Packaging DNA: DNA, Histon, Nukleosom, dan Kromatin

Genom haploid manusia mengandung sekitar 3 milliar pasang basa yang dikemas dalam 23 kromosom. Sebagian besar sel di dalam tubuh bersifat diploid kecuali sel telur pada wanita atau sel sperma pada pria, sehingga secara total terdapat kurang lebih 6 milliar pasang basa DNA pada setiap sel. Oleh karena setiap pasangan basa memiliki panjang 0,34 nanometer (1 nanometer = 0,000001 meter), maka setiap sel diploid mengandung setidaknya sekitar 2 meter DNA. Selain itu, diperkirakan tubuh manusia mengandung sekitar 50 trilliun sel, sehingga dapat menghasilkan DNA dengan panjang 100 trilliun meter per manusia. Jarak matahari ke bumi adalah 150 milliar meter, yang artinya setiap manusia memiliki cukup DNA untuk pergi ke matahari dan kembali lagi sebanyak 300 kali, atau satu manusia mengelilingi panjang DNA sekitar 2,5 juta kali keliling bumi.

DNA, Histon, dan Kromatin

Jawaban atas pertanyaan ini terletak pada fakta bahwa terdapat protein tertentu yang memadatkan DNA kromosom pada suatu ruang mikroskopis pada nukleus eukariotik. Protein ini disebut dengan protein histon yang membentuk ikatan dengan DNA sehingga membentuk kromatin. Selain memperkokoh struktur kromatin, histon juga menyediakan energi (terutama dalam bentuk interaksi elektrostatik) untuk melipat DNA sehingga kromatin dapat dikemas dalam volume yang jauh lebih kecil. Protein histon adalah kumpulan protein yang memiki muatan positif yang terdiri dari H1, H2A, H2B, dan H4. DNA memiliki muatan negatif karena memiliki gugus fosfat dalam struktur gula fosfatnya, sehingga dapat berikatan dengan histon dengan sangat erat.

Gambar 1. DNA kromosom dikemas di dalam inti mikroskopis dengan bantuan protein histone. Histon adalah protein bermuatan positif yang sangat berikatan erat dengan DNA bermuatan negatif dan membentuk kompleks yang disebut nukleosom. Setiap nuklesom terdiri dari lilitan DNA sebanyak 1,65 kali dengan delapan protein histone. Nukleosom melipat untuk membentuk serat kromatin 30-nanometer, yang membentuk loop dengan rata-rata panjang 300 nanometer. Serat 300 nm dikompres dan dilipat untuk menghasilkan serat selebar 250 nm, yang menyusun kromatid dalam kromosom.

Heterokromatin dan Eukromatin

Secara klasik, terdapat dua jenis utama kromatin, tetapi sekarang telah diketahui bahwa jenis ini merupakan ujung dari spektrum yang kontinu dan bervariasi. Eukromatin tampak lebih longgar, sehingga DNA lebih mudah diakses dan cenderung mengandung gen yang sedang ditranskripsi, atau mungkin perlu ditranskripsi demi memenuhi kebutuhan sel. Heterokromatin tampak lebih padat dan sering kaya akan sekuens berulang dan sekuens yang tidak ditranskripsi dalam sel, sehingga gen-gen tersebut dinonaktifkan.

Gen spesifik dapat dalam keadaan eukromatin dalam satu sel, sementara keadaan heterokromatin di dalam sel lain. Misalnya, dalam sel beta pankreas, gen untuk produksi insulin berada dalam keadaan eukromatin karena sel tersebut perlu memproduksi insulin, sedangkan gen untuk insulin berada dalam keadaan heterokromatin untuk seluruh sel lain selain sel beta pankreas di dalam tubuh. karena sel-sel selain sel pankreas tidak menghasilkan protein yang berkaitan dengan insulin. Contoh lainnya adalah gen untuk protein hemoglobin, yang berada dalam keadaan eukromatin pada sel-sel sumsum tulang belakang yang memiliki fungsi membentuk sel darah karena sel darah merah tersebut membutuhkan protein hemoglobin. Sel tubuh lainnya tidak membutuhkan hemoglobin untuk tujuan fungsional, sehingga gen tersebut berada dalam keadaan heterokromatin dalam sel lainnya. Pompa natrium-kalium yang mengatur homeostasis pada hampir setiap sel sangat penting dan oleh karena itu dalam keadaan eukromatin di semua sel. Telomerase, yang memperpanjang ujung DNA selama perkembangan, dimatikan begitu seorang anak lahir. Hal ini adalah contoh gen dalam keadaan heterokromatin untuk hampir semua sel yang berfungsi normal. DNA dalam sentromer dan telomer kromosom selalu tersusun dari heterokromatin karena memiliki fungsi yang berbeda di luar ekspresi gen. Urutan dalam sentromer berhubungan dengan protein yang berfungsi sebagai situs jangkar mikrotubulus yang akan memisahkan kromosom selama mitosis. Urutan telomere pendek, segmen berulang yang mencegah hilangnya urutan DNA selama proses replikasi DNA. Baik telomer dan sentromer dapat dikenali oleh protein karena fitur struktural dari sekuens berulang. Selama sebagian besar siklus sel, kromosom mungkin memiliki jumlah eukromatin dan heterokromatin yang bervariasi. Namun, selama mitosis dan meiosis, kromosom adalah struktur yang paling padat sehingga proses transkripsi sebagian besar tidak aktif.

Nukleosom sebagai Unit Dari Kromatin

Unit struktural dan fungsional kromatin adalah nukleosom, yang mengandung delapan protein histon dengan sekitar 146 pasang basa DNA. Pengamatan secara mikroskopik menggunakan mikroskop elektron menunjukkan bahwa kromatin seperti manik-manik benang sehingga memberikan petunjuk awal bahwa terdapat nukleosom di dalam nukleus. Petunjuk lain berasal dari ikatan antara histone dengan DNA secara kimia membentuk kromatin. Eksperimen ini menunjukkan bahwa protein histon H2A, H2B, H3, dan H4 membentuk octamer protein diskrit, yang sepenuhnya konsisten dengan adanya unit yang mengandung histone yang berulang dalam serat kromatin.

Saat ini, para telah diketahui bahwa nukleosom tersusun sebagai berikut: Dua dari masing-masing protein histone H2A, H2B, H3, dan H4 berkumpul untuk membentuk histone octamer yang mengikat dan membungkus sekitar 1,6 putaran DNA, atau sekitar 146 pasang basa. Penambahan satu protein histon H1 membungkus 20 pasang basa lainnya, menghasilkan dua putaran penuh di sekitar octamer, dan membentuk struktur yang disebut kromatosom (Gambar 1). Sebanyak 166 pasang basa yang dihasilkan dari satu kromatosom menunjukkan bahwa pada setiap kromosom mengandung lebih dari 100 juta DNA rata-rata pasang basa. Oleh karena itu, setiap kromosom mengandung ratusan ribu nukleosom, dan nukleosom ini bergabung dengan DNA yang terdapat di antara nukleosom (rata-rata sekitar 20 pasang basa). Dengan demikian, setiap kromosom merupakan rantai panjang nukleosom.

Gambar 2. Kromosom eukarioktik pada struktur yang kompak

Kromatin adalah Struktur Tingkat Tinggi dari Gulungan Nukleosom

Pengemasan DNA ke dalam nukleosom memperpendek panjang serat hingga tujuh kali lipat. Dengan kata lain, sepotong DNA yang panjangnya 1 meter akan menjadi serat kromatin dengan panjang hanya 14 sentimeter (sekitar 6 inci). Terlepas dari pemendekan ini, 14 cm kromatin masih terlalu besar untuk masuk ke dalam nukleus, yang biasanya hanya berdiameter 10 hingga 20 mikron. Oleh karena itu, kromatin selanjutnya melingkar dan menggulung menjadi serat yang lebih pendek dan lebih tebal yang disebut “serat 30-nanometer,” karena berdiameter sekitar 30 nanometer.

Selama bertahun-tahun, terdapat banyak spekulasi mengenai cara nukleosom dilipat menjadi serat 30-nanometer. Bagian dari perdebatannya terletak pada fakta bahwa mikroskop elektron mungkin merupakan cara terbaik untuk memvisualisasikan kemasan DNA, akan tetapi nukleosom pada individu sulit untuk dilihat dengan jelas setelah serat terbentuk. Selain itu, perbedaan apakah pengamatan dilakukan dengan menggunakan serat kromatin terisolasi atau kromatin dalam seluruh nuklei menjadi pertanyaan yang belum terjawab. Dengan demikian, serat 30-nanometer mungkin sangat tidak teratur dan tidak cukup terstruktur seperti yang digambarkan dalam gambar seperti Gambar 1. Menariknya, histone H1 sangat penting dalam menstabilkan struktur tingkat tinggi kromatin, dan serat 30-nanometer dapat terbentuk ketika protein histon H1 masuk ke dalam struktur.

DNA → nucleosome → solenoid → chromatin fiber → chromatid → chromosome

DNA to Chromosome

Proses seperti transkripsi dan replikasi membutuhkan dua untai DNA untuk terpisah secara sementara, sehingga memungkinkan enzim polimerase mengakses DNA template. Namun, keberadaan nukleosom dan lipatan kromatin menjadi serat 30-nanometer menimbulkan hambatan pada enzim yang bertuga suntuk melepas dan menyalin DNA. Oleh karena itu penting bagi sel untuk memiliki cara untuk membuka serat kromatin dan/atau menghilangkan histon secara sementara untuk memungkinkan terjadinya proses transkripsi dan replikasi . Secara umum, ada dua mekanisme utama dimana DNA dalam kromatin mudah untuk diakses: (1) Histon dapat dimodifikasi secara enzimatis dengan penambahan gugus asetil, metil, atau fosfat,dan (2) Histones dapat digantikan oleh kompleks remodelling kromatin, sehingga sekuens DNA yang mendasarinya dapat diakses oleh enzim polimerase dan enzim lainnya. Penting untuk diingat bahwa proses ini dapat dibalik, sehingga kromatin yang dimodifikasi atau direnovasi dapat dikembalikan ke keadaan kompaknya setelah transkripsi dan/atau replikasi selesai.

Bentuk Kromosom Terpadat pada Tahapan Metafase

Ketika sel eukariotik bermitosis, DNA genomik harus diduplikasi dan dibagi ke dalam kedua sel anak. Untuk mencapai ini, DNA menjadi sangat padat didalam kromosom metafase yang dapat dilihat dengan mikroskop cahaya. Setelah sel terbagi, kromosomnya akan terurai kembali menjadi kromatin. Pada tahapan metafase rasio pengemasan DNA dalam kromosom metafase adalah sekitar 10.000: 1 (tergantung pada spesies). Pengemasan ini dapat dianggap sama dengan mengambil tali sepanjanng lapangan sepak bola dan memadatkannya menjadi kurang dari setengah inci. Tingkat pemadatan ini dicapai dengan melipat serat kromatin berulang kali ke dalam hierarki beberapa lekukan dan kumparan. Bagaimana tepatnya hal ini dilakukan masih tidak jelas, tetapi fosforilasi histone H1 memiliki peran penting dalam proses ini. Topik ini selalu menarik bagi para meneliti untuk meneliti dan mengkajinya lebih jauh untuk menjawab pertanyaan yang belum terjawab.