Perbaikan DNA

DNA adalah molekul yang terus-menerus dapat mengalami kerusakan atau perubahan kimia. Perubahan kimia ini dapat disebabkan oleh radiasi yang berenergi tinggi, ketidakstabilan kimiawi basa sitosin di dalam sistem cairan dan kerusakan oleh senyawa kimia reaktif di lingkungan. Seperti radiasi ultraviolet, radiasi pengion, sinar kosmik, sinar X, dan pancaran radio aktif dari pengujian bom atom serta hasil buangan radio aktif dari tenaga nuklir. Radiasi ultraviolet dan pengion menimbulkan kerusakan DNA sampai kira-kira 10 % dari kerusakan yang disebabkan oleh agen-agen non biologis. Selain itu, kerusakan DNA juga dapat disebabkan oleh stress. Kerusakan tersebut dapat segera diperbaiki oleh sel, melalui mekanisme enzimatik spesifik.
Perbaikan kerusakan DNA oleh sel dapat dilakukan melalui mekanisme: a) perbaikan bebas kesalahan, yaitu DNA yang diperbaiki persis seperti keadaan semula, b) perbaikan dengan fotoreaktivasi, yaitu dengan menggunakan enzim fotoreaktivasi yang dapat memutuskan ikatan kovalen basa timin-timin (dimer timin), c) perbaikan eksisi, yaitu DNA yang rusak dipotong pada bagian yang rusak lalu disambung kembali oleh enzim polymerase dan ligase, d) perbaikan rekombinasi postreplikatif, yaitu utas DNA induk yang rusak akan menghasilkan DNA tiruan yang mempunyai celah setelah duplikasi, dan e) perbaikan tidak bebas kesalahan, yaitu bagian DNA yang rusak diperbaiki dengan komponen yang mungkin tidak sama dengan komponen yang hilang.

Perbaikan kerusakan DNA juga dapat terjadi dengan cara rekombinasi homolog. Untuk menghindari kerusakan kromosom dan memungkinkan perbaikan, daerah yang mengalami kerusakan harus mendapatkan strand komplemeter. Jalur rekombinasi membuat penggunaan DNA homolog pada cabang lain dari cabang replikasi. Protein rec-A memediasi reaksi pertukaran strand yang menjalankan perbaikan DNA dengan bantuan energy ATP hidrolisis. Ketika kerusakan dibuat menjadi bagian dupleks, kerusakan dapat berangsur-angsur diperbaiki.

Kerusakan karena ultraviolet
Jika bakteri dikenai sinar ultraviolet, dapat terjadi penggabungan kovalen dan residu pirimidin pada untai DNA, (seringkali dua residu timin) membentuk suatu basa dimer. Jika tidak dilepaskan dan diperbaiki, dimer timin ini menghalangi proses replikasi oleh DNA polimerase terhadap untai di belakang daerah kerusakan ini. Dimer timin dikeluarkan dan tempat kosong yang ditinggalkan disambung kembali oleh kerja empat enzim secara berurutan. Enzim pertama dinamakan ultraviolet endonuklease atau endonuklease UV. Enzim ini memotong untaian DNA yang mengalami kerusakan pada tempat 5’ dimer timin. Pada tahap kedua, DNA polimerase I menambahkan deoksiribonukleotida yang benar ke ujung 3’ untai rusak yang terbuka, membuat potongan pendek DNA yang bersifat komplementer dengan untai cetakan. Selama proses ini, baik DNA yang mengandung dimer timin akan terlepas. Pada tahap ketiga, endonuklease memotong bagian yang rusak ini. Pada tahap terakhir potongan DNA baru dengan pasangan basa yang benar disisipkan ke dalam untaian keseluruhan oleh DNA ligase. Dimer primidin dapat dibentuk dan diperbaiki bukan hanya pada bakteri yang terkena radiasi ultraviolet, tetapi juga pada sel-sel mulut manusia yang terbuka terhadap sinar matahari yang tidak tersaing.

Kerusakan oleh Deaminasi Spontan Sitosin menjadi Urasil
DNA juga dapat mengalami perubahan oleh karena ketidakstabilan kimiawi basa sitosin di dalam sistem cairan. Residu sitosin secara perlahan-lahan mengalami kehilangan spontan gugus aminonya oleh hidrolisis menjadi residu urasil, yang biasanya tidak dijumpai pada DNA. Bilaman untai DNA yang mengandung residu urasil melangsungkan replikasi, urasil tidak dapat membentuk ikatan yang kuat dengan residu Guanin (G) yaitu pasangan normal sitosin. Sebaliknya urasil akan cenderung berpasangan dengan residu adenin. Bilaman untai DNA baru yang mengandung residu A yang salah melakukan replikasi tentunya keduanya akan memperoleh T pada untai komplementer. Hasilnya adalah dupleks DNA anak yang mengandung pasangan basa A-T dan bukan pasangan G-C seperti ditentukan oleh DNA induk semula yang tidak rusak.

Jenis kerusakan ini diperbaiki dengan suatu cara baru. Enzim khusus urasil –DNA glikosidase, menghidrolisis basa urasil yang salah ini dari untai rusak tersebut. Residu deoksiribosa fosfat yang tertinggal, yang sekarang kehilangan basa, kemudian dipotong pada sisi 5’ ikatan fosfodiesternya oleh DNA polimerase I yang selanjutnya menyisipkan unit sitidin fosfat yang benar pada ujung 3’ yang sekarang terbuka pada untai rusak tadi, untuk berpasangan basa dengan residu G pada untai yang tidak rusak. Untai ini lalu disambung secara kovalen oleh DNA ligase untuk menyempurnakan proses perbaikan ini.

Kerusakan oleh Senyawa Kimia Eksternal
DNA juga dapat mengalami kerusakan oleh senyawa kimia reaktif yang terbawa ke lingkugan sebagai produk aktivitas industri. Produk tersebut tidak selalu merusak dalam keadaan aslinya, tetapi dapat mengalami metabolisme oleh sel menjadi bentuk yang merusak. Senyawa kimia reaktif tersebut dapat digolongkan menjadi tiga golongan utama, yaitu 1) senyawa penyebab deaminasi, terutama asam nitrat (HNO2) atau senyawa yang dapat mengalami metabolisme menjadi asam nitrit atau turunan nitrit lainnya, 2) senyawa penyebab alkilasi, misalnya senyawa dimetilsulfat yang sangat reaktif dapat menyebabkan metilasi residu guanine dan menghasilkan O-metilguanin yang tidak dapat melakukan pasangan basa dengan sitosin yang merupakan pasangan normal guanin, dan 3) senyawa kimia yang dapat merangsang atau bersifat basa yang biasanya terdapat pada DNA.