Penghargaan Nobel Kedokteran dan Fisiologi Tahun 2009 Misteri Telomer dan Enzim Telomerase

Penghargaan Nobel Kedokteran dan Fisiologi Tahun 2009

Misteri Telomer dan Enzim Telomerase

Abstrak

Nobel kedokteran dan fisiologi tahun 2009 dianugrahkan kepada tiga orang ilmuan yang berhasil memecahkan masalah dalam bidang biologi yaitu bagaimana kromosom dilindungi dari degdradasi selama pembelahan sel. Penemuan telomer sebagai pelindung kromosom dan enzim telomerase sebagai enzim yang menyintesis telomer telah membuka babak baru dalam penelitian obat kanker dan misteri penuaan sel. Penyebab penuaan sel adalah memendeknya telomer. Pemendekan telomer menyebabkan sel berhenti membelah dan menyebabkan penuaan sel. Jika aktivitas telomerase tinggi maka panjang telomere bisa dipertahankan dan penuaan sel dapat ditunda. Selain itu penemuan aktivitas telomerase yang tinggi pada sel kanker meberikan gambaran tentang  bagaimana cara mematikan sel kanker.

Misteri Telomer Terpecahkan

Sekitar tahun 1930-an, Hermann Muller (peraih hadiah Nobel tahun 1946) dan Barbara McClintock (peraih Nobel tahun 1983) telah meneliti bahwa struktur DNA pada ujung kromosom, diperkirakan mencegah kromosom untuk melekat satu sama lain. Struktur DNA yang membentuk topi pada ujung kromosom tersebut disebut telomere. Telomer mempunyai urutan DNA yang khas dan spesifik pada setiap organisme.

Ketika sebuah sel membelah, molekul DNA, yang mengandung empat basa yang membentuk kode genetik, disalin, basa demi basa, oleh enzim polimerase. Namun, pada satu dari dua ujung DNA, permasalahan timbul yaitu pada bagian paling akhir dari ujung DNA tidak dapat disalin. Oleh karena itu, kromosom akan memendek setiap kali sel terbelah. Masalah ini dapat dipecahkan setelah diketahui peran dan fungsi telomer oleh peraih penghargaan nobel kedokteran dan fisiologi pada tahun 2009.

DNA Telomer Melindungi Kromosom dari Degdradasi

Pada awal karirnya Elizabeth Blackburn memetakan urutan DNA. Saat mempelajari kromosom Tetrahymena, sebuah organisme satu sel siliata, dia mengidentifikasi sebuah urutan DNA yang diulang-ulang beberapa kali pada ujung kromosom. Fungsi urutan ini, CCCCAA, masih belum jelas. Pada waktu yang sama, Jack Szostak telah membuat penelitian bahwa sebuah molekul DNA linier, sebuah tipe monokromosom, didegradasi secara cepat saat dimasukan ke sel ragi.

Blackburn mempresentasikan hasilnya pada sebuah konferensi pada tahun 1980. Ia mengajak Jack Szostack kemudian Jack dan Blackburn memutuskan untuk melakukan eksperimen menembus batas spesies yang sangat jauh berbeda. Melalui DNA Tetrahymena, Blackburn mengisolasi urutan CCCCAA. Szostac memasangkannya dengan minikromosom dan memasukkannya ke dalam sel ragi. Hasilnya, yang telah dipublikasikan pada tahun 1982, sangat mengejutkan – urutan telomer DNA melindungi minikromosom dari degradasi. DNA telomer dari satu organisme, Tetrahymena, melindungi kromosom suatu organisme yang sangat jauh berbeda, ragi. Hal ini memperlihatkan sebuah keberadaan mekanisme dasar yang tidak diketahui sebelumnya. Kemudian, hal ini menjadi bukti bahwa telomer DNA dengan urutan khasnya terdapat pada seluruh tumbuhan dan hewan, dari amuba hingga manusia

Gambar 1. Telomer Tetrahymena

Enzim Telomerase Menyintesis Telomer

Carol Greider, seorang mahasiswa S1, dan supervisor Blackburn memulai menginvestigasi sebuah kemungkinan bahwa pembentukan telomer DNA dipengaruhi oleh suatu enzim yang belum diketahui. Pada hari Natal tahun 1984, Greider menemukan tanda-tanda aktivitas enzim pada ekstrak sel. Greider dan Blackburn menamakannya enzim telomerase, memisahkannya, dan menunjukkan bahwa enzim juga mengandung RNA seperti halnya protein. Komponen RNA dibuktikan mengandung urutan CCCCAA. Enzim ini berperan sebagai cetakan saat telomer dibentuk, saat komponen protein dibutuhkan untuk proses konstruksi contohnya aktivitas enzim. Telomerase memperpanjang telomer DNA, menyediakan tempat yang membuat DNA polimerase dapat mencetak keseluruhan panjang kromosom tanpa kehilangan bagian pada ujungnya.

Gambar 2. Mekanisme enzim telomerase dalam menyintesis telomere

Telomer Menunda Penuaan Sel

Peneliti saat ini mulai meneliti apa peran telomer di sel. Kelompok Szostak mengidentifikasi sel ragi yang termutasi dapat menyebabkan pemendekan bertahap dari telomer. Beberapa sel tumbuh dengan buruk dan berhenti membelah. Blackburn dan asistennya membuat mutasi pada RNA telomerase dan meneliti efek yang sama pada Tetrahymena. Pada kedua kasus tersebut, hal ini menimbulkan penuaan sel prematur – penurunan fungsi sel akibat penuaan. Sebaliknya, telomer fungsional malah mencegah kerusakan kromosom dan memperlambat penuaan sel. Selanjutnya, kelompok Greider memperlihatkan bahwa penuaan sel manusia diperlambat oleh telomerase. Penelitian tentang ini telah banyak dan saat ini diketahui bahwa urutan DNA pada telomer menarik protein yang membentuk penutup protektif di sekeliling ujung untai DNA yang rapuh.

Peran Telomer Dalam Membunuh Sel Kanker

Penelitian ini memiliki dampak yang besar pada komunitas ilmuwan. Banyak ilmuwan berspekulasi bahwa telomer memendek dapat merupakan alasan penuaan, tidak hanya sel individual tapi juga pada organisme secara umum. Akan tetapi proses penuaan telah berubah menjadi kompleks dan saat ini dipikirkan bergantung pada beberapa faktor yang berbeda, telomer salah satu diantaranya. Penelitian di wilayah ini akan semakin banyak.

Kebanyakan sel normal tidak membelah terlalu sering, oleh karena itu kromosom tidak punya risiko memendek dan tidak membutuhkan aktivitas telomerase yang tinggi. Sebaliknya sel kanker memiliki kemampuan untuk membelah tidak terbatas dan juga memelihara telomernya. Bagaimana sel kanker menghindar dari penurunan fungsi seluler karena penuaan? Satu penjelasan menjadi jelas dengan penemuan bahwa sel kanker smemiliki aktivitas telomerase yang tinggi. Beberapa penelitian belum dilakukan pada wilayah ini, termasuk percobaan klinis untuk mengevaluasi vaksin yang melawan langsung sel dengan aktivitas telomerase meningkat.

Beberapa penyakit menurun saat ini diketahui menjadi penyebab defek pada telomer, contohnya anemia aplastik kongenital. Penyakit turunan tertentu dari kulit dan paru-paru juga disebabkan oleh kerusakan telomerase.
Kesimpulan, penelitian Blackburn, Greider dan Szostak telah membuka dimensi baru pada pemahaman kita mengenai sel, mekanisme penyakit, dan merangsang pengembangan terapi potensial baru.

Referensi:

1. Szostak JW, Blackburn EH. Cloning yeast telomeres on linear plasmid vectors. Cell 1982; 29:245-255.

2. Greider CW, Blackburn EH. Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts. Cell 1985; 43:405-13.

3. Greider CW, Blackburn EH. A telomeric sequence in the RNA of Tetrahymena telomerase required for telomere repeat synthesis. Nature 1989; 337:331-7.

4.  Nobelforsamlingen, The Nobel Assembly at Karolinska Institute, 2009: http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2009/press.html

5. Prima Almazini, 2009: http://myhealing.wordpress.com/2009/11/08/nobel-kedokteran-2009-misteri-telomer-terpecahkan/

Resume Presentasi 3: DNA fingerprint, Variasi DNA, Regulasi gen, Cross Species Recombinant dan Mental Disorder

1. DNA fingerprint oleh Meri Christina

DNA fingerprint atau yang lebih dikenal dengan sidik jari DNA adalah salah satu metode yang digunakan untuk mengidentifikasi kekhasan pola DNA setiap individu khususnya dalam bidang forensik. DNA fingerprint setiap individu berbeda-beda sehingga dapat digunakan sebagai bukti forensik pada kasus kejahatan. Tes DNA ini bisa digunakan DNA yang terdapat pada inti sel atau DNA mitokondria. Namun DNA inti yang sering digunakaan karena DNA mitokondria sering mengalami mutasi.

Metode analisis DNA fingerprint dimulai dengan isolasi DNA, kemudian sampel DNA diamplifikasi dengan menggunakan PCR. Sampel DNA 1 nanogram saja sudah cukup karena dengan menggunakan PCR, DNA bisa diamplifikasi dalam jumlah yang sangat banyak dan meningkat secara eksponensial.

Selanjutnya kopi DNA hasil PCR danalisis dengan mengguanakan elektroforesis. Karena pola migrasi DNA fingerprint setiap individu berbeda maka analisis ini digunakan sebagai landasan untuk uji forensik pada kasus kejahatan. Seorang pelaku pemerkosa akan diketahui memiliki pola migrasi  yang sama dengan DNA inti pada spermanya.  Oleh karena itu DNA fingerprint sangat berguna dalam bidang forensik.

2. Variasi DNA oleh Hidawati

Salah satu contoh yang menyebakan variasi DNA adalah terjadinya mutasi. Mutasi ini sering terjadi pada DNA inti dan DNA mitokondria. Namun DNA mitokondria memiliki frekuensi mutasi sepuluh kali lebih besar dibandingkan dengan DNA inti. Salah satu alasan kenapa DNA mitokondria lebih sering terjadi mutasi dibandingkan dengan DNA inti dikarenakan lokasi DNA mitokondria berada pada sitoplasma. Oleh karena itu DNA mitokondria bisa mengalami mutasi oleh mutagen diantaranya sinar UV, agen alkilasi, ion radikal dan lain-lain. Mutasi yang terjadi pada DNA bisa menguntungkan atau merugikan. Salah satu contoh mutasi yang merugikan adalah timbulnya tumor atau kanker sedangkan muitasi yang menguntungkan diantaranya mutasi pada sekelompok penduduk di Afrika yang mengalami resisten terhadap malaria. Oleh karena itu mutasi menyebabkan variasi pada DNA.

3. Regulasi gen oleh Khabib Khumaini

Sebagaimana telah dijelaskan dalam resume sebelumnya bahwa ekspresi gen di dalam sel berjalan secara efisien karena adanya sistem regulasi. Sistem regulasi ini bekerja dengan cara mengatur ekspresi enzim di dalam jalur metabolisme. Sistem regulasi ini berbeda-beda ada yang berada pada tiungkat protein seperti enzim allosterik dan ada juga pada level gen seperti Lac operon.  Sistem regulasi pada tingkat gen misal lac operon, bekerja dengan cara mengatur penempelan enzim transcriptase (pengendali transkripsi) dengan promoter. Sedangkan sistem Trp operon diatur oleh kuantitas triptofan di dalam lingkungan. Apabila jumlah triptofan sedikit maka sistem Trp Operon ini bekerja untuk menghasilkan triptofan, begitupula sebaliknya.

Apabila sistem regulasi ini terganggu maka akan menimbulakan sel kanker. Sel kanker adalah suatu sel yang membelah tanpa henti. Pengetahuan mengenai sistem regulasi ini berguna untuk menemukan bagaimana sel kanker itu bisa dimatikan.

4. Cross Species Recombinant oleh Asro

Cross species recombinant adalah salah satu contoh aplikasi dari teknik DNA rekombinan. Di dalam cross species recombinant terjadi penyilangan antar spesies sehingga menghasilkan individu baru yang merupakan gabungan pewarisan sifat dari dua individu yang berbeda. Salah satu contoh diantaranya perkawinan silang antara dua jenis anjing dari spesies yang berbeda untuk menghasilkan speies yang baru.

5. Mental Disorder oleh Dita Ayu Pratiwi

Mental disorder bisa disebabakan oleh kelainan genetik. Salah satu contoh diantaranya autis. Autis adalah suatu keterbelakangan mental yang disebabakan oleh kerusakan genetik yang menyebabkan  gangguan metabolism sehingga mengalami keterbelakangan mental. Salah satu contoh gejala autis adalah menarik diri dari kehidupan sosial, keterbelakangan dalam hal komunikasi, ambisius terhadap suatu hal, melakukan kegiatan yang berulang-ulang, egosentris dan lain-lain.

Resume Presentasi2:Sistem Regulasi Lac Operon, DNA Rekombinan, dan PCR

1. Sistem Regulasi Lac Operon oleh Monita Pasaribu

Sistem ekspresi  gen pada suatu organisme menggunakan suatu regulasi tertentu agar penggunaan energi digunakan efektif dan efisien. Salah satu contoh diantaranya regulasi gen yang dilakukan oleh E.coli dalam hal mendegdradasi laktosa atau yang lebih dikenal dengan sistem lac operon.

Operon adalah sekumpulan gen yang terletak diantara promoter dan terminator. Istilah ini dikemukakan oleh Monod dan Jacob untuk menjelaskan penemuannya yaitu system operon laktosa pada E.coli. E.coli dapat memanfaatkan keberadaan glukosa dan laktosa pada lingkungannya. Apabila di dalam lingkungan terdapat glukosa dan laktosa maka E.coli akan menggunakan glukosa sebagai sumber karbon. Hal ini dikarenakan laktosa adalah suatu disakarida sehingga untuk mengubah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa diperlukan suatu enzim yang disebut β-galaktosidase. Apabila di lingkungan hanya terdapat laktosa maka enzim ini akan diekspresikan oleh E.coli, sedangkan apabila terdapat glukosa maka glukosa ini akan dimanfaatkan terlebih dahulu selanjutnya adalah laktosa. Oleh karena itu sistem regulasi gen diperlukan agar penggunaan energi di dalam sel dilakukan seefisien mungkin.

Pada operon laktosa terdapat tiga gen struktural yaitu gen lac Z, lac Y dan lac A. Masing-masing gen ini mengatur ekspresi enzim  β-galaktosidase, permease dan asetilase. Ekspresi ketiga gen ini diatur oleh suatu gen regulator yang berinteraksi dengan promoter. Gen protein regulator ini adalah gen yang proteinnya digunakan untuk mengatur ekspresi gen lain. Jadi gen-gen dalam suatu operon berkaitan satu sama lain dalam mengatur metabolisme.

2. DNA Rekombinan oleh Samuel Unwakoly

Teknik DNA rekombinan adalah suatu teknik di dalam rekayasa genetika untuk menghasilkan sifat baru dengan cara merekombinasikan gen tertentu dengan DNA genom. Teknik DNA rekombinan merupakan kumpulan teknik-teknik untuk merekombinasi gen dalam tabung reaksi. Teknik itu diantaranya isolasi DNA, teknik memotong DNA, teknik menggbung DNA dan teknik untuk memasukan DNA ke dalam sel hidup.

Adapun perangkat yang digunakan dalam teknik DNA rekombinan diantaranya enzim restriksi untuk memotong DNA, enzim ligase untuk menyambung DNA dan vektor untuk menyambung dan mengklonkan gen di dalam sel hidup  Vektor yang sering digunakan diantarnya plasmid, kosmid dan bakteriofaga.

Aplikasi teknik DNA rekombinan dalam bioteknologi diantaranya adalah produksi vaksin, insulin, antibodi dan sebagainya. Misalkan saja insulin yang digunakan untuk mengatasi diabetes diproduksi dengan menggunakan teknik DNA rekombinan. Gen insulin yang berasal dari sapi kemudian ditentukan urutan DNA-nya setelah itu direkombinasikan di dalam suatu vektor misal plasmid kemudian dimasukan dalam sel bakteri. Selanjutnya bakteri ini mengalami transformasi dan bisa menghasilkan insulin. Ini adalah salah satu contoh aplikasi teknik DNA rekombinan dalam bioteknologi.

3. PCR oleh Yuni

PCR (polymerase chain reaction) adalah suatu teknik untuk mengamplifikasi DNA secara in vitro. Teknik PCR ditemukan oleh Kary Mullis pada tahun 1983 dan mendapatkan hadiah Nobel pada tahun 1994. Tahap-tahap dalam PCR diantaranya:

Tahap 1. Denaturasi

Tahap ini dilakukan untuk memutuskan ikatan hidrogen antar DNA. DNA untai ganda akan menjadi untai tunggal pada tahap ini karena ikatan hidrogen yang menghubungkan untai DNA itu putus. Tahap denaturasi ini terjadi pada suhu 94-96 ⁰C. Tahap denaturasi ini dilakukan selama lima menit untuk memastikan seluruh DNA berada dalam keadaan single stranded. Untai DNA tunggal ini digunakan sebagai template penempelan primer.

Tahap 2. Penempelan

Tahap selanjutnya adalah tahap penempelan primer pada template DNA untai tunggal. Tahap ini terjadi pada suhu 45-60 ⁰C selama 1-2 menit. Penggunaan suhu yang tidak tepat menyebabkan primer tidak menempel pada posisi yang seharusnya.

Tahap 3. Pemanjangan

Tahap terakhir dalam PCR adalah tahap penempelan. Tahap ini terjadi pemanjangan DNA dengan bantuan DNA Taq Polimerase. Tahap ini terjadi pada suhu 76 ⁰C selama satu menit. Setelah tahap ini siklus DNA berulang kembali ke tahap sebelumnya untuk menghasilkan jumlah DNA  yang berlimpah.