap terpisah oleh celah ± 0,15 – 0,2 um yang ditempati oleh SC. Morfologi SC sangat mirip antara tumbuhan dengan hewan. Diameter lintang SC tampak pipih, berbentuk pita. Lengan lateral (samping) lebarnya bervariasi dari 20 sampai 80 nm pada berbagai spesies. Mereka dibentuk oleh granula kasar atau serabut yang padat. Lengan – lengan ini dihubungkan dengan kromosom oleh fibril halus.  Pachynema (pachus=tebal) Pada fase ini terjadi crossing over (pindah silang) dan rekombinasi antara kromatid homolog. Selama pachynema pasangan kromosom mencapai kesempurnaan. Kromosom berkontraksi memanjang sehingga benang menjadi pendek dan tebal. Pada pertengahan pachynema, karena kromosom homolog berpasangan, nukleus mengandung setengah jumlah kromosom. Setiap unit bivalen atau tetrad terdiri atas dua kromosom homolog yang terdiri dari 4 kromatid.  Lanjutan Pachy….. Setiap kromatid mempunyai kinetokor sendiri. Dengan demikian satu tetrad mempunyai 4 kinetokor, 2 kinetokor homolog, dan 2 kinetokor bersaudara. Selama pembelahan meiosis I, Kinetokor 2 kromatid homolog dan 2 kinetokor kromatid homolog berlaku sebagai unit fungsional. Pada pachynema akhir suatu akhir garis pemisahan yang tegak lurus terhadap bidang perpasangan muncul dan keempat kromatid menjadi tampak. Selama pachynema, celah yang ditempati SC dipertahankan dan semua kromosom homolog telah menyelesaikan proses berpasangan. Bukti-bukti dari percobaan menegaskan bahwa selama pachynema 2 dari kromatid homolog mempertukarkan ruas- ruasnya. Diperkirakan bahwa patahan terjadi pada tempat yang sama pada setiap kromatid dan bahwa peristiwa ini diikuti oleh saling tukar ruas-ruas kromatid yang menyusun kromosom  Diplonema Adalah pemisahan kromosom berpasangan, kecuali pada kiasmata. Pada diplonema kromosom yang berpasangan erat saling menjauh dan mulai memisah. Tetapi pemisahan tidak sempurna karena kromosom homolog masih bersatu pada tempat-tempat pertukaran atau kiasmata (chiasmata= persilangan). Kiasmata merupakan tempat pindah silang atau rekombinasi berlangsung, dimana ruas-ruas kromosom dengan sejumlah gena dipertukarkan antara anggota-anggota homolog dari pasangan. Juamlah kiasmata bervariasi, ada yang satu, ada yang banyak. Selama diplonema keempat kromatid dari tetrad menjadi tampak dan SC tidak tampak lagi. Diplonema berlangsung lama, misalnya pada manusia, dalam 5 bulan kehidupan prenatal oosit sudah mencapai tahap diplonema dan tetap begitu sampai bertahun-tahun kemudian pada waktu ovulasi terjadi.  Diakinesis Pada terjadi pengerutan/ reduksi jumlah kiasmata. Pada diakinesis, kromosom mengerut lagi. Tetrad lebih merata tersebar dalam nukleus dan nukleous menghilang. Selama periode ini kiasmata berkurang. Pada akhir diaknesis pada umumnya kromosom- homolog melekat satu sama lain pada ujung- ujungnya, proses ini disebut terminalisasi Oogenesis Spermatogenesis  DNA Pada awal abad ke-20 ini ahli-ahli biologi telah mendapatkan informasi tentang 20 macam asam amino esensial yang menyusun protein tubuh. Antara susunan DNA tersebut ternyata ada hubungannya dengan asam amino yang akan menyusun polipeptida atau protein. DNA tersusun dari fosfat, gula dan basa. Gula yang menyusunnya adalah deoksiribose, sedangkan basanya dapat berupa adenin, sitosin, guanin maupun timin. Gula dan fosfat merupakan bagian struktur DNA yang tetap, sedangkan basa terdapat empat pilihan basa, yaitu basa purin (adenin dan guanin), dan basa pirimidin adalah (sitosin dan timin).  Basa Basa-basa ini selalu berpasangan antara adenin (A) dengan timin (T) dan antara guanin (G) dengan sitosin (C). Pasangan tersebut dihubungkan dengan ikatan hidrogen. Pasangan tersebut dinamakan pasangan basa (bp/pb). Jadi dua rangkaian DNA merupakan komplemen apabila yang satu 5’ –ATGCAG-3’ yang lain pasangannya harus 5’ –CTGCAT -3’. Keenam pasang basa lengkap itu ditulis sebagai berikut: 5’ – ATGCAG -3’ 3’ – TACGTC -5’  Genotype-Fenotype Karakteristik 3 urutan base pada DNA akan menentukan jenis asam amino DNA harus lewat RNA untuk menetapkan polipeptida (rangkaian asam amino) DNARNA Polipeptida Gen mRNA polipeptida/ protein Genotype DNA(Triplet) Codon ---- anticodon + Asam amino polipeptida/ protein (fenotipe)  Macam-macam RNA mRNA : hasil traskripsi DNA dan akan ditranslasikan menjadi polipeptida disini terdapat codon. tRNA : transfer RNA adalah RNA yang membawa asam amino yang akan disusun menjadi polipeptida / protein disini terdapat anticodon rRNA : ribosom RNA adalah RNA yang berfungsi merangkai polipeptida/ protein Number, Structure & Karyotype Human somatic cells contain 46 chromosome organized into 22 autosome pairs plus 2 sex chromosome The basic haploid set (n =23) is present in the gamet (germ) cell Size and shape of each chromosomes are difference Based on size a chromosome be given attributes number (1-22). Based on shape a chromosome be given atributes ABCDEFG  Chromosome analysis During mitotic metaphase the condensed chromosomes appear in identifiable shapes characteristic of the karyotype of the species being studied  Chromosome classification Group A ( 1-3) : large metacentric Ch. Group B (4-5) : Large submetacentric Ch Group C(6-12 +X): medium –sized submetacentric Ch. Group D (13-15) : medium-sized acrocentric Ch. With satellites Group E (16-18) : short metacentric (16) or submetacentric(17-18) Ch. Group F (19-20): short metacentric Ch. Group G (21-22 +Y): short acrocentrics (with satellites 21& 22 and Y without satellites)  Landmarks, Region & nomenclature ( band-sub-band) Long arm = q Short arm = p (petit = pendek) Region is numbered sequentially moving outward from the centromere (1,2,3..) Band : each band within a region is numbered in sequence with band 1 being nearest to the centromere Sub-band: each sub-band within a band is numbered in sequence with sub-band 1 being nearest to the centromere too. For example: 4q21.2 means chromosome 4, long arm, region 2, band 1 and sub-band 2 Sub-band can divided become sub-sub-band such as 4q21.22.  Chromatid Pada metaphase chromosome consist of two sister chromatids Each chromatid contains ; – one double helix of DNA continue from one end of the chromosome to the other – several different type of protein Human Chromosome range in size from some what larger than 5 micron to less than 1 micron When DNA stretched out about 5 cm long every chromatid  Shape of Human Chromosome During metaphase stage the chromosomes like “X shape”. At crossing called centromere, and parts of end chromosome are called telomere. Based on centromere position, kinds of shape chromosome divided: – Metacentric o subtelocentric – Submetacentric o telocentric – Acrocentric o have satelites  Parts of chromosome Between centromere and telomere called arm. Two kinds of arm : – p = petite ; short arm – q : long arm The arm ratio or centromere index is sometimes sufficient to permit identification of chromosome Karyotype Nomenclature of Human Chromosome Based on Paris Conference (1971) Telomeres, centromeres and number of prominent band are used as landmarks A section of a chromosome between two landmarks is called a region, and these regions are numbered 1, 2, 3 and so on in both direction starting from the centromere  Nomenclature… Each of region divided band parts, these bands are numbered 1, 2, , 3, 4, and so on. Each of band divided sub-band, these sub-band are numbered 01, 02, 03, and so on or.1,.2,.3, and so on When the sub-band is further subdivided an additional digit is added. For example 14q32033. Or 14q32.33. p q  Chromosome nomenclature A-G chromosome groups 1-22 autosome numbers X,Y sex chromosomes / diagonal line indicates mosaicism p short arm of chromosome q long arm of chromosome del deletion der derivative of chromosome dup duplication i isochromosome ins insertion inv inversion r ring chromosome t translocation ter terminal + or – indicate addition (+) or loss (-) TERIMA KASIH