Replikasi DNA atau biasa disebut penggandaan DNA terjadi dengan model semikonservatif. Dalam model ini untai DNA induk akan memisah dan setiap untai berfungsi sebagai cetakan untuk membentuk untai DNA yang baru. Prinsip dasar replikasi yang terlihat sangat sederhana itu sebenarnya melibatkan reaksi biokimia yang sangat kompleks. Untuk sampai pada sebuah kesimpulan bahwa pola replikasi adalah semikonservatif, para ilmuwan membuat beragam hipotesis. Ada tiga hipotesis mengenai replikasi DNA ini, cetusan hipotesis ini pertama kali dipaparkan oleh penemu struktur DNA yaitu Watson dan Crick. Tidak lama stelah temuan stuktur DNA mereka mengungkapkan kemungkinan mekanisme replikasi adalah model konservatif, model semikonservatif dan model dispersif.

Hipotesis model konservatif ini menjelaskan bahwa induk DNA rantai ganda tetap dalam keadaan utuh dan tidak akan memisah, pasangan rantai berpilih tersebut selanjutnya menjadi cetakan unting DNA yang baru. Berbeda dengan model konservatif, hipotesis lainnya adalah model semikonsevatif, yang menjelaskan bahwa unting ganda DNA induk akan memisah dan setiap unting akan berfungsi sebagai cetakan yang mensitesis untai komplementernya. Jadi DNA anakan terdiri atas satu untai lama yang berasal dari induk dan satu untai baru. Hipotesis ke tiga yaitu model dispersif, menjelaskan bahwa setiap untai molekul DNA anak terdiri dari campuran untai lama dan untai baru.

Ketiga model hipotesis itu baru dibuktikan kebenarannya oleh Matthew Meselson dan Franklin Stahl pada akhir tahun 1950an. Berdasarkan percobaan dengan menggunkan bakteri E.coli  maka dapat terbukti bahwa model semikonservatiflah yang merupakan cara replikasi DNA. Meselson dan Stahl melakukan percobaan dengan membiakkan bakteri E.coli pada medium yang mengandung radioisotop nitrogen seberat 15N, bakteri E.coli mampu memasukkan nitrogen berat tersebut kedalam DNAnya. Langkah selanjutnya, bakteri E.coli yang telah mengandung 15N dipindahkan ke dalam medium yang mengandung nitrogen yang lebih ringan berat molekulnya yaitu 14N. Setelah dibiakkan pada medium dengan nitrogen yang lebih ringan ternyata di dalam DNA E.coli memiliki berat yang lebih berat dari 14N.

Tetapi tidak lebih berat dari 15N. Hal tersebut berarti bahwa E.coli telah membentuk DNA anakan yang teridiri dari satu unting yang berasal untai lama yang dibuktikan dengan masih adanya DNA yang mengandung 15N dan unting DNA lainya merupakan DNA anak komplemeter dari cetakan seutas unting lama. Terbentuknya unting baru tersebut ditandai dengan adanya unting DNA yang mengandung 14N. Molekul DNA yang memiliki berat molekul yang berbeda tersebut dapat dipisahkan dengan cara mensentrifugasi DNA yang diekstrak dari E.coli. Percobaan Meselson dan Stahl ini memberikan jawaban yang jelas bahwa mekanisme replikasi DNA adalah model semikonservatif dan mematahkan dua hipotesis lainnya yaitu model konsevatif dan dispersif. 

Terbentuknya fragmen okazaki saat replikasi DNA

Fragmen okazaki sebenarnya adalah sebuah struktur potongan pendek DNA selama proses replikasi pada lagging strand (unting DNA yang berlawanan dengan unting DNA lainnya yang memimpin jalanya replikasi) yang ditemukan oleh ilmuwan jepang bernama Reiji Okazaki pada tahun 1966. Fragmen-fragmen okazaki ini selanjutnya akan digabungkan menjadi membentuk sebuah untai DNA lagging strand yang utuh.

Pembentukan fragmen okazaki dimulai saat terbentukanya garpu replikasi. Garpu replikasi merupakan titik awal terjadinya proses replikasi pada “gelembung” DNA (untai ganda yang membuka karena adanya enzim helikase) yang berbentuk huruf  Y. Selain berfungsi membuka unting ganda DNA helikase inilah yang mempertahankan posisi untai lama tetap terpisah selama proses replikasi.  Saat terjadi sintesis DNA pada cabang replikasi, struktur heliks ganda DNA bekerja ke arah berlawanan atau disebut bersifat antiparalel. Untai heliks ganda DNA yang telah berhasil dibuka oleh helikase ini membentuk dua unting DNA yang biasa satu disebut leading strand dan yang lainnya disebut lagging strand. Sintesis leading strand dan lagging strand dibantu pemanjangannya oleh enzim DNA polymerase. Enzim ini hanya bekerja secara spesifik yaitu hanya dapat melakakukan pemanjangan untai dari arah 5’ ->3’. Disebut ujung 5’ karena merupakan tanda gugus fosfat yang ke lima pada karbon gugus gula deoksiribosa, sedangkan tanda 3’ merupakan tanda untuk ujung hidroksil dari karbon gugus gula tersebut. Karena polimerase hanya dapat berjalan dari arah 5’ ->3’ maka untuk untai lainnya yang berjalan dari 3’->ke 5’ tidak ada polymerase yang mendukungnya sehingga harus melakukannya dengan membentuk unting-unting pendek yang disebut fragmen okazaki. Adanya polimerase ini sebenarnya dapat mempengaruhi laju kecepatan reaksi, karena enzim ini mampu menambahkan nukleotida tanpa adanya pemutusan template.

Leading strand merupakan untai DNA yang memimpin jalanya replikasi. Saat leading strand memanjang dari arah 5’ -> 3’ dibantu oleh DNA polimerase maka unting lagging strand berjalan dari arah 3’ -> 5’. Lagging strand disintesis secara tidak kontinu, enzim primase membantu mensintesis RNA primer pendek (sebuah struktur meolekul genetik lainnya yang merupakan pelengkap template yang mulai dari arah 3’ OH) yang diperpanjang oleh DNA polimerase membentuk fragmen okazaki. Fragmen okazaki selanjutnya menambahkan diri secara individu melalui cetakan lagging strand dengan arah 5’ ->3’ membentuk sejumlah fragmen pendek DNA yang akhirnya di dihubungkan oleh ligase.  Dengan terbetuknya fargmen okazaki ini terlebih dahulu maka pemanjangan lagging strand jadi mungkin dilakukan dari arah 5’ -> 3’.

Mekanisme replikasi DNA ini tidak berhenti begitu saja saat telah leading strand dan logging strand.Terbentuk, namun masih ada proses selanjutnya yaitu proses  pengecekan dan perbaikan DNA hasil replikasi. Mekanisme mismatch repair ini dilakukan oleh enzim polimerase dengan cara mencocokkan nukleotida pada untai lama dengan nukleotida komplemennya (Adenin-Timin, Sitosin – Guanin). Jika ditemukan ketidak cocokan antara nukleotida cetakan dengan pasangannya maka polimerase ini akan memindahkan nukleotida tersebut dan melanjutkan sintesis kembali. Apabila ditemukan kesalahan yang parah pada suatu susunan unting maka satu segmen dari untai yang mengandung kesalahan tersebut akan dipotong habis oleh enzim pemotong DNA-nuklease.

Adanya kekosongan akibat pemotongan tersebut selanjutnya akan diisi oleh nukleotida yang pasangannya sesuai dengan nukleotida yang terdapat pada untai yang tidak rusak. Enzim yang berperan dalam pengisian celah ini adalah DNA polimerase dan DNA ligase. Apabila cacat pada pembentukan DNA terakumulasi dan tidak dapat diperbaiki maka dapat memicu terjadinya kanker ataupun cacat herediter. Salah satu contoh kasus kegagalan perbaikan DNA adalah kanker kulit yang disebabkan oleh sinar ultraviolet.

Proses perbaikan DNA ini sangat penting agar organisme tetap dapat bertahan hidup. Dengan adanya mekanisme perbaikan ini maka aliran informasi genetik dapat terus dipertahankan dari generasi satu ke generasi selanjutnya meskipun pada kenyataanya mutasi bisa dengan mudah terjadi akibat kondisi lingkungan. Agen-agen penyebab mutasi seperti  zat-zat kimia reaktif, emisi, radioaktif, sinar X, sinar ultraviolet biasanya dapat merubah susunan nukleotida tetapi dengan adanya sistem pengkoreksian untai DNA oleh enzim polimerase ini bentukan nukleotida yang salah dapat diperbaiki.

Penelitian tentang fragmen okazaki

Panjang fragmen okazaki berbeda antara prokariotik (oraganisme yang tidak memiliki membaran inti seperti bakteri) dan eukariotik (organisme yang memiliki membaran inti). Prokariot seperti bakteri E.coli memiliki panjang fragmen okazaki sekitar 2000 nukleotida sedangkan eukariot hanya 100-200 nukleotida. Fragmen okazaki pertama kali ditemukan cara pembentukannya melalui penelitian terhadap bakteri E.coli yang telah diinfeksi bakteriofag T4 diberi penanada senyawa 3H timidin. Senyawa ini merupakan senyawa yang akan melebeli DNA, sehingga pada saat DNA diultrasentrifugasi (dipusingkan) DNA yang terpotong menjadi fragmen-fragmen kecil dapat terdeteksi. Fragmen-fragmen kecil yang semula diduga tidak berguna karena telah dihidrolisis oleh DNA polimerase I ini ternyata justru memiliki peran yang sangat membantu proses replikasi DNA. Fragmen kecil-kecil ini diketahui dapat tersambung dan terbentuk kembali ketika dilakukan percobaan hasil endapan sentrifugasi DNA setelah dibiarkan dalam waktu yang cukup lama ternyata tidak ditemukan lagi. Hal ini berarti bahwa fragmen-fragmen tersebut disinteis dan membentuk untai panjang DNA komplementer dari satu unting DNA leading strand saat proses replikasi terjadi. 

Pada percobaan dengan bakteri E.coli tersebut juga dapat diungkapkan adanya penumpukan fragmen pendek okazaki akibat dari proses perbaikan dan pembuangan beberapa komponen urasil dimana urasil (salah satu jenis basa nukleotida pada RNA) seharusnya dibuang dari  DNA karena pada DNA tidak ada urasil tetapi diganti oleh timin. Adanya pembentukan urasil yang berlebih ini disebabkan oleh adanya enzim dUTPase yang tidak dapat menghidrolisis urasil dari DNA diakibatkan karena mutasi lokus tertentu pada kromosom E.coli.

Penemuan baru terkait fragmen okazaki adalah adanya kemungkinan mutasi pada fragmen pendek untai tunggal ini, karena hanya berupa untai tunggal maka tidak ada mekanisme pengkoreksian seperti pada DNA untai ganda. Sehingga terjadinya kemungkinan terjadinya mutasi lebih besar. Mekanisme pengkoreksian untai ganda DNA biasanya dilakukan oleh DNA polimerase. Polimerase ini melakukan penelusuran pada setiap nukleotida terhadap cetakannya saat suatu nukleotida ditambahkan pada untaian. Ketika polimerase menemukan adanya ketidak cocokan antara nukleotida cetakan dengan pasangannya maka polimerase ini secara otomatis akan memindahkan nukleotida tersebut kemudian melanjutkan kembali sintesis. Mekanisme perbaikan ini tentunya akan lebih sulit dilakukan pada untai tunggal, karena tidak ada komplemen (pasangan) dari rantai untai tunggal tersebut sehingga mekanisme mismatch repair tidak terjadi.

Mutasi pada fragmen okazaki dapat menyebabkan penyakit kanker, tetapi melalui mekanismenya juga dapat ditemukan adanya sifat antikanker terkait pada fragmen okazaki yang terbentuk. Salah satu contoh adalah yang terjadi pada replikasi agen anti leukimia yaitu sitarabin. Pada saat replikasi agen ini menggantikan senyawa tertentu yaitu deoxycytidine sehingga DNA hibrida (komplek gabungan RNA-DNA) berubah bentuk didaerah tertentu dari 22 derajat meningkat menjadi 44 derajat. Kondisi ini mengakibatkan struktur tersebut dapat mengikat fragmen okazaki secara fleksibel dan kuat, akibatnya sitarabin ini dapat menghambat replikasi dan dapat dikatakan bersifat antikanker.

Penelitian pada fragmen kecil ini terus dilakukan hingga saat ini, karena para ilmuwan mulai menyadari bahwa fragmen okazaki ini dapat dimanfaatkan sebagai sebuah mekanisme pertahanan anti kanker yang bersifat molekular yang diharapkan dapat menjadi sebuah alternatif dalam mekanisme pengobatan kanker.