Tugas Biologi Sel Dan Molekuler Gen Editting.docx

TUGAS BIOLOGI SEL DAN MOLEKULER GENOME EDITING (CRISP Cas9)

Oleh Hindun Hidayatun Na’imah NIM 14304241013

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN BIOLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA 2018

A. Sejarah Genom Editing Rekayasa genetika, terutama pada tanaman dimulai pada tahun 1983 melalui ekspresi gen bakteri pada tanaman tembakau (Fraley RT, et al., 1983: 4803-4807) . Pada tahun 1994, tanaman pangan transgenik pertama atau yang disebut genetically-modified crops yaitu pada tomat Flavr Savr. Produk ini kemudian dikomersialkan oleh perusahaan Calgene (Bruening G, Lyons J., 2000: 6-7). Prinsipnya, dalam rekayasa genetika gen secara acak dimasukkan ke dalam genom inang. Antara gen yang dimasukkan dan genom inang pada umumnya adalah materi genetik dari spesies berbeda

yang tidak

memungkinkan terjadinya hibridisasi secara alami. Saat ini terdapat berbagai macam cara rekayasa genetik, salah satunya adalah dengan genome editing. Sesuai namanya, teknik genome editing

diaplikasikan dengan cara

memasukkan modul pemotongan DNA (DNA-cutting module) bersama dengan potongan DNA yang akan disisipkan. Ketika DNA asli terpotong, sel akan menggantikannya dengan DNA donor. Sampai dikenal tiga modul pemotongan DNA yaitu,

a. Zinc Finger Nucleases (ZFNs), b. Transcription Activator-Like Effector Nucleases (TALENs), dan c. sistem imun adaptatif prokariotik tipe II CRISPR (Clustered Regularly Interspaced

Short

Palindromic

Repeats)/Cas

(CRISPR-associated)

(Puchta H, Fauser F, 2013: 629-637) B. Kemampuan Modul CRISPR/Cas9 Kedua nuklease ZFNs dan TALENs digunakan untuk memutasi genom target pada lokus spesifik. Namun kelemahan dari system ini adalah diperlukan dua protein DNA binding yang berbeda dan mengapit flanking sequence, masing-masing dengan modul nuklease FoKl (Belhaj K et al.,

2013 : 39). Modul CRISPR/Cas9 muncul sebagai alternatif untuk genome editing yang relatif lebih mudah. Modul CRISPR/Cas9 didasarkan pada nuklease Cas9 dan singleguide RNA (sgRNA) yang telah dimodifikasi untuk

mengedit sekuen nukleotida target Briner AlexandraE, et al., 2014: 333-

339). C. Pengertian CRISPR Cluster Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats atau yang dikenal dengan istilah CRISPR adalah segmen DNA prokariotik dimana mengandung pengulangan singkat dari urutan basa. Pada setiap repetisi biasanya diikuti oleh segmen pendek atau spacer DNA dari eksposur sebelumnya untuk virus bakteri maupun plasmid. Biasa disebut juga sebagai “crisper”.

Gambar 1. Diagram CRISPR: mekanisme pertahan virus prokariotik CRISPR Sistem CRISPR atau yang dikenal juga dengan Cas sistem merupakan sebuah sistem kekebalan tubuh prokariotik dimana mampu memberikan kekebalan terhadap elemen-elemen genetik asing seperti plasmid dan juga fag (bakteriofag/virus bakteri). Pemberi jarak CRISPR atau dikenal juga dengan spacer CRISPR mampu mengenali dan memotong elemen genetik eksogen dengan cara analog dengan RNAi pada sebuah organisme eukariotik. D. Mekanisme Kerja CRISPR CRISPR ditemukan sekitar 40% dari urutan genom bakteri dan 90% pada urutan archaea. Sistem Cas atau CRISPR saat ini telah digunakan dalam dalam rekayasa genetik terutama dalam proses editing gen atau menambahkan, mengganggu, maupun mengubah urutan gen tertentu pada regulasi gen dalam

spesies rantai kehidupan. Dengan menambahkan protein Cas9 dan sedikit paduan RNA yang tepat ke dalam sel maka genom suatu organisme akan dapat relatif lebih mudah di potong pada lokasi yang diinginkan. Beberapa keuntungan menggunakan metode CRISPR ini diantaranya mampu mengobati penyakit genetik, melawan infeksi serta peningkatan hasil tanaman pangan. E. Penelitian Terkait CRISPR Kumpulan pengulangan (repeat) yang merupakan cara kerja CRISPR ini pertama kali ditemukan pada tahun 1987 oleh Yoshizumi Ishino pada bakteri Escherichia coli. Namun, pada saat itu Yoshima belum mengetahui fungsi dan manfaatnya.

Gambar 2. Diagram sederhana dari CRISPR yang terdiri dari tiga komponen utama CRISPR. Di tahun 2000, proses pengulangan (repeat) serupa diidentifikasi terjadi pada bakteri lain dan archaea. Kemudian peristiwa pengulangan ini diberi istilah SRSR atau Short Regularly Spaced Repeats dan dirubah lagi istilahnya menjadi CRISPR pada tahun 2002. Sedangkan istilah Cas memiliki pengertian atau digunakan dalam satu set gen yang melakukan pengulangan CRISPR. Gen cas ini diduga mampu megkodekan nuklease atau helikase dengan menggunakan enzim yang mampu memotong DNA. Tiga penelitian idependen pada tahun 2005 juga menemukan spacer CRISPR yang berasal dari fag DNA dan DNA ekstrakromosomal seperti plasmid. CRISPR ini ditemukan pada spacer fragmen DNA dari virus yang sebelumnya mencoba menyerang sel. Dari sinilah diketahui bahwa sistem CRISPR atau cas mampu memberikan kekebalan adaptif pada bakteri. Usulan pertama untuk menggunakan spacer sebagai tempale untuk molekul RNA dimana memiliki fungsi sama dengan sistem yang disebut RNA interferensi dimana digunakan oleh sel-sel eukariotik di kemukakan oleh Koonin dan rekan-rekannya.

Tepatnya di tahun 2007, ilmuan dari industri makanan Danisco yaitu Barrangou dan Horvath serta Moineau’s group di Universitas Laval Canada memperlihatkan bahwa mereka bisa memanfaatkan spacer DNA untuk mengubah Streptococcus thermophilus untuk menyerang fag. Kemudian peneliti independen Doudna dan Charpentier mempelajari protein CRISPR terkait bagaimana suatu bakteri menggunakan spacer sebagai pertahanan kekebalan tubuh mereka. Mereka bersama-sama mempelajari sistem CRISPR sederhana yang bergantung pada protein yang disebut Cas9. Mereka juga menemukan bahwa bakteri menanggapi suatu fag yang akan menyerang dengan cara menyalin spacer dan DNA palindromic menjadi molekul RNA lama. Kemudian sel akan menggunakan tracrRNA dan Cas9 untuk memotong molekul RNA lama menjadi potongan-potingan yang disebut crRNAs. Cas9 sendiri sebenarnya merupakan nuklease, yaitu sebuah enzim khusus yang mampu memotong DNA. Cas9 juga mempunyai dua situs aktif pemotong yaitu HNH dan RuvC dimana hanya dibutuhkan satu pemotong untuk setiap helai helix ganda dari DNA. Tim ini menunjukan bahwa mereka mampu menonaktifkan satu maupun kedua situs tadi sambil menjaga kemampuan Cas9 tetap diatas DNA target. Berikutnya Jinek et al mengusulkan bahwa sistem ini seperti panduan RNA sintesis yang dapat digunakan untuk mengedit DNA. Jinek mengkombinasikan tracrRNA dan spacer RNA menjadi single-guide RNA dimana molekul yang dicampur dengan Cas9 mampu menemukan dan memotong DNA target dengan benar. Di tahun 2012 CRISPR pertama kali digunakan untuk bekerja sebagai rekayasa genom atau lat editing pada kultur sel manusia.

Gambar 3. Aplikasi Crispr sebagai genome editing pada embrio manusia (Sumber

:

http://www.dailymail.co.uk/health/article-3426206/British-

scientists-given-ahead-genetically-modify-embryos-understand-womensuffer-repeated-miscarriages.html, diakses pada 10 Januari 2017 pukul 20.00 WIB) Sejak saat itu, pemanfaatan CRISPR mulai berkembang dan digunakan dalam berbagai organisme termasuk penggunaan CRISPR pada ragi roti (S. cerevisiae), Zebrafish (D. rerio), lalat (D. melanogaster), axolotl (A. mexicanum), nematoda (C. elegans), tanaman, monyet, tikus, embrio, serta organisme

lainnya

(https://www.plengdut.com/pengertian-crispr-dan-

bagaimana-proses-kerjanya, diakses pada tanggal 10 Januari 2018, pukul 19.00 WIB)

DAFTAR PUSTAKA Belhaj K, Chaparro- Garcia A, Kamoun S, Nekrasov V (2013) Plant genome editing made easy: targeted mutagenesis in model and crop plants using the CRISPR/Cas system. Plant Methods 9: 39. Briner AlexandraE, Donohoue PaulD, Gomaa AhmedA,Selle K,Slorach EuanM, et al. (2014) Guide RNA functional modules direct Cas9 activity and orthogonality. Molecular Cell 56: 333-339. Bruening G, Lyons J. (2000) The case of the FLAVR SAVR tomato. California Agriculture 54: 6-7. Fraley RT, Rogers SG, Horsch RB, Sanders PR, Flick JS, et al. (1983) Expression of bacterial genes in plant cells. Proceedings of the National Academy of Sciences 80: 4803-4807. Puchta H, Fauser F (2013) Gene targeting in plants: 25 years later. The International Journal of Developmental Biology 57: 629- 637 http://www.dailymail.co.uk/health/article-3426206/British-scientists-given-aheadgenetically-modify-embryos-understand-women-suffer-repeated miscarriages.html, diakses pada 10 Januari 2017 pukul 20.00 WIB) https://www.plengdut.com/pengertian-crispr-dan-bagaimana-proses-kerjanya, diakses pada tanggal 10 Januari 2018, pukul 19.00 WIB