Genom Prokariot dan Eukariot

Terdapat dua kelompok organisme yaitu

1. 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.
2. Prokariot: merupakan kelompok yang selnya tidak memiliki kompartemen internal. Terdapat dua kelompok dalam prokariot yang dibedakan berbdasarkan karakteristik gentik dan biokimia yaitu:

* Bakteri : termasuk didalam kelompok ini adalah prokariota umum seperti bakteri gram negative (misalnya E. coli), bakteri gram positif (misal Bacillus subtilis), tcyanobacteria (misal Anabaena).
* 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 1. Struktur sel eukariot dan prokariot

Genom eukariot
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 Ukuran genom eukariot (Brown, 2002)

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 2. Perbandingan genome manusia, yeast, lalat buah, jagung dan E. coli. (A) Segmen 50-kb dari lokus reseptor β T-cell manusia.(B) Saccharomycescerevisiae (chromosome III) (C) Drosophila melanogaster (D) jagung dan (E) E. coli K12

Pada gambar di atas, segmen 50-kb dari genom manusia dibandingkan dengan segmen 50-kb genom yeast. Segmen genom yeast yang berasal dari kromosom III memiliki karakteristik sebagai berikut:

* 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 pembacaan kode genetic selama proses sintesis protein.
* 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.
* 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 Kekompakan genom yeast, lalat buah dan manusia (Brown, 2002 )

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

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 Plasmid adalah DNA sirkular kecil yang terdapat pada sel prokariot

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.