---
title: "Kemantapan Genom: Kerusakan, Perbaikan, dan Rekombinasi DNA"
book: "Biologi Universitas — Tahun 3"
subject: biology
language: id
chapter: 3
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/biology/5/id/chapter/3-kemantapan-genom-kerusakan-perbaikan-dan-rekombinasi-dna
---

# Bab 3 — Kemantapan Genom: Kerusakan, Perbaikan, dan Rekombinasi DNA

Satu petang di pantai menanamkan kira-kira seratus ribu [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) kimia ke dalam DNA setiap sel kulit yang terpapar matahari: timina bersebelahan yang dilas menjadi dimer oleh sinar ultraungu, basa yang teroksidasi, untai yang tertakik. Tanpa matahari sama sekali, air hangat di dalam sel menanggalkan kira-kira sepuluh ribu purina dari gulanya setiap hari dan mengubah ratusan sitosina menjadi urasil. Namun laju mutasi sebuah sel manusia hanya sekitar satu perubahan tiap sepuluh miliar pasangan basa tiap pembelahan — di dalam genom berisi enam miliar, kurang dari satu mutasi baru tiap pembelahan. Jurang antara kerusakan yang diderita sebuah genom dan kerusakan yang disimpannya ditutup oleh perbaikan: selusin sistem enzim yang meronda heliks ganda, mengenali apa yang semestinya tidak ada di situ, memotongnya keluar lalu membangunnya kembali dari untai yang tak rusak, dan, ketika kedua untainya putus, menyambungnya kembali atau menyalin kepingan yang hilang dari sebuah saudarinya. Anak-anak yang kekurangan salah satu sistem itu — melepuh pada sentuhan cahaya matahari yang pertama, atau terkena kanker usus besar pada umur tiga puluhan — memperlihatkan betapa berharganya sistem tersebut. Bab ini membahas kerusakannya, jalur perbaikannya, permesinan rekombinasi yang memperbaiki putus yang terparah dan yang dipinjam meiosis, serta keputusan sel, ketika perbaikannya gagal, untuk berhenti membelah atau mati.

## 3.1 Apa yang salah pada DNA

**Definisi 3.1 (Lesi DNA).**

Sebuah *lesi* adalah perubahan kimia apa pun pada DNA yang menyimpang dari keempat basa normal yang berpasangan benar pada tulang punggung yang utuh. Lesi spontan timbul dari kimia air dan oksigen: *depurinasi*, yakni hidrolisis ikatan antara sebuah purina dan gulanya, yang meninggalkan tapak tanpa basa (sekitar $10^{4}$ tiap sel tiap hari); *deaminasi*, yang mengubah sitosina menjadi urasil, 5-metilsitosina menjadi timina, dan adenina menjadi hipoksantina (beberapa ratus tiap hari); *oksidasi* oleh spesi oksigen reaktif, terutama menjadi *8-oksoguanina*, yang berpasangan dengan adenina semudah dengan sitosina; serta *galat replikasi*, yakni basa yang salah disisipkan atau tergelincir. Lesi lingkungan mencakup *dimer pirimidina siklobutana* dan fotoproduk 6-4 yang dibuat sinar ultraungu di antara dua pirimidina bersebelahan; basa teralkilasi dari zat pengalkil (O$^{6}$-metil-guanina berpasangan dengan timina); aduk ruah dari hidrokarbon aromatik dan aflatoksin; taut-silang antaruntai dari sisplatin dan mustar nitrogen; serta putus untai tunggal dan *putus untai ganda* yang dibuat radiasi pengion, kira-kira $1000$ putus untai tunggal dan $30\text{ sampai }40$ putus untai ganda tiap sel tiap gray.

**Proposisi 3.2 (Tangga kesetiaan).**

Replikasi mencapai laju galatnya sebesar kira-kira $10^{-10}$ tiap pasangan basa lewat tiga langkah yang berlipat ganda. Pemilihan basa oleh polimerasenya, berdasarkan geometri dan ikatan hidrogen, meleset kira-kira sekali tiap $10^{5}$; *[uji baca](#prop-b3-dna-repair-fidelity)* oleh eksonuklease 3$'\to$5$'$ polimerasenya, yang mengeksisi basa ujung yang salah berpasangan sebelum pemanjangan, membuang $99\,\%$ dari kelesetan itu; *[perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity)*, yang bekerja di belakang garpu pada untai yang baru dibuat, membuang $99.9\,\%$ sisanya. Hasil kali $10^{-5}\times 10^{-2}\times 10^{-3} = 10^{-10}$ adalah laju teramatinya, dan cacat pada salah satu langkah pembetulan itu menaikkannya seratus atau seribu kali lipat: sel semacam itu disebut *mutator*.

**Contoh 3.3 (Lesi lawan mutasi).**

Sebuah sel manusia berisi $6.4\times 10^{9}$ pasangan basa yang membelah sekali sehari menimbun sekitar $10^{4}$–$10^{5}$ [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) tiap hari dan sekitar $6.4\times 10^{9}\times 10^{-10} \approx 0.6$ mutasi baru tiap pembelahan: kurang dari satu [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) dari sepuluh ribu yang bertahan menjadi perubahan yang tetap. Sisanya diperbaiki sebelum replikasi membacanya, dan laju bertahannya [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) menjadi mutasi — bukan laju kerusakannya — itulah yang diperkecil oleh seleksi. Aritmetika yang sama memperlihatkan mengapa cacah mutasi di dalam sebuah tumor atau di dalam sperma seorang ayah yang lebih tua sesungguhnya menghitung pembelahan: mutasi yang diusung sebuah sel kira-kira sama dengan cacah pembelahan yang dilaluinya dikali galat tiap pembelahan.

## 3.2 Perbaikan satu untai yang rusak

**Definisi 3.4 (Perbaikan eksisi).**

Sebagian besar [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) mengenai satu untai dan diperbaiki dengan memotong keping yang rusak lalu menyalin untai yang lain. *Perbaikan eksisi basa* (BER) menangani [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) kecil yang tidak merusak bentuk: sebuah *glikosilase DNA* yang khas bagi satu macam basa yang salah (glikosilase urasil-DNA, glikosilase 8-oksoG, dan beberapa lainnya) membalikkan basa itu ke luar heliks lalu memotongnya dari gulanya; sebuah endonuklease AP menakik tulang punggungnya pada tapak tanpa basa itu; sebuah polimerase (Pol $\beta$) membuang gulanya lalu menyisipkan satu nukleotida; sebuah ligase menutupnya. *Perbaikan eksisi nukleotida* (NER) menangani [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) ruah yang merusak bentuk heliks — [dimer pirimidina](#def-b3-dna-repair-lesions), aduk kimia — tanpa mengenali kimia [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) itu sendiri: kerusakan bentuknya dideteksi (oleh XPC yang memindai genom, atau oleh RNA polimerase yang terhenti pada cabang yang terkopel transkripsi), heliksnya dibuka oleh subunit helikase TFIIH, kerusakannya diverifikasi (XPA), dua endonuklease (XPF, XPG) memotong untai yang rusak pada jarak $24\text{ sampai }32$ nukleotida, oligonukleotidanya dilepaskan, lalu polimerase dan ligase mengisi celahnya. Hilangnya salah satu dari ketujuh protein XP menimbulkan *xeroderma pigmentosum*: kepekaan luar biasa terhadap cahaya matahari, bintik cokelat, dan laju kanker kulit yang seribu kali lipat lebih tinggi.

**Bukti eksperimental.** Cleaver (1968) membiakkan fibroblas kulit pasien [xeroderma pigmentosum](#def-b3-dna-repair-excision), menyinarinya dengan cahaya ultraungu, lalu memberinya timidina radioaktif di luar fase S. Sel normal memasukkan labelnya pada banyak tapak kecil — yaitu “sintesis DNA tak terjadwal” berupa tambalan perbaikan — sedangkan sel pasiennya hampir tidak memasukkan apa pun, dan mati pada dosis yang masih dilewati sel normal: penyakitnya adalah kegagalan mengeksisi dimernya. Menggabungkan sel dua pasien sering memulihkan perbaikannya pada sel hibrid, karena masing-masing memasok apa yang tidak dimiliki yang lain; dengan uji itu para pasien dipilah menjadi golongan komplementasi A sampai G, satu golongan tiap gen jalurnya, bertahun-tahun sebelum gennya diklon. ∎

![Dua jalur eksisi. Eksisi basa (kiri) mengenali satu basa salah tertentu dengan glikosilase khusus lalu mengganti satu nukleotida. Eksisi nukleotida (kanan) mengenali kerusakan bentuk yang ditimbulkan lesi ruah mana pun, memotong untainya pada kedua sisi, lalu mengganti tambalan sepanjang kira-kira tiga puluh nukleotida (hijau).](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-5/b3-dna-repair/fig-fb70327e1d0a.svg)

*Dua jalur eksisi. Eksisi basa (kiri) mengenali satu basa salah tertentu dengan [glikosilase](#def-b3-dna-repair-excision) khusus lalu mengganti satu nukleotida. Eksisi nukleotida (kanan) mengenali kerusakan bentuk yang ditimbulkan [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) ruah mana pun, memotong untainya pada kedua sisi, lalu mengganti tambalan sepanjang kira-kira tiga puluh nukleotida (hijau).*

**Definisi 3.5 (Perbaikan salah pasang).**

*[Perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity)* (MMR) membetulkan pasangan yang keliru dan lengkung sisipan–delesi kecil yang lolos dari [uji baca](#prop-b3-dna-repair-fidelity). Protein MutS (MSH2–MSH6 pada manusia) mengenali kerusakan bentuk sebuah salah pasang dan, bersama MutL (MLH1–PMS2), memberi izin kepada sebuah eksonuklease untuk menguraikan untai yang baru disintesis, dari sebuah takik terdekat sampai melewati salah pasangnya; celahnya diisi kembali oleh polimerase. Kesulitannya adalah *pembedaan untai*: sebuah salah pasang memiliki dua basa dan hanya satu yang keliru. Pada *Escherichia coli* untai barunya dikenali karena belum termetilasi pada tapak GATC, yang ditandai metilase Dam beberapa menit sesudah sintesisnya; MutH menakik untai yang tak termetilasi itu. Pada eukariot untai barunya dikenali dari takik di antara fragmen Okazaki dan dari ujung 3$'$ bebas untai pengarah. Hilangnya MMR menaikkan laju mutasi seratus sampai seribu kali lipat, paling kasatmata pada *mikrosatelit* — deretan ulangan pendek tempat polimerasenya tergelincir — yang panjangnya berubah dari sel ke sel: *ketakmantapan mikrosatelit*. Hilangnya satu alel MMR secara turunan disebut *sindrom Lynch*, dengan kanker kolorektal pada sekitar $70\,\%$ pembawanya, kerap sebelum umur lima puluh.

![Pembedaan untai pada perbaikan salah pasang bakteri. Untai cetakannya mengusung gugus metil pada tapak GATC-nya; untai barunya belum, dan MutH menakiknya di situ. Basa yang keliru karena itu selalu dibuang dari untai yang baru.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-5/b3-dna-repair/fig-de7c7a030a9d.svg)

*Pembedaan untai pada [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) bakteri. Untai cetakannya mengusung gugus metil pada tapak GATC-nya; untai barunya belum, dan MutH menakiknya di situ. Basa yang keliru karena itu selalu dibuang dari untai yang baru.*

**Metode 3.6 (Memilah penyakit perbaikan menjadi gen).**

Untuk mengetahui berapa gen yang terlibat pada sebuah fenotipe resesif, sebelum satu gen pun dikenal: (1) ambillah galur sel dari pasien yang tak berkerabat, yang masing-masing mutan pada suatu gen jalurnya; (2) gabungkanlah pasangan galur menjadi sel hibrid; (3) ujilah hibridnya untuk fungsi tersebut (di sini, sintesis DNA tak terjadwal sesudah cahaya ultraungu); (4) bila hibridnya pulih, kedua pasien itu membawa mutasi pada gen yang *berbeda* (masing-masing memasok protein yang tak dimiliki yang lain: keduanya *saling melengkapi*); bila tidak, pada gen yang sama; (5) kelompokkanlah pasiennya menjadi golongan komplementasi — satu golongan tiap gen. Cacah golongannya adalah batas bawah cacah gennya.

## 3.3 Perbaikan kromosom yang putus

**Definisi 3.7 (Perbaikan putus untai ganda).**

Sebuah *[putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions)* memenggal kromosomnya dan tidak meninggalkan untai utuh untuk disalin. Dua jalur memperbaikinya. *Penyambungan ujung tak homolog* (NHEJ): cincin Ku70–Ku80 mengikat tiap ujung, merekrut kinase DNA-PKcs, nuklease merapikan tonjolannya, lalu ligase IV menyambungkan ujungnya; jalur ini bekerja pada tahap daur mana pun dan dalam hitungan menit, tetapi menghilangkan atau menambahkan beberapa nukleotida pada sambungannya dan dapat menyambungkan ujung yang keliru. *Rekombinasi homolog* (HR): kompleks MRN dan nuklease memangkas untai 5$'$-nya sehingga tersisa ekor beruntai tunggal 3$'$ yang panjang, yang diselimuti RPA lalu, dengan bantuan BRCA2, oleh rekombinase *Rad51*; filamen Rad51 itu mencari duplek yang homolog — kromatid saudari, pada fase S dan G2 — menyerbunya, dan ujung 3$'$ penyerbunya memulai sintesis pada salinan yang utuh. Molekul gabungannya dapat dibubarkan sesudah sintesis pendek (kebanyakan perbaikan mitosis, tanpa pertukaran DNA di sisinya) atau matang menjadi dua *sambungan Holliday* berlengan empat, yang penyelesaiannya oleh endonuklease memberi hasil berupa pindah silang atau bukan pindah silang. HR bersifat saksama karena ia menyalin saudari, tetapi hanya tersedia ketika ada saudari.

![Dua nasib sebuah putus untai ganda. Kiri: penyambungan ujung, cepat dan selalu tersedia, dengan ongkos berupa perubahan kecil pada sambungannya. Kanan: rekombinasi homolog, yang memangkas ujungnya, menyerbu kromatid saudari dengan filamen Rad51, lalu menyalin apa yang hilang.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-5/b3-dna-repair/fig-c51813a74348.svg)

*Dua nasib sebuah [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions). Kiri: penyambungan ujung, cepat dan selalu tersedia, dengan ongkos berupa perubahan kecil pada sambungannya. Kanan: [rekombinasi homolog](#def-b3-dna-repair-dsb), yang memangkas ujungnya, menyerbu kromatid saudari dengan filamen [Rad51](#def-b3-dna-repair-dsb), lalu menyalin apa yang hilang.*

**Teorema 3.8 (Muatan kerusakan, laju perbaikan, dan garpunya).**

Misalkan [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) satu macam timbul dengan laju tetap $D$ tiap sel tiap jam dan dibuang oleh perbaikan orde satu dengan tetapan laju $k$ (waktu paruh $t_{1/2} = \ln 2/k$). Cacah [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) $L(t)$ memenuhi $\mathrm{d}L/\mathrm{d}t = D - kL$, sehingga pada keadaan tunak

$$
L^{*} = \frac{D}{k},
$$

dan denyut berisi $N$ [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) yang diberikan pada $t = 0$ meninggalkan $N e^{-kT}$ [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) ketika garpu replikasi tiba pada waktu $T$. Bila dua jalur bersaing memperebutkan [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) yang sama dengan tetapan laju $k_{1}$ dan $k_{2}$, tiap [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) diperbaiki oleh jalur pertama dengan peluang $k_{1}/(k_{1} +
k_{2})$ dan waktu paruh keseluruhannya $\ln 2/(k_{1} + k_{2})$. Cacah [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) yang mencapai garpunya tersebar Poisson dengan rata-rata $N e^{-kT}$, sehingga peluang bahwa tak satu pun mencapainya adalah $\exp(-N e^{-kT})$.

**Bukti.** Keadaan tunaknya adalah tempat $D = kL$. Untuk denyutnya, $D = 0$ dan persamaannya terintegralkan menjadi $L = N e^{-kt}$. Dengan dua jalur, laju kehilangannya adalah $(k_{1} + k_{2})L$; di dalam selang pendek mana pun sebuah [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) tertentu dibuang oleh jalur 1 dengan peluang $k_{1}\,\mathrm{d}t$ dan oleh jalur 2 dengan $k_{2}\,\mathrm{d}t$, sehingga peluang bersyarat bahwa pembuangannya, ketika terjadi, dikerjakan jalur 1 adalah $k_{1}/(k_{1} +
k_{2})$. [Lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) yang saling bebas, yang masing-masing bertahan dengan peluang $e^{-kT}$, memberi cacah binomial, yang menjadi Poisson pada limit [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) yang banyak dan ketahanan yang kecil, dan peluang Poisson untuk nol adalah $e^{-\text{rata-rata}}$. ∎

**Contoh 3.9 (Mengapa xeroderma adalah penyakit garpu replikasi).**

Sebuah dosis matahari meninggalkan $N = 10^{5}$ [dimer pirimidina](#def-b3-dna-repair-lesions) di dalam keratinosit. Dengan waktu paruh eksisi nukleotida $2\,\mathrm{h}$ ($k =
0.35\,\mathrm{h}^{-1}$) dan garpu yang tiba sesudah $8\,\mathrm{h}$, $N e^{-kT} =
10^{5}\times e^{-2.8} \approx 6000$ dimer masih ada untuk disalin; dengan perbaikan sel XP yang nyaris nihil ($k \approx
0.01\,\mathrm{h}^{-1}$), tersisa $92\,000$. Tiap dimer yang dijumpai garpunya dilangkahi oleh [sintesis lintas lesi](#def-b3-dna-repair-tls) (di bawah), yang rawan galat: muatan mutasi pasiennya tiap pembelahan lima belas kali lipat muatan yang normal, dan kanker kulitnya menyusul semasa kanak-kanak. Penyembuhan yang berhasil adalah menjaga $N$ tetap kecil — menghindari cahaya ultraungu sama sekali.

![Dimer yang tersisa sesudah denyut berisi 105, pada skala logaritmik, bagi sel normal dan bagi sel yang eksisi nukleotidanya cacat. Garpu pada 8\, h berjumpa dengan lesi lima belas kali lebih banyak di dalam sel pasiennya.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-5/b3-dna-repair/fig-fb3910081d31.svg)

*Dimer yang tersisa sesudah denyut berisi $10^{5}$, pada skala logaritmik, bagi sel normal dan bagi sel yang eksisi nukleotidanya cacat. Garpu pada $8\,\mathrm{h}$ berjumpa dengan [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) lima belas kali lebih banyak di dalam sel pasiennya.*

**Bukti eksperimental.** Holliday (1964) mengusulkan sambungan berlengan empat untuk menjelaskan teka-teki genetika fungi: pada sebuah persilangan, sebuah tetrad spora kadang-kadang memperlihatkan pemilahan penanda $3{:}1$, bukan $2{:}2$ menurut Mendel, dan selalu bagi penanda yang dekat dengan pindah silang. Modelnya — pertukaran untai tunggal antara dua duplek homolog, yang membentuk heterodupleks yang lalu “dibetulkan” [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) ke satu arah atau arah yang lain (*konversi gen*) — menjelaskan sekaligus nisbah yang ganjil itu dan kaitannya dengan pindah silang. Sambungannya sendiri kemudian terlihat di mikroskop elektron pada plasmid yang berekombinasi dan di dalam struktur resolvase RuvC yang terikat padanya. ∎

## 3.4 Toleransi, tanda bahaya, dan keputusan untuk berhenti

**Definisi 3.10 (Sintesis lintas lesi).**

Ketika sebuah garpu berjumpa dengan [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) yang belum diperbaiki, polimerase replikatifnya terhenti. *Sintesis lintas [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions)* (TLS) memanggil polimerase khusus yang tapak aktifnya lebih lapang dan tanpa [uji baca](#prop-b3-dna-repair-fidelity) — Pol $\eta$ bagi [dimer pirimidina](#def-b3-dna-repair-lesions), Pol $\iota$, $\kappa$, $\zeta$, dan Rev1 bagi [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) lain — yang menyisipkan beberapa nukleotida berhadapan dengan [lesinya](#def-b3-dna-repair-lesions) lalu menyingkir. Pol $\eta$ menaruh dua adenina berhadapan dengan dimer timina, dan itu biasanya benar; yang lain sering keliru. TLS menukar kesaksamaan demi bertahannya garpu, dan merupakan sumber sebagian besar mutasi yang diimbas ultraungu. Bentuk varian [xeroderma pigmentosum](#def-b3-dna-repair-excision) (XP-V) memiliki perbaikan eksisi yang utuh tetapi tak memiliki Pol $\eta$: dimer yang lolos dari eksisi dilangkahi polimerase yang lebih rawan galat, lalu kankernya menyusul.

**Proposisi 3.11 (Tanggapan SOS bakteri).**

Pada *E. coli* rekombinase RecA, yang terikat pada DNA beruntai tunggal yang menumpuk pada garpu terhenti dan putus terpangkas, menjadi koprotease yang mendorong penekan LexA memotong dirinya sendiri. LexA menekan sekitar empat puluh gen; seiring turunnya LexA, gen itu dinyalakan berurutan menurut kegemaran operatornya: mula-mula gen perbaikan eksisi *uvrA* dan *uvrB*, lalu *recA* sendiri dan penghambat pembelahan sel *sulA* (selnya berhenti membelah lalu tumbuh menjadi filamen), dan terakhir polimerase rawan galat Pol IV dan Pol V, yang melangkahi [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) dengan ongkos berupa mutasi. Tanggapan bertingkat itu mencoba perbaikan yang saksama lebih dulu dan toleransi mutagenik hanya ketika kerusakannya bertahan; mutasi yang diimbasnya adalah bahan mentah tempat kekebalan antibiotik berevolusi di bawah pengobatan.

![Kiri: E. coli sesudah penyinaran ultraungu, yang tumbuh menjadi filamen panjang karena tanggapan SOS telah menghalangi pembelahan selnya selama DNA-nya diperbaiki. Kanan: uji komet — sel tunggal yang dibenamkan di dalam gel lalu dielektroforesis; DNA yang terpecah mengalir keluar dari nukleusnya menjadi ekor yang panjangnya mengukur cacah putusnya.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-5/b3-dna-repair/img-f4a5af7f8a90.jpg)

![Kiri: E. coli sesudah penyinaran ultraungu, yang tumbuh menjadi filamen panjang karena tanggapan SOS telah menghalangi pembelahan selnya selama DNA-nya diperbaiki. Kanan: uji komet — sel tunggal yang dibenamkan di dalam gel lalu dielektroforesis; DNA yang terpecah mengalir keluar dari nukleusnya menjadi ekor yang panjangnya mengukur cacah putusnya.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-5/b3-dna-repair/img-889edb3e6fee.jpg)

*Kiri: *E. coli* sesudah penyinaran ultraungu, yang tumbuh menjadi filamen panjang karena [tanggapan SOS](#prop-b3-dna-repair-sos) telah menghalangi pembelahan selnya selama DNA-nya diperbaiki. Kanan: uji komet — sel tunggal yang dibenamkan di dalam gel lalu dielektroforesis; DNA yang terpecah mengalir keluar dari nukleusnya menjadi ekor yang panjangnya mengukur cacah putusnya.*

**Definisi 3.12 (Tanggapan kerusakan DNA).**

Eukariot mengisyaratkan kerusakan lewat dua kinase: *ATM*, yang direkrut kompleks MRN ke [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions), dan *ATR*, yang direkrut ke DNA beruntai tunggal garpu yang terhenti. Keduanya memfosforilasi ratusan sasaran. Dalam hitungan menit [histon](https://one-course.com/books/biology/5/id/chapter/1-kromatin-dan-epigenetika#def-b3-chromatin-epigenetics-nucleosome) H2AX terfosforilasi (*$\gamma$-H2AX*) sepanjang megabasa di sekeliling tiap putus, sehingga terbentuk fokus yang merekrut protein perbaikan dan dapat dihitung di bawah mikroskop, satu fokus tiap putus. Kinase Chk1 dan Chk2 menghentikan daur selnya — *titik periksa* [Bab 10](https://one-course.com/books/biology/5/id/chapter/10-kendali-daur-sel-dan-kematian-sel-terprogram#ch-b3-cell-cycle-apoptosis) — dengan menonaktifkan fosfatase yang akan mendorong masuknya sel ke fase S atau M; dan faktor transkripsi *p53*, yang dimantapkan oleh fosforilasi, mengimbas penghambat kinase bergantung-siklin p21 (penghentian yang awet pada G1), gen perbaikan, dan, bila kerusakannya berat atau bertahan, gen apoptosis yang membunuh sel itu. Tanggapannya membeli waktu bagi perbaikan, dan ketika perbaikannya gagal ia menyingkirkan sel itu alih-alih membiarkannya membelah dengan genom yang putus.

![Fokus -H2AX (hijau) di dalam nukleus (biru) sejam sesudah penyinaran. Tiap fokus menandai sebuah putus untai ganda; menghitungnya mengukur kerusakannya dan, sepanjang jam-jam berikutnya, perbaikannya.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-5/b3-dna-repair/img-ba437a8ebf15.jpg)

*Fokus $\gamma$-H2AX (hijau) di dalam nukleus (biru) sejam sesudah penyinaran. Tiap fokus menandai sebuah [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions); menghitungnya mengukur kerusakannya dan, sepanjang jam-jam berikutnya, perbaikannya.*

**Contoh 3.13 (Keletalan sintetik: BRCA dan PARP).**

Perempuan yang mewarisi satu salinan cacat *BRCA1* atau *BRCA2* memiliki risiko kanker payudara seumur hidup sebesar $50\text{ sampai }80\,\%$; tumornya timbul di dalam sel yang telah kehilangan salinan keduanya dan tak lagi sanggup menjalankan [rekombinasi homolog](#def-b3-dna-repair-dsb). Sel semacam itu memperbaiki [putus untai gandanya](#def-b3-dna-repair-lesions) dengan penyambungan ujung saja lalu menimbun penataan ulang. Sel itu juga memperoleh satu kelemahan khas. Putus untai tunggal, sekitar $10\,000$ tiap hari, diperbaiki lewat rute yang menuntut enzim PARP; ketika PARP dihambat sebuah obat, putus untai tunggalnya bertahan sampai fase S, dan di situ sebuah garpu mengubah masing-masingnya menjadi [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions) berujung satu — yang hanya dapat diperbaiki rekombinasi. Sel normal, dengan satu alel *[BRCA](#def-b3-dna-repair-dsb)* yang baik, sanggup bertahan; sel tumornya mati. Dua cacat, yang masing-masing tak berbahaya sendirian, mematikan bila bersama: obatnya membunuh lewat *keletalan sintetik*, dan mengampuni sel pasien yang lain.

**Proposisi 3.14 (Rekombinasi sebagai alat).**

Rekombinase khas tapak memotong lalu menyambungkan kembali DNA pada urutan pendek yang tertentu, tanpa pencarian homologi maupun sintesis: enzim Cre fag P1 bekerja pada tapak *loxP* sepanjang $34\,\mathrm{bp}$, enzim Flp khamir pada tapak *FRT*. Dua tapak yang searah pada satu molekul mengeksisi DNA di antaranya sebagai lingkaran; bila berlawanan arah keduanya membalikkannya; tapak pada dua molekul mempertukarkan sisinya. Sebuah gen yang diapit tapak *loxP* (“ber-loxP”) dihapus hanya di dalam sel tempat Cre diekspresikan, dari promotor pilihan peneliti, atau pada waktu yang dipilih peneliti bila Cre diaktifkan sebuah obat: begitulah gen yang mutlak diperlukan embrio dikaji pada hati orang dewasa, atau pada neuronnya saja ([Bab 6](https://one-course.com/books/biology/5/id/chapter/6-rekayasa-genetika-dan-bioteknologi#ch-b3-genetic-engineering)). [Rekombinasi homolog](#def-b3-dna-repair-dsb) milik sel itu sendirilah yang dipinjam penyasaran gen dan penyuntingan terarah CRISPR untuk menuliskan urutan pilihan ke tempat pilihan.

**Catatan 3.15 (Perbaikan dan penuaan).**

Sel yang gagal memperbaiki menimbun mutasi, menua, atau mati; cacat perbaikan yang diturunkan (sindrom Werner, sebuah helikase; sindrom Cockayne, perbaikan yang terkopel transkripsi; ataksia telangiektasia, [ATM](#def-b3-dna-repair-ddr)) menimbulkan ciri penuaan dini, dan cacah mutasi somatik jaringan normal naik secara lurus dengan umur pada laju beberapa puluh mutasi tiap sel tiap tahun. Apakah kerusakan yang tertimbun *menyebabkan* penuaan biasa, atau sekadar menyertainya, belum terjawab; bahwa kemampuan memperbaiki adalah salah satu penentu rentang hidup antarspesies — spesies yang berumur lebih panjang memperbaiki lebih banyak — telah didukung dengan baik.

## 3.5 Latihan

**Latihan 3.1 ★.**

Golongkanlah [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) berikut sebagai spontan atau lingkungan lalu sebutkan jalur perbaikannya masing-masing: sebuah urasil di dalam DNA; sebuah dimer timina; sebuah [8-oksoguanina](#def-b3-dna-repair-lesions); sebuah salah pasang G–T di belakang garpu; sebuah [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions) pada G1.

**Solusi Latihan 3.1.**

Urasil: spontan ([deaminasi](#def-b3-dna-repair-lesions) C), [perbaikan eksisi basa](#def-b3-dna-repair-excision) oleh [glikosilase](#def-b3-dna-repair-excision) urasil-DNA. Dimer timina: lingkungan (UV), [perbaikan eksisi nukleotida](#def-b3-dna-repair-excision). [8-oksoguanina](#def-b3-dna-repair-lesions): spontan (oksidasi), [perbaikan eksisi basa](#def-b3-dna-repair-excision) oleh [glikosilase](#def-b3-dna-repair-excision) 8-oksoG. Salah pasang G–T di belakang garpu: galat replikasi, [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity). [Putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions) pada G1: lingkungan (radiasi) atau spontan; [penyambungan ujung tak homolog](#def-b3-dna-repair-dsb), karena tidak ada kromatid saudari yang tersedia.

**Latihan 3.2 ★.**

Mengapa [perbaikan eksisi nukleotida](#def-b3-dna-repair-excision) tidak menuntut enzim khusus bagi tiap macam [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions), sedangkan [perbaikan eksisi basa](#def-b3-dna-repair-excision) menuntut satu [glikosilase](#def-b3-dna-repair-excision) bagi masing-masing?

**Solusi Latihan 3.2.**

Eksisi nukleotida mengenali sifat fisik yang dimiliki bersama oleh semua [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) ruah — kerusakan bentuk heliksnya, atau RNA polimerase yang terhenti — lalu membuang tambalan yang memuat apa pun penyebabnya. [Lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) kecil (urasil, 8-oksoG, basa teralkilasi) nyaris tidak merusak bentuk heliks, sehingga semuanya harus dikenali dari kimianya, satu [glikosilase](#def-b3-dna-repair-excision) tiap macam basa yang salah.

**Latihan 3.3 ★.**

Nyatakanlah masalah pembedaan untai pada [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) dan cara *E. coli* memecahkannya. Apa yang akan terjadi pada mutan *dam*, yang tidak memetilasi tapak GATC mana pun?

**Solusi Latihan 3.3.**

Sebuah salah pasang terdiri atas dua basa normal, dan hanya basa pada untai yang baru yang keliru; sistemnya harus tahu untai mana yang baru. *E. coli* menandai untai tetuanya dengan gugus metil pada GATC, yang belum dimiliki untai barunya selama beberapa menit; MutH menakik untai yang tak termetilasi. Pada mutan *dam* tidak ada untai yang termetilasi: MutH menakik untai mana saja, perbaikannya membuang basa yang benar sesering basa yang salah — sehingga separuh galatnya justru dipatri menjadi mutasi (sebuah mutator) — dan takik pada kedua untai di tapak GATC yang berdekatan menimbulkan [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions).

**Latihan 3.4 ★.**

Sebuah sel menerima sinar-X sebesar $2\,\mathrm{Gy}$. Berapa [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions) yang dideritanya, kira-kira, dan berapa fokus $\gamma$-H2AX yang Anda harapkan terhitung sejam kemudian? Mengapa lebih sedikit sesudah enam jam?

**Solusi Latihan 3.4.**

Kira-kira $35\times 2 = 70$ [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions). Sesudah sejam sebagian besar telah tersambung: dengan waktu paruh mendekati $30\,\mathrm{min}$, sekitar $70/4 \approx 18$ fokus. Sesudah enam jam hampir semuanya telah diperbaiki ($70/2^{12} < 1$), sehingga hanya tersisa beberapa putus rumit yang bertahan.

**Latihan 3.5 ★★.**

Dengan [Proposisi 3.2](#prop-b3-dna-repair-fidelity), hitunglah laju mutasi tiap pasangan basa dan cacah mutasi baru tiap genom diploid tiap pembelahan pada (a) sel normal, (b) sel yang kekurangan [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity), (c) sel yang polimerasenya kehilangan eksonukleasenya. Mana yang menjadi mutator yang lebih berbahaya?

**Solusi Latihan 3.5.**

(a) $10^{-5}\times 10^{-2}\times 10^{-3} = 10^{-10}$; $6.4\times
10^{9}\times 10^{-10} = 0.64$ mutasi tiap pembelahan. (b) Tanpa [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) $10^{-7}$; $640$ tiap pembelahan. (c) Tanpa [uji baca](#prop-b3-dna-repair-fidelity) $10^{-8}$; $64$ tiap pembelahan. Mutan [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) itulah yang lebih berbahaya, seribu kali lipat di atas normal.

**Latihan 3.6 ★★.**

Tapak tanpa basa timbul pada $10^{4}$ tiap sel tiap hari dan diperbaiki dengan waktu paruh $15\,\mathrm{min}$. Pakailah [Teorema 3.8](#thm-b3-dna-repair-load) untuk mencari cacah tunak tapak tanpa basa di dalam sebuah sel. Bila sebuah obat memperlambat perbaikannya sepuluh kali lipat, berapa keadaan tunaknya yang baru, dan berapa tapak yang akan dijumpai sebuah garpu bila ia menyalin genomnya dalam $8\,\mathrm{h}$?

**Solusi Latihan 3.6.**

$k = \ln 2/0.25\,\mathrm{h} = 2.8\,\mathrm{h}^{-1}$; $D = 10^{4}/24 =
420\,\mathrm{h}^{-1}$; $L^{*} = 420/2.8 \approx 150$ tapak tanpa basa hadir pada satu saat. Perbaikan sepuluh kali lebih lambat: $L^{*} \approx 1500$. Garpunya melewati tiap lokus sekali, dan berjumpa dengan [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) yang hadir di situ pada saat itu; dirata-ratakan atas genomnya ia berjumpa dengan sekitar $L^{*}$ [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) — sekitar $150$ pada keadaan normal, $1500$ dengan obatnya.

**Latihan 3.7 ★★.**

Pada G2 sebuah putus dapat diperbaiki NHEJ (waktu paruh $30\,\mathrm{min}$) atau HR (waktu paruh $4\,\mathrm{h}$), keduanya tersedia. Berapa bagian putus yang lewat HR? Berapa waktu paruh putusnya? Mengapa HR toh menjadi jalur yang penting pada garpu replikasi yang runtuh?

**Solusi Latihan 3.7.**

$k_{\text{NHEJ}} = \ln 2/0.5 = 1.39\,\mathrm{h}^{-1}$, $k_{\text{HR}} =
\ln 2/4 = 0.17\,\mathrm{h}^{-1}$; bagian HR-nya $0.17/1.56 = 0.11$; waktu paruhnya $\ln 2/1.56 = 27\,\mathrm{min}$. Garpu yang runtuh memberi putus *berujung satu*: tidak ada ujung kedua untuk disambungkan NHEJ, sehingga hanya rekombinasi dengan saudarinya yang dapat memulihkan garpu itu — lagi pula ia satu-satunya jalur yang saksama.

**Latihan 3.8 ★★.**

Ramalkanlah perilaku mikrosatelit, jangkauan tumor, dan kepekaan terhadap cahaya matahari seorang pasien dengan (a) [sindrom Lynch](#def-b3-dna-repair-mmr), (b) [xeroderma pigmentosum](#def-b3-dna-repair-excision) golongan A, (c) varian XP-V yang tak memiliki Pol $\eta$.

**Solusi Latihan 3.8.**

(a) Lynch: mikrosatelitnya tak mantap (panjangnya berbeda antarsel tumor), kanker kolorektal, endometrium, lambung, dan ovarium, tanggapan normal terhadap cahaya matahari. (b) XP-A: mikrosatelitnya mantap, lepuh matahari hebat pada paparan minimal, kanker kulit dan mata pada masa kanak-kanak, dan pada golongan ini kemunduran saraf yang berangsur. (c) XP-V: mikrosatelitnya mantap, perbaikan eksisinya normal sehingga lepuh mataharinya lebih ringan, tetapi dimer yang lolos dari eksisi dilangkahi polimerase rawan galat — kanker kulit, yang muncul lebih lambat daripada pada golongan A.

**Latihan 3.9 ★★.**

Dua tapak *loxP* yang searah mengapit ekson 3 sebuah gen; Cre diekspresikan dari promotor yang hanya aktif di hati sejak lahir. Uraikanlah genotipe sel hati dan neuron pada hewan dewasa, dan apa yang terjadi bila tapaknya justru ditempatkan berlawanan arah.

**Solusi Latihan 3.9.**

Sel hati: Cre telah mengeksisi ekson 3 dari kedua alelnya (sebagai lingkaran yang hilang), sehingga gennya tak aktif di setiap hepatosit sejak lahir — penidakaktifan yang khas hati. Neuron: tanpa Cre, alel ber-loxP-nya utuh dan berfungsi. Arah berlawanan: Cre membalikkan eksonnya lalu membalikkannya kembali tanpa henti, sehingga pada saat mana pun kira-kira separuh selnya mengusung ekson terbalik yang tak berfungsi — sebuah mozaik, bukan penghapusan yang bersih.

**Latihan 3.10 ★★★.**

Jelaskanlah mengapa [tanggapan SOS](#prop-b3-dna-repair-sos) menyalakan gen perbaikan sebelum polimerase rawan galat, dengan memakai kegemaran LexA pada operatornya, dan mengapa bakteri yang sama sekali tak memiliki polimerase rawan galat toh mungkin berada pada posisi yang merugikan di dalam tubuh pasien yang diobati antibiotik.

**Solusi Latihan 3.10.**

Seiring LexA dipotong, kepekatannya turun berangsur. Operator yang mengikat LexA dengan lemah dikosongkan pada penurunan kecil — *uvrA*, *uvrB*, *recA* — sehingga perbaikan yang saksama mulai lebih dahulu; operator *sulA* dan operator polimerase rawan galat mengikat LexA dengan kuat dan baru dikosongkan ketika LexA nyaris habis, yakni ketika kerusakannya telah bertahan lama. Bakteri tanpa polimerase rawan galat akan mati pada garpu yang terhalang [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) yang tak dapat dilangkahinya, dan, tanpa mutagenesis imbasan, akan mengembangkan kekebalan terhadap antibiotiknya jauh lebih lambat — merugikan bagi bakterinya, menguntungkan bagi pasiennya; penghambat [tanggapan SOS](#prop-b3-dna-repair-sos) dikaji karena alasan itu.

**Latihan 3.11 ★★★.**

Sebuah penghambat PARP membunuh sel tumor yang kekurangan *[BRCA](#def-b3-dna-repair-dsb)* tetapi tidak membunuh sel normal pasiennya. Paparkanlah rantai sebab-akibatnya, lalu ramalkan dua cara sebuah tumor dapat menjadi kebal terhadap obat itu dan bagaimana Anda akan mendeteksi masing-masing.

**Solusi Latihan 3.11.**

Rantainya: PARP dihambat $\to$ putus untai tunggal bertahan $\to$ sebuah garpu replikasi mengubah masing-masingnya menjadi [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions) berujung satu $\to$ perbaikannya menuntut [rekombinasi homolog](#def-b3-dna-repair-dsb) $\to$ sel tumornya, yang kekurangan [BRCA](#def-b3-dna-repair-dsb), tidak sanggup $\to$ salah sambung, hilangnya kromosom, kematian. Sel normal, dengan satu alel yang berfungsi, berekombinasi dan bertahan. Kekebalan: (1) mutasi kedua pada *[BRCA](#def-b3-dna-repair-dsb)* yang memulihkan kerangka baca dan protein yang bekerja — dideteksi dengan mengurutkan tumornya atau DNA tumor yang beredar di dalam darah, dan dengan kembalinya fokus [Rad51](#def-b3-dna-repair-dsb) sesudah penyinaran; (2) hilangnya protein yang menghalangi pemangkasan ujung (53BP1–shieldin), yang sebagian memulihkan rekombinasi tanpa BRCA1 — dideteksi dari ketiadaannya pada pewarnaan dan dari pulihnya fokus [Rad51](#def-b3-dna-repair-dsb); juga mutasi PARP1 yang mencegah terperangkapnya pada DNA, atau pompa penyembur obat, yang berturut-turut dideteksi lewat pengurutan dan ekspresi.

**Latihan 3.12 ★★★.**

Konversi gen pada sebuah pindah silang memberi tetrad $3{:}1$. Gambarkanlah (atau uraikanlah) sebuah [sambungan Holliday](#def-b3-dna-repair-dsb) dengan heterodupleks yang membentang melintasi sebuah penanda, lalu tunjukkan bagaimana [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) heterodupleks itu ke satu arah memberi $3{:}1$, ke arah yang lain $1{:}3$, dan tanpa perbaikan memberi spora yang dirinya sendiri heterozigot (pemilahan pascameiosis). Mengapa konversinya terbatas pada penanda yang dekat dengan pindah silang?

**Solusi Latihan 3.12.**

Dua duplek homolog, yang satu mengusung $A$ dan yang lain $a$, saling mempertukarkan untai tunggal melintasi penandanya: masing-masing kini memiliki satu untai dari tiap tetua sepanjang bentangan itu — heterodupleks dengan salah pasang $A/a$. Bila [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) mengubah salah pasang pada duplek yang diserbu menjadi $A$, tiga kromatid mengusung $A$ dan satu $a$: $3{:}1$; bila diubah menjadi $a$: $1{:}3$; bila dibiarkan tanpa perbaikan, kromatidnya memilah $A$ dan $a$ pada mitosis pertama sesudah meiosis, sehingga memberi dua spora anak yang berbeda (pemilahan pascameiosis, $5{:}3$ pada askus berspora delapan). Bentangan heterodupleksnya hanya beberapa ratus sampai beberapa ribu pasangan basa di sekeliling putus yang memulainya, sehingga hanya penanda di dalamnya yang dapat dikonversi, dan penanda itu, menurut konstruksinya, berdampingan dengan pindah silangnya.

## 3.6 Soal: Sehari dalam Hidup Sebuah Genom

**Soal 3.1.**

Soal akhir pekan — kerusakan harian satu sel manusia yang dihitung, tangga kesetiaan yang dikalikan, sedosis cahaya matahari yang diikuti sampai ke garpu pada sel normal dan sel yang perbaikannya cacat, sedosis sinar-X yang dibagi di antara dua jalur perbaikan, dan kelemahan sebuah tumor yang diubah menjadi obat, berakhir pada cacah dimer yang dijumpai garpunya, laju mutasi tiap basa, dan bagian putus yang diperbaiki rekombinasi

Data: sebuah sel manusia diploid memiliki $6.4\times 10^{9}$ bp, dan $1.5\,\%$ di antaranya penyandi protein. Kerusakan spontan tiap hari: $10^{4}$ [depurinasi](#def-b3-dna-repair-lesions), $400$ [deaminasi](#def-b3-dna-repair-lesions) sitosina, $10^{4}$ putus untai tunggal. Kesetiaan: polimerasenya $10^{-5}$, [uji bacanya](#prop-b3-dna-repair-fidelity) menyisakan $10^{-2}$ galat, [perbaikan salah pasangnya](#prop-b3-dna-repair-fidelity) $10^{-3}$. Sekali berjemur meninggalkan $10^{5}$ [dimer pirimidina](#def-b3-dna-repair-lesions) tiap sel kulit; perbaikan eksisinya berwaktu paruh $2\,\mathrm{h}$ pada keadaan normal dan $70\,\mathrm{h}$ pada [xeroderma pigmentosum](#def-b3-dna-repair-excision); sebuah garpu tiba $8\,\mathrm{h}$ kemudian; pelangkahan sebuah dimer oleh [sintesis lintas lesi](#def-b3-dna-repair-tls) menimbulkan mutasi dengan peluang $10^{-3}$. Sinar-X menghasilkan $35$ [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions) tiap gray; waktu paruh NHEJ $30\,\mathrm{min}$, waktu paruh HR $4\,\mathrm{h}$.

**Bagian I — Hari-hari biasa.**

1. Berapa [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) spontan yang diderita sel itu tiap hari, dan tiap tahun? Bandingkanlah dengan ukuran genomnya.
2. Hitunglah laju mutasi tiap pasangan basa tiap pembelahan, dan harapan cacah mutasi baru tiap pembelahan.
3. Berapa banyak di antaranya yang jatuh pada urutan penyandi protein? Sepanjang kira-kira $50$ pembelahan dari zigot sampai sel kulit dewasa, berapa mutasi penyandi yang diusung sebuah sel kulit dari replikasi saja?
4. Sebuah sel yang kekurangan [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) : berapa laju mutasinya dan berapa mutasi tiap pembelahan? Sebuah mikrosatelit tergelincir sekali tiap $10^{4}$ pembelahan tanpa [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) dan sekali tiap $10^{7}$ dengan perbaikan itu. Di dalam tumor berisi $10^{9}$ sel yang terbentuk lewat $40$ pembelahan, berapa sel yang mengusung alel tergelincir pada mikrosatelit tertentu pada tiap kasus? (Taksirlah dengan laju $\times$ pembelahan $\times$ sel.)
5. [Deaminasi](#def-b3-dna-repair-lesions) sitosina memberi urasil, [deaminasi](#def-b3-dna-repair-lesions) 5-metilsitosina memberi timina. Mana yang diperbaiki, oleh apa, dan mana yang menjadi mutasi? Kaitkanlah dengan kekurangan [CpG](https://one-course.com/books/biology/5/id/chapter/1-kromatin-dan-epigenetika#def-b3-chromatin-epigenetics-methylation) pada [Bab 1](https://one-course.com/books/biology/5/id/chapter/1-kromatin-dan-epigenetika#ch-b3-chromatin-epigenetics) .
6. Sebuah guanina teroksidasi (8-oksoG) berpasangan dengan A selama replikasi. Sel itu memiliki [glikosilase](#def-b3-dna-repair-excision) bagi 8-oksoG yang berhadapan dengan C, [glikosilase](#def-b3-dna-repair-excision) lain bagi A yang berhadapan dengan 8-oksoG, serta hidrolase yang memusnahkan dGTP teroksidasi. Jelaskanlah apa yang dicegah masing-masing dan mutasi apa yang timbul ketika ketiganya gagal.

**Bagian II — Sehari di bawah matahari.**

7. Hitunglah tetapan laju eksisi $k$ bagi sel normal dan sel XP.
8. Berapa dimer yang tersisa pada garpunya pada masing-masing?
9. Berapa mutasi yang ditimbulkan berjemur itu tiap sel pada masing-masing kasus, dan berapa di antaranya yang berada pada urutan penyandi?
10. Sepanjang masa kanak-kanak berisi $500$ paparan semacam itu, berapa mutasi penyandi tiap sel kulit pada masing-masing kasus? Bandingkanlah dengan cacah dari replikasi saja pada pertanyaan 3.
11. Sekitar $20$ gen, yang seluruhnya berjumlah $40\,\mathrm{kb}$ urutan penyandi, dapat memacu kanker kulit bila termutasi. Berapa peluangnya, tiap sel, bahwa sedikitnya satu mutasi imbasan berjemur jatuh pada salah satu gen itu, pada anak XP? (Pakailah Poisson dengan rata-rata yang tepat.) Dengan $10^{9}$ sel yang terpapar, berapa yang terkena?
12. Jelaskanlah mengapa masalah sel XP adalah masalah garpunya, bukan masalah [lesinya](#def-b3-dna-repair-lesions) sendiri, dan mengapa kankernya hanya muncul di kulit.

**Bagian III — Sedosis sinar-X.**

13. Sebuah dosis $2\,\mathrm{Gy}$ : berapa [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions) , dan berapa fokus $\gamma$ -H2AX sesudah sejam bila NHEJ satu-satunya jalur (sel G1)?
14. Pada sel G2 kedua jalur bekerja. Hitunglah tetapan lajunya dan bagian putus yang diperbaiki HR.
15. Berapa waktu paruh putusnya pada G2, dan berapa yang tersisa sesudah sejam?
16. Tiap peristiwa NHEJ mengubah beberapa pasangan basa pada sambungannya. Bila sebuah sambungan jatuh pada urutan penyandi dengan peluang $0.015$ dan perubahannya lalu merusak gennya dengan peluang $0.7$ , berapa gen yang dirusak dosis $2\,\mathrm{Gy}$ itu tiap sel G1?
17. Dengan $n$ putus serentak, ujungnya dapat tersambung keliru menjadi sebuah translokasi. Andaikan tiap pasangan dari $n(n-1)/2$ pasangan putus tersambung keliru dengan peluang $3\times 10^{-4}$ . Berapa harapan cacah translokasi tiap sel pada $2\,\mathrm{Gy}$ ? Pada $0.2\,\mathrm{Gy}$ ? Mengapa risikonya berskala dengan kuadrat dosisnya sedangkan cacah putusnya berskala lurus?
18. Dosis $2\,\mathrm{Gy}$ yang sama diberikan sepanjang $10\,\mathrm{h}$ alih-alih sekaligus: berapa putus yang hadir pada satu saat (keadaan tunak, NHEJ)? Apa yang tersirat dari hal itu bagi translokasi, dan bagi kebiasaan memecah radioterapi menjadi beberapa penggal?
19. Sebuah sel bertahan pada dosis $D$ dengan peluang $e^{-D/D_{0}}$ , dengan $D_{0} = 1.5\,\mathrm{Gy}$ bagi sel yang perbaikannya utuh dan $0.5\,\mathrm{Gy}$ bagi sel yang tak memiliki NHEJ. Hitunglah ketahanan masing-masing pada $2\,\mathrm{Gy}$ dan pada $6\,\mathrm{Gy}$ , lalu tafsirkan $D_{0}$ .

**Bagian IV — Kelemahan sang tumor.**

20. Sebuah sel tumor yang kekurangan *BRCA2* memperbaiki putusnya dengan NHEJ saja. Dengan pertanyaan 14, berapa bagian putus S/G2-nya yang kini diperbaiki secara tak saksama padahal sel normal akan memperbaikinya secara saksama? Apa akibatnya bagi genomnya sepanjang bertahun-tahun?
21. Penghambatan PARP meninggalkan $10^{4}$ putus untai tunggal harian tanpa perbaikan; $1\,\%$ di antaranya diubah garpu menjadi [putus untai ganda](#def-b3-dna-repair-lesions) berujung satu. Berapa putus semacam itu tiap hari tiap sel, dan mengapa NHEJ tidak dapat memperbaiki putus berujung satu secara benar?
22. Jelaskanlah mengapa sel normal pasien itu, yang heterozigot untuk *BRCA2* , bertahan terhadap obatnya.
23. Sebuah tumor menjadi kebal lewat mutasi kedua yang memulihkan kerangka baca *BRCA2* . Jelaskanlah, lalu katakan bagaimana Anda akan mendeteksinya.
24. Kemoterapi dengan zat pengalkil membunuh sel tumor lewat [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) : enzimnya mencoba memperbaiki basa yang teralkilasi lalu memicu kematian sel. Ramalkanlah pengaruh obat itu pada tumor [sindrom Lynch](#def-b3-dna-repair-mmr) , yang tidak memiliki [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) .
25. Sebutkanlah ketiga hasilnya: dimer yang dijumpai garpu pada sel XP (pertanyaan 8), laju mutasi normal tiap pasangan basa (pertanyaan 2), dan bagian putus G2 yang diperbaiki HR (pertanyaan 14).

**Solusi Soal 3.1.**

**1.** $10^{4} + 400 + 10^{4} \approx 2\times 10^{4}$ [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) tiap hari, $7\times 10^{6}$ tiap tahun — kira-kira satu tiap kilobasa genomnya tiap tahun. **2.** $10^{-5}\times 10^{-2}\times 10^{-3} = 10^{-10}$ tiap bp; $6.4\times 10^{9}\times 10^{-10} = 0.64$ mutasi tiap pembelahan. **3.** $0.64\times 0.015 \approx 0.01$ mutasi penyandi tiap pembelahan; sepanjang $50$ pembelahan, sekitar $0.5$. **4.** $10^{-7}$ tiap bp, $640$ mutasi tiap pembelahan. Sel tergelincir: tanpa perbaikan $10^{-4}\times 40\times 10^{9} = 4\times 10^{6}$; dengan perbaikan $10^{-7}\times 40\times 10^{9} = 4000$ — selisih seribu kali lipat, yang kasatmata sebagai [ketakmantapan mikrosatelit](#def-b3-dna-repair-mmr). **5.** Urasil asing bagi DNA, dikenali [glikosilase](#def-b3-dna-repair-excision) urasil-DNA lalu dieksisi: diperbaiki. Timina dari 5-metilsitosina adalah basa normal yang berhadapan dengan G; tak ada yang menandainya salah di luar replikasi, dan ia menjadi mutasi C$\to$T — mekanisme yang telah menguras [CpG](https://one-course.com/books/biology/5/id/chapter/1-kromatin-dan-epigenetika#def-b3-chromatin-epigenetics-methylation) dari genomnya. **6.** [Glikosilase](#def-b3-dna-repair-excision) 8-oksoG membuang basa teroksidasi itu selagi ia masih berhadapan dengan C (sebelum replikasi); [glikosilase](#def-b3-dna-repair-excision) kedua membuang A yang salah disisipkan berhadapan dengan 8-oksoG (sesudah replikasi, sehingga memulihkan peluang memperbaiki G-nya); hidrolasenya memusnahkan dGTP teroksidasi sehingga tidak disisipkan berhadapan dengan A. Ketika ketiganya gagal, 8-oksoG berpasangan dengan A dan putaran berikutnya mematri transversi G$\cdot$C$\to$T$\cdot$A. **7.** Normal $k = \ln 2/2 = 0.35\,\mathrm{h}^{-1}$; XP $k = \ln 2/70
= 0.0099\,\mathrm{h}^{-1}$. **8.** Normal $10^{5} e^{-2.77} \approx 6200$; XP $10^{5}
e^{-0.079} \approx 92\,000$. **9.** Mutasinya $6.2$ dan $92$ tiap sel; penyandinya $0.09$ dan $1.4$. **10.** $500$ paparan: $47$ mutasi penyandi (normal) dan $690$ (XP), lawan $0.5$ dari replikasi — cahaya matahari mendominasi muatan mutasi kulit bahkan pada orang normal. **11.** Urutan penyandinya $9.6\times 10^{7}$ bp; gen pemacunya sebesar $4\times 10^{4}/9.6\times 10^{7} = 4.2\times 10^{-4}$ dari itu. Rata-rata terkena $690\times 4.2\times 10^{-4} = 0.29$; $P(\ge 1) = 1 - e^{-0.29} =
0.25$. Dari $10^{9}$ sel, $2.5\times 10^{8}$ mengusung mutasi pemacu (anak normal: rata-rata $0.02$, $2\,\%$). **12.** Sebuah dimer bukan mutasi; ia baru menjadi mutasi ketika sebuah garpu menyalinnya lewat pelangkahan yang rawan galat, sehingga sel yang membelah dengan banyak dimer tak terperbaiki itulah yang bermutasi. Cahaya ultraungu hanya mencapai kulit dan mata; jaringan dalamnya tidak menerima dimer dan, pada XP, hampir normal. **13.** $70$ putus; sesudah $1\,\mathrm{h}$ dengan NHEJ saja, $70\times
2^{-2} \approx 18$ fokus. **14.** $k_{\text{NHEJ}} = 1.39\,\mathrm{h}^{-1}$, $k_{\text{HR}} =
0.17\,\mathrm{h}^{-1}$; bagian HR-nya $0.17/1.56 = 0.11$. **15.** Waktu paruhnya $\ln 2/1.56 = 27\,\mathrm{min}$; sesudah $1\,\mathrm{h}$ tersisa $70\,e^{-1.56} \approx 15$ putus. **16.** $70\times 0.015\times 0.7 \approx 0.7$ gen dirusak tiap sel. **17.** $n = 70$: $2415$ pasangan $\times 3\times 10^{-4} = 0.72$ translokasi. $n = 7$: $21\times 3\times 10^{-4} = 0.006$. Cacah putusnya $\propto D$ tetapi cacah *pasangan* putus yang serentak $\propto n^{2} \propto D^{2}$. **18.** $D = 7\,\mathrm{h}^{-1}$, $L^{*} = 7/1.39 \approx 5$ putus hadir pada satu saat: $10$ pasangan, $0.003$ translokasi — dua ratus kali lebih sedikit daripada dosis yang sama sekaligus. Pemenggalan dosis memberi jaringan normal kesempatan memperbaiki di antara penggalnya dan menjaga putus yang serentak tetap sedikit. **19.** Perbaikan utuh: $e^{-2/1.5} = 0.26$ pada $2\,\mathrm{Gy}$, $e^{-4} = 0.018$ pada $6\,\mathrm{Gy}$. Tanpa NHEJ: $e^{-4} = 0.018$ dan $e^{-12} = 6\times 10^{-6}$. $D_{0}$ adalah dosis yang rata-rata meninggalkan satu [lesi](#def-b3-dna-repair-lesions) mematikan tak terperbaiki tiap sel (ketahanan $1/e$). **20.** $11\,\%$ putus G2 berujung dua yang tadinya akan diperbaiki HR secara saksama kini lewat NHEJ, dan setiap putus garpu berujung satu — yang sama sekali tak dapat diperbaiki NHEJ secara benar — salah disambung: sepanjang bertahun-tahun genomnya menimbun delesi, translokasi, dan perubahan cacah salinan, yakni parut khas tumor *[BRCA](#def-b3-dna-repair-dsb)*. **21.** $10^{4}\times 0.01 = 100$ putus berujung satu tiap hari. Putus berujung satu tidak memiliki ujung pasangan; NHEJ hanya dapat membiarkannya atau menyambungkannya ke ujung lain yang tak berkaitan, sehingga menghasilkan translokasi atau kehilangan. **22.** Satu alel *BRCA2* yang berfungsi membuat protein yang cukup bagi rekombinasi: sel normalnya memperbaiki putus garpunya dan bertahan terhadap penghambatnya. **23.** Pergeseran kerangka kedua di hilir yang pertama memulihkan kerangka bacanya dan menghasilkan BRCA2 yang lebih pendek tetapi sebagian berfungsi, sehingga rekombinasinya kembali dan obatnya tak lagi membunuh. Dideteksi dengan mengurutkan *BRCA2* pada tumor yang kebal atau pada DNA tumor yang beredar, dan secara fungsional dari munculnya kembali fokus [Rad51](#def-b3-dna-repair-dsb) sesudah penyinaran. **24.** Pembunuhannya menuntut [perbaikan salah pasang](#prop-b3-dna-repair-fidelity) untuk menggarap basa yang teralkilasi; tumor Lynch yang tak memilikinya bersifat tahan — obatnya gagal membunuhnya (tumor semacam itu justru diobati dengan cara lain, termasuk imunoterapi, yang muatan mutasinya yang berat justru membuatnya peka). **25.** Sekitar $92\,000$ dimer pada garpu sel XP; $10^{-10}$ mutasi tiap pasangan basa tiap pembelahan; HR memperbaiki $11\,\%$ putus G2.