Genom (Ing. genome), dalam genetika dan biologi molekular modern, adalah
keseluruhan informasi genetik yang dimiliki suatu sel atau organisme, atau
khususnya keseluruhan asam nukleat yang memuat informasi tersebut. Secara
fisik, genom dapat terbagi menjadi molekul-molekul asam nukleat yang berbeda
(sebagai kromosom atau plasmid), sementara secara fungsi, genom dapat terbagi
menjadi gen-gen. Istilah genom diperkenalkan oleh Hans Winkler dari Universitas
Hamburg, Jerman, pada tahun 1920, mungkin sebagai gabungan dari kata gen dan
kromosom atau dimaksudkan untuk menyatakan kumpulan gen.
Genom adalah gugus atau himpunan gen lengkap dari suatu organisme yang
mengendalikan keseluruhan metabolisme sehingga organisme tersebut dapat hidup
dengan sempurna. Genom terdiri dari satu set lengkap kromosom yang
diturunkan dari tetuanya. Banyaknya gen yang terdapat dalam suatu genom berbeda
antar organisme. Semakin rumit suatu organisme, semakin banyak gen yang
dikandung di dalam genomnya. Istilah genom dipakai untuk menunjukkan
keseluruhan kode genetik pada kromosom yang ada pada suatu organi sme. Baru
pada tahun 1944 diketah ui, materi dari kode genetik itu adalah DNA yang ada
pada setiap organisme.
Sekarang ini istilah genom telah dikenal luas mas yarakat. Tidak semua
rangkaian DNA itu mengkode suatu gen, kebanyakan justru bagian yang tak
berfungsi apaapa atau yang biasa d ikenal dengan DNA sampah ( junk DNA ). Genom
eukariot lebih komplek dibandingkan dengan genom prokariot. Selain itu
genom tana man diketahui memiliki kompleksitas lebih tinggi dibanding dengan
genom eukariot lainnya. Gen-gen tersebut mengandung info rmasi untuk
semua protein yang diperlukan dalam kehidupan suatu organisme. Protein-protein
ini berfu ngsi antara lain memberi bentuk organisme, membantu tubuh memproses
makanan, menentukan bagaimana organisme bertingkah laku ataupun beradaptasi
terhadap lingkungan hidupnya.
DNA terdiri dari empat struktur kimia yang hampir sama susunannya, dinama
kan nukleotida, yaitu Adenin (A), Timin (T), Sitosin (C)
dan Guanin (G). Empat basa ini diulang-ulang ribuan samp ai jutaan
kali jumlahnya dalam genom, mulai dari organisme sederhana bersel tunggal
seperti bakteri sampai yang kompleks dengan sel ba nyak seperti tanaman, hewan
dan manusia. Sebagai perbandingan, genom Eschericia coli,
sang bakteri dalam usus perut kita, berukuran 4,5 juta basa,
Arabidopsis berjumlah 150 juta basa, tanaman padi berjumlah 453 juta basa,
sedangkan manusia memiliki genom sebesar tiga miliar basa. Urutan (sekuen) DNA
yang tersusun dari empat nukleotida ini sangatlah penting, karena sekuen
ini me landasi perbedaan da ri setiap makhluk hidup. Bahkan menentukan spesies
suatu organisme. Dalam sel tumbuhan terdapat tiga je ni s genom yaitu
genom inti sel, genom kloroplas dan genom mitokondria. Ukuran genom yang
tersimpan dalam inti sel akan lebih besar daripada inti sel itu sendi ri.
Ukuran inti sel tumbuhan berkisar 3-10 m dengan kandungan DNA sekitar 10 11
pasang basa. Organ mitokondria dan kloroplas juga mengandung bahan gentik
ya ng penting tetapi biasanya dalam jumlah gen yang sangat kecil dan
bersifat pewarisan maternal. Informasi dalam DNA harus
terorganisasi dengan cara te rtentu supaya dapat disimpan dalam organel dan
tetap bisa dimanfaatkan sebagai sumber informasi.
Setiap organisme memiliki genom yang mengandung informasi biologis yang
diperlukan untuk membangun tubuhnya dan mempertahankan hidupnya serta
diwariskan ke generasi berikutnya. Dengan sejumlah interaksi kompleks, urutan
nukleotida komponen penyusun asam nukleat digunakan untuk membuat semua protein
pada suatu organisme pada waktu dan tempat yang sesuai. Protein ini menjadi
komponen pembentuk tubuh organisme atau memiliki kemampuan membuat komponen
pembentuk tubuh tersebut atau mendorong reaksi metabolisme yang diperlukan
untuk hidup. Kebanyakan genom, termasuk milik manusia dan makhluk hidup bersel
lainnya, terbuat dari DNA (asam deoksiribonukleat), namun sejumlah virus
memiliki genom RNA (asam ribonukleat).
Kajian yang mempelajari genom dikenal sebagai genomika (genomics). Saat
ini, urutan nukleotida pada genom sejumlah organisme telah dipetakan seluruhnya
dengan teknik sekuensing DNA dalam berbagai proyek genom, misalnya Proyek Genom
Manusia yang diselesaikan pada tahun 2003. Perbandingan genom organisme dapat
memberikan informasi mengenai karakteristik organisme tersebut, evolusinya, dan
berbagai proses biologis.
DNA unting ganda (double stranded, "ds") merupakan komponen
pembentuk genom kebanyakan organisme dan semua sel. Namun demikian, virus RNA
memiliki genom RNA ds atau unting tunggal (single stranded, "ss").
Secara umum, setiap molekul asam nukleat genom dapat disebut sebagai kromosom.
Genom prokariota (organisme tanpa inti sel, contohnya bakteri) biasanya berupa
molekul tunggal dsDNA sirkular, walaupun dapat pula terdapat DNA ekstrakromosom
berbentuk plasmid sirkular yang menyandikan produk gen yang menguntungkan namun
tidak esensial. Sementara itu, genom eukariota (organisme berinti sel,
contohnya manusia) biasanya berupa sejumlah molekul dsDNA linear. Istilah genom
inti (nuclear genome) pada eukariota mengacu pada informasi genetik berupa
kromosom, dan kadang kala juga fragmen DNA ekstrakromosom, di dalam inti sel.
Genom ekstranuklear sel eukariotik mencakup genom mitokondria dan kloroplas,
yang berupa molekul dsDNA sirkular seperti pada prokariota.
Kebanyakan prokariota memiliki satu kromosom saja. Karena itu, prokariota
umumnya mengandung satu salinan setiap gen dan dengan demikian bersifat
haploid. Sementara itu, eukariota umumnya memiliki dua salinan setiap gen dan
secara genetik bersifat diploid. Ada pula organisme (misalnya, tumbuhan) yang
memiliki lebih dari dua set kromosom dalam inti setiap sel tubuhnya, atau
disebut bersifat poliploid.
Secara umum, terdapat perbedaan ukuran genom, jumlah gen, dan densitas gen
antara prokariota dan eukariota. Prokariota memiliki genom yang lebih kecil
dengan jumlah gen lebih sedikit dan densitas gen lebih besar bila dibandingkan
dengan eukariota. Bakteria dan arkea umumnya memiliki genom berukuran sekitar
1–6 juta pasangan basa (Mb) yang mengandung 1.500–7.500 gen. Misalnya, genom
bakteri Escherichia coli berukuran 4,6 Mb dan mengandung sekitar 4.300 gen.
Sebaliknya, eukariota memiliki genom lebih besar dengan jumlah gen lebih
banyak. Genom khamir bersel tunggal Saccharomyces cerevisiae (tergolong fungi),
misalnya, berukuran sekitar 12 Mb, sedangkan kebanyakan tumbuhan dan hewan
multisel memiliki genom lebih dari 100 Mb. Sementara itu, jumlah gen dalam
genom eukariota dapat mencapai 5.000 pada fungi bersel tunggal sampai dengan
40.000 pada makhluk multiselular. Selain itu, eukariota secara umum memiliki
jumlah gen yang lebih sedikit per pasangan basa dibandingkan dengan prokariota,
yaitu densitas gennya lebih rendah. Misalnya, manusia memiliki genom dengan
ukuran ratusan sampai ribuan kali lebih besar daripada bakteri, tetapi jumlah
gennya hanya 5 sampai 15 kali lebih banyak.
Terdapat dua kelompok organisme yaitu Eukariot dan Prokariot. Eukariot
merupakan kelompok yang memiliki sel dengan kompartemen yang dikelilingi
membrane (membrane-bound compartments) termasuk nukleus, organel-organel
seperti mitokondria, kloroplas dan lain-lain. Termasuk ke dalam eukariot adalah
hewan, tanaman, fungi dan protozoa.
Sedangkan Prokariot merupakan kelompok yang selnya tidak memiliki
kompartemen internal. Terdapat dua kelompok dalam prokariot yang dibedakan
berbdasarkan karakteristik gentik dan biokimia yaitu:
a.
Bakteri : termasuk didalam
kelompok ini adalah prokariota umum seperti bakteri gram negative (misalnya E.
coli), bakteri gram positif (misal Bacillus subtilis), tcyanobacteria (misal
Anabaena).
b.
Archaea: belum dipelajari secara
luas dan intensif dan ditemukan pada lingkungan ekstrim seperti pada sumber air
panas, kolam-kolam air asin atau dasar danau anaerobik.
Eukariot dan prokariot memliki tipe genom yang berbeda. Gambar berikut
menunjukkan perbedaan struktur sel eukariot dan prokariot.
Gambar 6.
perbedaan genom Eukariotik dan Prokariotik
Genom manusia merupakan model yang baik bagi genom eukariot secara umum.
Genom nuclear eukariotik memiliki molekul DNA linear yang terdapat di dalam
kromosom. Semua eukariot juga memiliki genom yang lebih kecil yang berbentuk
sirkular yaitu genom mitokondria. Pada tumbuhan, terdapat genom lain yaitu
genom kloroplas.
Walaupun struktur dasar eukariot mirip tetapi satu hal penting yang sangat
berbeda adalah ukuran genom. Genom eukariot yang terkecil berukuran kurang dari
10Mb panjangnya. Sedangkan genom yang terbesar berukuran lebih dari 100 000 Mb.
Variasi ukuran genom dapat dilihat pada tabel di bawah ini.
Tabel 1. Ukuran genom eukariot
Spesies
|
Ukuran genom (Mb)
|
Fungi
|
|
Saccharomyces cerevisiae
|
12.1
|
Aspergillus nidulans
|
25.4
|
Protozoa
|
|
Tetrahymena pyriformis
|
190
|
Invertebrates
|
|
Caenorhabditis elegans
|
97
|
Drosophila melanogaster
|
180
|
Bombyx mori (silkworm)
|
490
|
Strongylocentrotus
purpuratus (sea urchin)
|
845
|
Locusta
migratoria (locust)
|
5000
|
Vertebrates
|
|
Takifugu
rubripes (pufferfish)
|
400
|
Homo sapiens
|
3200
|
Mus musculus (mouse)
|
3300
|
Plants
|
|
Arabidopsis
thaliana (vetch)
|
125
|
Oryza sativa (rice)
|
430
|
Zea mays (maize)
|
2500
|
Pisum sativum (pea)
|
4800
|
Triticum aestivum (wheat)
|
16 000
|
Fritillaria
assyriaca (fritillary)
|
120 000
|
Seperti terlihat pada tabel, ukuran genom bervariasi dan berhubungan dengan
kekompleksan organisme. Eukariot yang lebih sederhana seperti fungi memiliki
genom yang paling kecil, dan eukariot yang lebih tinggi seperti vertebrata dan
tanaman berbunga memiliki genome yang lebih besar. Hal ini mungkin terlihat
masuk akal, karena kompleksitas organism diharapkan berhubungan dengan jumlah
gen dalam genom – eukariot yang lebih tinggi memerlukan genom yang lebih besar
untuk mengakomodasi gen ekstra. Tetapi korelasi ini jauh dari sempurna, jika
korelasinya baik, maka genom nuklear yeast S. cerevisiae, yang berukuran 12 Mb
adalah 0.004 kali ukuran genom nuklear manusia, akan mengandung 0.004 × 35 000
gen yaitu hanya 140. Padahal kenyataannya genom S. cerevisiae mengandung 5800
gen.
|
Tidak adanya korelasi antara kompleksitas suatu
organism dengan ukuran genomnya, disebut sebagai C-value paradox. Jawabannya
sederhana yaitu: tempat disiapkan di genom organisme yang kurang kompleks
karena gen terpak bersama. Genom S. cerevisiae yang sekuensnya selesai
dikerjakan tahun 1996 menggambarkan hal ini seperti terlihat pada gambar di
bawah ini.
Gambar 7. Segmen genom hewan
dan bakteri
Pada gambar di atas, segmen 50-kb dari genom hewan dibandingkan dengan
segmen 50-kb genom yeast. Segmen genom yeast yang berasal dari kromosom III
memiliki karakteristik sebagai berikut:
1.
Memiliki lebih banyak gen
dibandingkan segmen pada manusia. Daerah pada kromosom III yeast ini mengandung
26 gen yang mengkode protein dan dua yang mengkode transfer RNA (tRNA), molekul
non-coding RNA terlibat dalam
2.
pembacaan kode genetic selama
proses sintesis protein.
3.
Relatif sedikit gen yeast yang
discontinuous. Pada segmen kromosom III ini, tidak ada gen yang discontinuous.
Dalam keseluruhan genom yeast hanya terdapat 239 introns, dibandingkan dengan
lebih dari 300 000 pada genom manusia.
3. Terdapat lebih sedikit genome-wide repeats. Bagian kromosom
III ini mengandung elemen sebuah repeat tunggal long terminal (LTR) element,
disebut Ty2, dan empat truncated LTR elements disebut delta sequences. Kelima
genome-wide repeats membentuk 13.5% dari segmen 50-kb, tetapi gambaran ini
tidak secara keseluruhan khas pada genom yeast secara keseluruhan. Ketika ke-16
kromosom yeast dipertimbangkan, jumlah total sekuens yang diambil oleh
genome-wide repeats hanya 3.4% dari total. Pada manusia, genome-wide repeats
membentuk 44% genom.
Gambaran yang muncul adalah bahwa organisasi genetik pada genom yeast lebih
ekonomis dibandingkan pada manusia. Gen-gen lebih kompak/padat, memiliki lebih
sedikit intron dan ruang antara gen relative pendek, dengan jauh lebih sedikit
ruang yang diambil oleh genome-wide repeats dan sekuens-sekuens non-coding. Hipotesis
bahwa organism yang lebih komples mengandung genom yang kurang kompak juga
terdapat pada spesies-spesies lain yang diteliti. Gambar diatas juga
menunjukkan segmen 50 kb genom dari lalat buah. Jika kita sependapat bahwa
lalat buah lebih kompleks daripada sel yeast tetapi kurang kompleks
dibandingkan genom manusia, maka kita akan menduga bahwa organisasi genom lalat
buah akan berada di antara yeast dan manusia. Pada gambar, segmen 50 kb genom
lalat buah memiliki 11 gen, lebih dari gen pada segmen manusia, tetapi kurang
dari gen pada lalat buah. Semua gen ini discontinuous. Hal ini sesuai ketika
keseluruhan sekuens genom dari 3 organisme dibandingkan (Tabel 2). Densitas gen
pada genom lalat buah adalah intermediet antara densitas genom pada yeast dan
manusia. Rata-rata gen lalat buah memiliki lebih banyak intron daripada
rata-rata gen yeast tetapi tetap tiga kali lebih sedikit dibandingkan rata-rata
gen manusia.
Tabel 2. Kekompakan genom yeast, lalat buah dan manusia
Karakteristik
|
Yeast
|
Lalat buah
|
Manusia
|
Gene density (average number
per Mb)
|
479
|
76
|
11
|
Introns per gene (average)
|
0.04
|
3
|
9
|
Amount of the genome that is
taken up by genome-wide repeats
|
3.40%
|
12%
|
44%
|
Perbandingan antara genom yeast, lalat buah dan manusia dapat juga dilihat
dari genome-wide repeats. Hal ini membentuk 3.4% dari genom yeast, 12% genom
lalat buah dan 44% genom manusia. Genome-wide repeats memainkan peranan penting
dalam menentukan kekompakan sebuah genom. Hanya sedikit daerah-daerah pada
genom jagung yang telah disekuen, tetapi hasil telah diperoleh yang menunjukkan
genom didominasi oleh elemen repetitive. Gambar 2.2D menunjukkan sebuah segmen
50-kb satu anggota dari family gen yang mengkode enzim alcohol dehydrogenase.
Gen ini adalah satu-satunya gen dalam daerah 50-kb ini. Walaupun ada gen kedua
yang tidak diketahui fungsinya kira-kira 100kb sebelum ujung akhir sekuens yang
ditunjukkan disini. Karakteristik dominan segmen genom ini adalah genome
segment is the genome-wide repeats. Mayoritas adalah elemen LTR yang terdiri
dari bagian non-coding dan diperkirakan membentuk kira-kira 50% genom jagung.
Satu atau lebih famili dari genome-wide repeats telah mengalami proliferasi
pada genom spesies tertentu.
Jadi ukuran genom tidak meningkat dengan semakin kompleksnya organism
tetapi organism yang sama dapat berbeda dalam ukuran genomnya. Contohnya pada
Amoeba dubia yang merupakan protozoa, diduga memiliki genom 100–500 kb, sama
dengan protozoa lain seperti Tetrahymena pyriformis (seperti terlihat pada
Tabel 1). Tetapi kenyataannya genom Amoeba lebih dari 200 000 Mb. Sama halnya
kita menduga jangkrik memiliki genom yang sama dengan insekta lain, tetapi
jangkrik memiliki genom berukuran 2000 Mb, yangmana 11 kali lebih besar dari
genom lalat buah.
Genom prokariot berbeda dengan genom eukariot. Terdapat beberapa overlap
dalam ukuran antara genom prokariotik terbesar dengan prokariotik terkecil.
Tetapi secara keseluruhan prokarotik genom berukuran lebih kecil. Misalnya
genom E. coli K12 adalah 4639 kb, hanya 2/5 dari genom yeast dan hanya memiliki
4405 gen. Organisasi fisik genom juga berbeda antara eukariot dengan prokariot.
Pandangan tradisional adalah bahwa seluruh prokariot memiliki satu molekul DNA
sirkular . Selain ‘kromosom’ tunggal ini, prokariot juga dapat memiliki gen
tambahan yang independen, sirkular yang disebut plasmid.
Gambar 8. Plasmid pada bakteri
Gen yang dibawa oleh plasmid berguna, karena mengkode sifat-sifat ketahanan
terhadap antibiotik atau kemampuan untuk memanfaatkan komponen kompleks seperti
toluene sebagai sumber karbon. Tetapi prokariot dapat bertahan secara efektif
tanpa plasmid. Prokariot menunjukkan keragaman dalam organisasi genom. E. coli
memiliki genom unipartite, tetapi prokariot lainnya lebih kompleks. Misalnya
Borrelia burgdorferi B31, memiliki kromosom linier 911 kb, membawa 853 gen,
dilengkapi dengan 17 atau 18 molekul linier dan sirkuler, yang keseluruhannya
menyumbangkan 533 kb dan paling tidak 430 gen. Genom multipartite dikenal pada
banyak bacteria dan arkaea.
Genom prokariotik lebih kompak dibandingkan genom yeast dal eukariot
tingkat bawah lainnya. Seperti terlihat pada Gambar 2.2E yang memperlihatkan
segmen 50-kb genom E. coli K12. Terlihat bahwa terdapat lebih banyak gen dan
kurang ada ruang diantaranya, dengan 43 gen mengambil tempat 85.9% segmen.
Beberapa gen terlihat tidak memiliki ruang diantaranya, thrA dan thrB, misalnya
dipisahkan dengan sebuah nukleotida tunggal, dan thrC mulai pada nukeotida
segera sesudah nukleotida terakhir pada thrB. Ketiga gen ini adalah contoh dari
operon, sebuah kelompok gen yang terlibat dalam sebuah lintasan biokimia (dalam
hal ini sintesis asam amino threonine) dan diekspresikan bersama-sama dengan
yang lainnya. Operon digunakan sebagai model untuk memahami bagaimana ekspresi
gen diatur. Secara umum, gen prokariot lebih pendek dibandingkan eukariot,
rata-rata panjang sebauh gen bakteri berkisar 2/3 gen eukariot, bahkan setelah
intron dihilangkan dari eukariot. Gen bakteri sedikit lebih panjang
dibandingkan gen arkaea.
Dua karakteristik genom prokariot yang dapat dilihat dari Gambar 2.2E
adalah, pertama, tidak ada intron pada gen pada segmen dari genom E. coli ini.
Bahkan E. coli tidak memiliki gen discontinuous. Karakteristik kedua adalah
infrequency of repetitive sequences. Genom prokariot tidak memiliki apapun yang
ekivalen terhadap high-copy-number genome-wide repeat families yang ditemukan
pada genom eukariot. Mereka memiliki sekuen tertentu yang mungkin berulang di
dalam genom. Contohnya adalah insertion sequences IS1 dan IS186yang dapat
dilihat pada segmen 50-kb pada Gambar 2.2E. Terdapat contoh transposable
elements, yaitu sekuen yang dapat berpindah sekeliling genom. Posisi elemen
IS1dan IS186 yang ditunjukkan pada Gambar 2.2E merujuk pada isolate E. coli
tertentu. Jika isolate berbeda yang diperiksa, maka sekuen IS dapat berbeda
posisi atau dapat pula absen dari genom. Sebagian besar genom prokariot lainnya
memiliki sangat sedikit sekuen berulang/repeat sequences – secara virtual tidak
terdapat pada genom 1.64 Mb dari Campylobacter jejuni NCTC11168 – tetapi
terdapat perkecualian, pada bakteri meningitis Neisseria meningitidis Z2491, yang
memiliki lebih dari 3700 copi dari15 tipe berbeda repeat sequence, secara
kolektif membentuk hamper 11% dari genom 2.18 Mb.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar