Cluster and Repeats (2)

Lanjutannya yang sebelumnya gaes...

Angka Substitusi Netral dapat Diukur Berdasarkan Perbedaan Sekuens yang Terulang

Kita dapat memperkirakan rata-rata dari substitusi basa pada daerah netral dengan memeriksa sekuens yang tidak mengkode protein. Seperti contoh pada gambar 6.11 bahwa prinsipnya dapat dilakukan dengan menghitung perbedaan dari masing-masing individu pada anggota marga sebagai proporsi basa yang berbeda dari sekuen moyang. Misalnya, perbedaannya berkisar antara 0,13 hingga 0,18 pada gambar, dengan rata-rata 0,16. Pada gambar disamping, digunakan genom tikus dan manusia yang telah tidak aktif pada saat yang sama ketika terjadi perbedaan. Melalui perbandingan genom tikus dan manusia dapat mengakses baik sekuen sintetik yang menunjukkan tanda konservasi atau memiliki perbedaan pada angka yang ditaksir dari akumulasi sustitusi netral.

Pseudogen Merupakan Jalan Buntu dari Evolusi

Pseudogen (φ) merupakan rangkaian yang terkait dengan gen-gen fungsional, tetapi tidak dapat diterjemahkan menjadi protein fungsional. Beberapa pseudogen memiliki struktur umum yang sama seperti gen fungsional, dengan urutan ekson dan intron yang sama pula. Pseudogen mungkin saja tidak aktif karena adanya mutasi yang mencegah salah satu atau semua tahapan ekspresi gen. Perubahan dapat berupa penghapusan sinyal pada tahap inisiasi transkripsi, pencegahan penyambungan pada titik pertemuan ekson intron, atau pemberhentian translasi dini. 

Biasanya pseudogene memiliki beberapa mutasi yang merusakkan. Kiranya setelah tidak aktif, tidak ada halangan untuk akumulasi mutasi lebih lanjut. Pseudogen yang tidak aktif  yang saat ini merupakan gen aktif ditemukan pada banyak sistem, diantaranya globin, imunoglobulin, dan antigen histokompatibilitas, di mana mereka berada di sekitar kluster gen, sering diselingi dengan gen aktif.

Sebagai contohnya yaitu pseudogene kelinci, φβ2, yang memiliki ekson dan intron, berhubungan dengan β1 gen globin fungsional dan gen ini tidak fungsional. Penghapusan pasangan basa pada kodon 20 dari φβ2 telah menyebabkan pergeseran kerangka sehingga terminasi terjadi lebih awal. Beberapa mutasi titik telah berubah kemudian kodon yang mewakili asam amino disimpan di dalam globin β. Tak satu pun dari dua intron yang dikenali ekson, jadi mungkin saja intron tidak bisa disambung lagi sekalipun gen tersebut ditranskripsi.  Bagaimanapun juga tidak ada transkrip yang sesuai dengan gen, dimungkinkan karena telah terjadi perubahan di daerah apitan 5'. Perubahan-perubahan yang terjadi pada pseudogen dapat dilihat pada Gambar 6.12.

Gambar 2. Beberapa perubahan yang terjadi pada gen globin β sejak berubah menjadi pseudogen

Kerusakan gen karena mutasi berpotensi mencegah tahapan ekspresi gen, sehingga kita tidak mengetahui bagian gen mana yang sebenarnya tidak aktif. Jika dilihat perbedaan antara pseudogene dan gen fungsional, kita dapat memperkirakan kapan pseudogene muncul pada saat mutasi mulai terakumulasi.

Jika pseudogene menjadi tidak aktif secara cepat akibat duplikasi dari β1, harapannya adalah sisi pengganti dan sisi diam yang berbeda berubah menjadi sama. (kedua sisi ini akan berbeda hanya jika gen ditranslasikan untuk menghasilkan tekanan selektif pada sisi pengganti.). Pada kenyataannya, substitusi sisi pengganti lebih sedikit dibandingkan substitusi sisi diam. Hal ini menunjukkan bahwa pada awalnya (ketika gen terekspresi) terjadi seleksi terhadap substitusi pengganti sisi. Dari perluasan substitusi relatif pada dua jenis sisi, dapat dihitung bahwa φβ2 menyimpang dari β1 ~ pada 55 juta tahun yang lalu, dan tetap menjadi gen fungsional selama 22 juta tahun, tetapi ternyata terdapat pseudogene untuk 33 juta tahun terakhir.

Perhitungan serupa dapat dibuat untuk pseudogen lainnya. Beberapa pseudogen semula merupakan gen aktif dan beberapa yang lain sudah merupakan pseudogen sejak awal generasi. Titik umum yang dibuat oleh struktur ini adalah bahwa setiap pseudogen telah berkembang secara independen selama pengembangan kluster gen globin di setiap spesies. Hal ini memperkuat kesimpulan bahwa penciptaan gen baru, diikuti dengan duplikasi fungsional, menjadi gen-gen yang fungsional, atau inaktivasi sebagai pseudogen, ini semua merupakan suatu proses yang berkelanjutan dalam kluster gen.

Gen tikus globin φα3 memiliki satu sifat menarik: yaitu tidak mempunyai intron pada kedua sisi. Urutannya dapat disejajarkan (berdasarkan akumulasi mutasi) dengan mRNA α-globin. Waktu untuk inaktivasi bertepatan dengan waktu duplikasi asal, yang menunjukkan bahwa peristiwa nonaktivasi  berkaitan dengan hilangnya intron.

Jika pseudogen adalah jalan buntu dari evolusi, hanya iringan yang tidak diinginkan dengan penataan ulang gen fungsional, mengapa mereka masih hadir dalam genom? Apakah mereka mempunyai fungsi atau tidak, dalam hal ini tidak boleh ada tekanan selektif untuk retensi mereka? Kita harus ingat bahwa gen tersebut telah bertahan dalam populasi ini. Di masa lalu, sejumlah pseudogen lain mungkin telah dieliminasi. Hal ini bisa terjadi karena adanya delesi pada sekuen secara tiba-tiba atau karena adanya insersi pada mutasi titik dimana pseudogen tidak terdapat pada sekuen tersebut.

Bahkan peninggalan evolusi dapat diduplikasikan. Dalam β-globin gen dari kambing, ada dua spesies dewasa, βᴬ dan βC. Masing-masing memiliki sebuah pseudogene beberapa kb up-stream dari itu (disebut φβZ dan φβX, masing-masing). Kedua pseudogen berhubungan satu sama lain lebih baik daripada dengan gen β-globin dewasa, mereka saling bekerja sama pada saat inaktivasi mutasi. Dan juga, dua β-globin dewasa lebih baik berhubungan satu sama lain daripada ke pseudogen. Ini berarti bahwa struktur φβ-β asli sendiri diduplikasi, memberikan dua gen β fungsional (yang menyimpang jauh ke dalam βᴬ dan gen βC) dan dua gen non-fungsional (yang menyimpang ke pseudogen saat ini).

Mekanisme tersebut bertanggung jawab terhadap duplikasi gen, delesi, atau penataan ulang pada semua sekuen yang berada dalam suatu kluster, entah berfungsi atau tidak. Ini merupakan hasil seleksi dari produk-produk yang dihasilkan.

Pindah Silang yang Tidak Sebanding Menyusun Kembali Gen Berkelompok

Ada banyak peluang untuk pengaturan kembali dalam gen berkelompok yang berkaitan atau identik. Kita bisa melihat hasilnya dengan membandingkan cluster β mamalia. Meskipun kelompok gen melayani fungsi yang sama, dan semua memiliki organisasi umum yang sama, masing-masing berbeda dalam ukuran, ada variasi dalam jumlah dan jenis β-globin gen, dan jumlah dan struktur pseudogen berbeda. Semua perubahan ini harus terjadi sejak radiasi mamalia, 85 juta tahun yang lalu (titik terakhir dalam evolusi umum untuk semua mamalia). Pengaturan kembali ini, bersama duplikasi dan variasi merupakan faktor penting dalam evolusi, sama pentingnya dengan akumulasi perlahan dari mutasi titik pada suatu gen. Apa jenis mekanisme yang bertanggung jawab untuk reorganisasi gen?

Suatu kelompok gen dapat melebar atau mengerut akibat pindah silang yang tidak sebanding. Hal ini berlangsung ketika rekombinasi terjadi antara gen- gen yang bukan alel nya (nonallelic). Biasanya, rekombinasi melibatkan urutan DNA yang sesuai antara dua kromosom yang homolog. Namun, ketika ada dua salinan sebuah gen di masing-masing kromosom, maka pindah silang yang tidak sebanding tersebut dapat terjadi. (Hal ini memaksa beberapa daerah yang berdekatan menjadi tidak berpasangan).

Ketika rekombinasi terjadi antara gen yang tidak bersesuain, peristiwa ini menghasilkan kromosom–kromosom rekombinan yang salah satunya memiliki gen dengan jumlah lebih banyak sedangkan lainnya memiliki gen yang lebih sedikit. Rekombinan pertama memiliki peningkatan jumlah salinan gen dari dua hingga tiga, sedangkan yang kedua memiliki penurunan dari dua banding satu. Pada Gambar 3 menunjukkan peristiwa pindah silang yang tidak sebanding.

Gambar 3 Sejumlah gen dapat berubah karena peristiwa pindah silang yang tidak sebanding

Apakah kromosom memiliki keuntungan selektif atau kerugian tergantung pada konsekuensi dari setiap perubahan sekuen produk gen, serta pada perubahan jumlah salinan gen. Hambatan bagi yang tidak sebanding dengan pindah silang karena adanya struktur terputus  dari gen. Dalam kasus seperti globins, ekson yang berhubungan dengan salinan gen cukup mendukung gen untuk berpasangan; bagaimanapun, sekuen dari intron menyimpang cukup besar. Pembatasan gen yang berpasangan dengan  ekson mengurangi pemanjangan DNA yang terlibat. Hal ini akan menurunkan perubahan pindah silang yang tidak sebanding. Jadi perbedaan antar intron bisa meningkatkan stabilitas kelompok gen dengan menghambat terjadinya pindah silang tidak sebanding.

Thalassemia merupakan hasil dari mutasi karena pengurangan atau pencegahan sintesis globin α baik atau β. Terjadinya mutasi dikarenakan pindah silang yang tidak sebanding dalam kelompok globin gen manusia. Kebanyakan thalassemia karena dari pada bagian cluster. Pada beberapa kasus, ujung delesi berada pada sisi yang homolog, dimana sama dengan yang diharapkan pada pindah silang tidak sebanding.

Gambar 4 merangkum penghapusan yang menyebabkan α-thalassemia. Delesi panjang terjadi di α-thal-1, bervariasi pada ujung kiri, dengan posisi ujung kanan terletak di luar gen yang dikenal. Delesi menghilangkan kedua gen α. Delesi pendek terjadi di α-thal-2 dan hanya menghilangkan salah satu dari dua gen α. Bentuk L menghilangkan 4.2 kb DNA, termasuk gen α2. Ini dimungkinkan merupakan hasil dari pindah silang tak sebanding, karena ujung delesi terletak pada daerah homolog, tepat di sebelah kanan dari gen Ψα dan α2. Hasil delesi R dari penghapusan 3,7 kb DNA, merupakan jarak yang tepat antara gen α1 dan α2. Hal ini memunculkan pindah silang tidak sebanding antara gen α 1 dan α2 dan gen. Kondisi seperti sesuai dengan Gambar 4.

Gambar 4 α-thalassemia karena peristiwa delesi pada kelompok gen α globin

Individu yang mengidap thalassemia mungkin memiliki rantai α berjumlah  nol sampai tiga, tergantung pada kombinasi diploid kromosom thalassemia. Ada beberapa perbedaan dari tipe ganas (empat α gen) pada individu dengan tiga atau dua gen α. Jika individu hanya mempunyai satu gen α, rantai β yang berlebih akan membentuk tetramer β4, yang menyebabkan penyakit hemoglobin H (HbH). Ketiadaan gen α di dalam tubuh janin akan berakibat fatal pada saat atau setelah kelahiran.

Pindah silang tak sebanding yang menyebabkan penyakit thalassemia juga dapat terjadi pada kromosom dengan 3 gen α. Individu dengan kromosom tersebut telah diidentifikasi dalam beberapa populasi. Pada beberapa populasi, frekuensi lokus triple α  sama dengan lokus single α, pada populasi lainnya, umumnya gen triple α jauh lebih sedikit  daripada gen single α. Hal ini menunjukkan bahwa terdapat faktor selektif yang bekerja pada tingkatan gen pada populasi yang berbeda.

Variasi jumlah gen α relatif sering ditemukan, yang menyatakan bahwa pindah silang tak sebanding sudah umum terjadi. Pindah silang ini sering terjadi pada kelompok gen α daripada kelompok gen β, karena dimungkinkan intron dalam gen α jauh lebih pendek dan adanya hambatan pada saat gen nonhomolog berpasangan. Delesi yang menyebabkan penyakit β-thalassemia terdapat pada Gambar 5.

Gambar 5 Delesi pada kelompok gen β globin menyebabkan beberapa tipe penyakit thalassemia

Dalam beberapa (jarang) kasus, hanya gen β terpengaruh. Pada gen ini terjadi delesi sebesar  600 bp, membentang dari intron kedua melalui daerah apitan 3'. Pada kasus lain, lebih dari satu kelompok gen yang dipengaruhi. Kebanyakan delesi terjadi sangat panjang, membentang dari ujung 5’ pada peta gen untuk > 50 kb ke kanan. 

Jenis Hb Lepore memberikan bukti klasik bahwa delesi menghasilkan pindah silang yang tidak sebanding diantara gen-gen yang saling terhubung. Gen β dan δ berbeda hanya 7% pada sekuennya. Rekombinasi yang tidak sebanding menghapus materi antara gen, sehingga sehingga terjadi penyatuan. Gen menyatu menghasilkan rantai tunggal β- yang terdiri dari sekuen ujung N dari δ bergabung dengan sekuen ujung C dari β.

Perbedaan dari beberapa jenis Hb Lepore lainnya terletak pada titik transisi dari sekuen δ ke β. Jadi ketika gen δ dan β berpasangan pada saat pindah silang tidak sebanding, titik rekombinasi menentukan posisi perubahan dari sekuen δ ke β yang terjadi pada rantai asam amino. Kebalikan kondisi di atas ditemukan pada Hb anti-Lepore, yang dihasilkan oleh gen yang memiliki ujung N di bagian β dan ujung C di bagian δ. Penyatuan gen terjadi antara gen normal  δ dan gen β.

Bukti pindah silang tidak sebanding dapat terjadi pada gen yang letaknya berjauhan telah diidentifikasi pada peristiwa penyatuan hemoglobin lainnya yaitu Hb Kenya. Gen ini terdiri dari sekuen ujung N gen λɣ dan sekuen ujung C gen β. Penyatuan dihasilkan dari pindah silang antara antara λɣ dan β, yang perbedaan sekuen 20%.

Berdasarkan perbedaan diantara kelompok gen globin pada mamalia, dapat dilihat bahwa duplikasi yang diikuti dengan variasi merupakan hal yang penting terjadinya evolusi pada masing-masing kelompok gen. Delesi pada manusia yang mengidap thalassemia menunjukkan bahwa pindah silang yang tidak sebanding terjadi secara terus menerus pada kedua kelompok globin. Setiap terjadi keadaan yang seperti ini yaitu duplikasi dan delesi, kita harus memperhitungkan nasib kedua lokus rekombinan dalam populasi. Delesi juga dapat terjadi karena rekombinasi diantara sekuen-sekuen yang homolog pada kromosom yang sama.  juga  kromosom yang sama. Hal ini tidak menghasilkan duplikasi yang sesuai.

Sulit untuk memperkirakan frekuensi alami dari peristiwa ini, karena kekuatan selektif cepat menyesuaikan tingkatan kelompok variasi dalam populasi. Umumnya kontraksi didalam sejumlah gen cenderung merusak dan melawan. Namun, dalam beberapa populasi, mungkin ada keuntungan seimbang yang mempertahankan bentuk karena delesi pada frekuensi rendah. Struktur dari kelompok manusia saat ini menunjukkan beberapa duplikasi yang membuktikan pentingnya mekanisme tersebut. Sekuen yang fungsional meliputi dua gen α yang mengkode protein yang sama, yang berhubungan dengan gen β dan gen δ, dan keduanya hampir identik gen ɣ. Duplikasi ini telah bertahan di dalam populasi, belum lagi duplikasi yang awalnya dihasilkan berbagai jenis gen globin. Duplikasi lain mungkin menimbulkan pseudogen atau telah hilang. Harapannya duplikasi dan delesi terjadi secara yang kemudian menjadi fitur dari semua kelompok gen.

dan masih akan dilanjutkan...

Sumber: Lewin, Benjamin. 2004. Genes VIII. New Jersey: Pearson Prentice Hall