EKSPRESI GEN A.
EKSPRESI GEN Gen merupakan satuan unit informasi genetika. Dalam makalah ini, kami
memusatkan perhatian pada proses konversi informasi di dalam gen menjadi molekul-molekul molekul-m olekul yang menentukan sifat-sifat sel dan virus. Hal ini dilakukan melalui sejumlah kejadian dimana informasi dalam sekuen DNA akan digandakan menjadi molekul RNA dan kemudian digunakan untuk menentukan sekuen asam amino dari suatu molekul protein. Protein adalah molekul-molekul yang memiliki fungsi berikut: 1. Bertanggungjawab untuk katalis dalam sebagian besar reaksi
kimia
(enzim) 2. Pengaturan ekspresi gen (protein pengatur) 3. Membentuk struktur sel, jaringan dan virus (protein struktur) Protein tersusun atas satu atau beberapa asam amino yang tergabung secara kovalen. Rantai asam-asam amino ini disebut polipeptida, yang dapat disusun dalam berbagai macam urutan. Karena jumlah asam amino dalam polipeptida dapat mencapai ribuan, maka dapat dibentuk molekul protein yang beraneka macam. Ekspresi gen merupakan proses bagaimana informasi yang ada di dalam DNA bisa di copy melalui proses traskripsi dalam organisme eukariot. Hasil proses transkripsi adalah hn RNA (transkrip primer). Di dalam organisme eukariot ada tahapan
proses
tertentu
processing. Kemudian
dii kuti diikuti
sebelum tahap
menghasilkan
tr anslasi translasi
yang
RNA, akhir nya akhirnya
yaitu
RNA
menghasilk an menghasilkan
polypeptida. Jika dalam proses tersebut ada tahapan yang tidak terjadi, maka dalam
hal ini tidak termasuk dalam kategori bahwa gen tersebut telah terekspresi atau dengan akta lain tidak terjadi ekspresi gen. Langkah-langkah utama dalam ekspresi gen adalah sebagai berikut. 1. Sintesis molekul RNA oleh RNA polymerase, yang menggunakan sekuen basa-basa dari satu utas DNA sebagai cetakan dalam reaksi polimerisasi, seperti pada replikasi DNA. Proses ini disebut transkripsi. 2. Molekul-molekul protein kemudian disintesis melalui penggunaan sekuen basa dari molekul RNA untuk mengarahkan penggabungan asam-asam amino menurut urutan tertentu. Proses ini disebut translasi. Secara umum, rantai informasi genetik atau DNA merupakan pusat pengendali jalannya metabolisme di dalam sel, yaitu dengan cara menyandikan protein. Proses tersebut dilaksanakan melalui penentuan susunan nukleotida molekul RNA, yang selanjutnya susunan nukleotida tersebut diterjemahkan ke dalam susunan asam amino dari rantai polinukleotida protein. Proses penyusunan polinukleotida RNA berdasarkan pola DNA disebut transkripsi. Sedangkan proses penyusunan asam amino menurut pola molekul RNA disebut translasi. B.
TRANSKRIPSI Tahapan pertama dalam ekspresi gen adalah sintesis penggandaan sebuah
molekul RNA dari segmen DNA yang berisi gen. Tahapan-tahapan transkripsi DNA adalah sebagai berikut. 1. 50 protein yang berbeda terikat pada tempat promoter, biasanya pada ujung 5’ dari gen yang akan ditranskripsi
2. Enzim polimerase RNA mengikat pada kompleks faktor transkripsi. Dua langkah pertama ini membuka ikatan ulir DNA. Tahap 1 dan 2 disebut inisiasi. 3. Polimerase RNA bergerak menelusuri satu rantai dalam arah 3’ à 5’ 4. Dalam gerakan ini, terbentuklah ribonukleotida (sebagai trifosfat seperti ATP) dalam rantai baru RNA. 5. Sintesis RNA berlangsung dalam arah 5’ à 3’ 6. Saat transkripsi selesai, hasilnya dilepaskan dari polimerase dan kemudian polimerase dilepaskan dari DNA (Tahap terminasi). Tahapan 3-6 disebut elongasi. Suatu gen tertentu dari tanaman dapat diatur gen ekspesinya, yaitu dengan mengatur proses translasinya atau mengatur proses tranksripsi. Apabila yang diatur adalah
proses
translasinya,
sedang
proses
lainnya
bebas
terjadi,
maka
disebut translation level control . Apabila kondisi translation level control dalam keadaan permisif, maka proses translasi akan berjalan, tetapi apabila kondisinya tidak permisif maka proses translasi tidak terjadi. Akibatnya, terjadi penumpukan (degradasi) mRNA, atau disebut RNA turn over , yaitu mRNA akan terdegradasi sebelum terjadi akumulasi yang berlebihan.
TIPE-TIPE RNA 1. mRNA (Messenger RNA), adalah RNA yang akan ditranslasikan menjadi
polipeptida. Sebagian besar sel memproduksi sejumlah kecil dari beribu ribu molekul molekul mRNA yang berbeda dimana masing-masing ditranslasikan menjadi peptida yang diperlukan oleh sel. Kebanyakan mRNA berupa “housekeeping “ protein yang dibutuhkan oleh semua sel (misal enzim glikolisis). mRNA lain adalah berupa “
spesifik” protein hanya untuk tipe-tipe tertentu dari sel (misal hemoglobin pada sel darah merah). Gambar 7. mRNA processing. 2.
rRNA (Ribosomal RNA), yang akan digunakan untuk membangun ribosom
sebagai mesin sintesis protein. Ada 4 jenis rRNA pada organisme eukariot, yakni: a.
18S rRNA, satu dari molekul molekul ini, bersama dengan 30 molekul protein yang berbeda digunakan untuk membuat subunit kecil dari ribosom.
b.
285, 5.8S, dan 5S rRNA, masing-masing molekul molekul bersama dengan 45 molekul protein yang berbeda digunakan untuk membuat subunit besar dari ribosom.
c.
28S, 18S, dan 5.8S molekul diproduksi dengan proses sebuah trankrip utama dari penggandaan sebuah gen.
3.
tRNA (Transfer RNA), adalah molekul yang membawa asam-asam amino
menuju polipeptida yang sedang dirakit. Ada 32 jenis tRNA yang berbeda pada organisme eukariot, dimana masingmasing produk adalah dari gen yang terpisah; kecil, berisi 79-93 nukleotidanukleotida; basa-basa berpasanagan satu dengan lainnya membentuk doubel helix; masing-masing dari tRNA membawa satu dari 20 asam amino (ujung 3’); pada loop 1 3 pasang basa yang tidak berpasangan dari antikodon; pasang basa antara antikodon dan komplementnya pada mRNA membawa asam-asam amino yang benar menuju rantai polipeptida. Gambar 9. tRNA processing. 4.
snRNA (Small Nuclear RNA), adalah mediator dalam langkah-langkah
pemrosesan transkripsi gen-gen mRNA, rRNA dan tRNA.
5.
snoRNA (Small Nucleolar RNA).
6.
miRNA (Micro RNA), adalah RNA yang mengatur ekspresi molekul mRNA.
7.
XIST RNA, yang melakukan deaktivasi satu dari dua kromosom X pada vertebrata betina.
RNA POLIMERASE RNA polimerase adalah subunit protein multi komplek. Ada 3 jenis RNA
polimerase yang ditemukan pada organisme eukariote, diantaranya: 1. RNA polimerase I, mencatat gen rRNA untuk pendahuluan pada molekulmolekul 28S, 18S, dan 5.8S 2. RNA polimerase II, mencatat gen-gen pengkode protein menjadi mRNA 3. RNA polimerase III, mencatat gen-gen 5S rRNA dan seluruh gen-gen tRNA.
RNA PROCESSING Tahapan-tahapan RNA prosesing adalah sebagai berikut. 1. Sintesis cap, dimana guanine (G) ditempelkan pada
ujung 5′. Cap
berfungsi: melindungi RNA dari pencopotan oleh enzim yang mencopot RNA dari ujung 5’, bertindak sebagai titik perakitan bagi protein yang diperlukan untuk mengumpulkan subunit kecil ribosom untuk memulai translalsi. 2. Tahap
demi
tahap
menghilangkan introns pada
pre-mRNA
dan
menyisipkan exons. 3. Sintesis poly(A)
tail.
Ini
adalah
proses
pembentangan
nukleotida
adenine(A). Saat satu site pada pre-mRNA yang menempel poly(A) muncul dari RNAP II, transkrip dipotong kemudian poli A tertempel pada ujung 5 ’. mRNA yang telah komplit siap keluar ke sitosol (sisa-sisa transkripsi dilepas dan RNA polimerase meninggalkan DNA).
Ada beberapa tanaman yang proses transkripsi berjalan terus, tetapi RNA processing hanya terjadi pada kondisi permisif tertentu. Hasil dari transkripsi DNA yang tidak mengalami RNA processing ini dikenal dengan post transcription level control . Pada kondisi yang tidak permisif, mRNA tidak akan berfungsi, sehingga selalu dalam bentuk hn dan tidak dapat di translasi. Zhang et al. (2007) menyebutkan bahwa post transcriptional modificasiondapat mengurangi stabilitas protein Okt-4 dan kapasitas regenerasi pada sel ES pada tikus. C.
TRANSLASI Translasi adalah proses penerjemahan RNA menjadi suatu barisan asam-
asam
amino
yang
menyusun
protein. Translasi
RNA
m e s s e n g e r menjadi
protein. Adalah suatu proses dimana mRNA terikat dengan tRNA pasangannya untuk kemudian terikat dengan ribosom (RNA ribosom). Setelah pembentukan protein di ribosom selesai, maka protein tersebut kemudian dibebaskan dan keseluruhan proses tersebut dikenal dengan translasi. Keberadaan suatu transgen pada tanaman belum menunjukkan bahwa gen tersebut dapat terekspresi. Untuk mengekspresikan dirinya, gen memerlukan seperangkat sistem untuk memulai proses ekspresi tersebut. Gen atau DNA di dalam nukleus harus dapat ditranskrip menjadi mRNA. Selanjut- nya mRNA ini harus dapat keluar dari nukleus ke sitoplasma yang kemudian mengadakan proses translasi untuk menghasilkan protein sesuai dengan templateDNA-nya. Dalam proses ekspresi ini banyak hal yang dapat terjadi sehingga gen tidak dapat menghasilkan
protein
yang
dimaksud.
Hal
ini
dikenal
dengan
istilah gene
silencing, suatu kasus di mana ditemukan keberadaan sekuen DNA transgen dalam tanaman transgenic tetapi gen tersebut tidak dapat membentuk protein yang
diinginkan. Beberapa faktor yang diduga men-jadi penyebabnya adalah terjadinya metilasi DNA dan co-suppressing dari sekuen yang homolog (Meyer1995). Bila molekul mRNA kontak dengan ribosom, maka akan dibentuklah molekul protein disepanjang ribosom. Proses pembentukan protein ini disebut translasi. Jadi pada ribosom terjadi proses kimia penyusunan asam amino untuk membentuk protein. Translasi merupakan tahap akhir dari ekspresi gen, yaitu penterjemahan runtunan nukleiotida mRNA menjadi runtunan asam amoni polipeptida. Translasi pada proses ekspresi gen diperlihatkan pada eukariotik yang dimulai dengan pembentukan mRNA atau transkripsi di dalam inti sel dan selanjutnya mRNA keluar dari inti untuk menjadi model cetakan dalam translasi didalam sitoplasma. Terdapat 3 jenis RNA yang dibentuk oleh DNA dimana tiap jenis RNA mempunyai fungsi yang berbeda, yaitu : 1. Messenger RNA (mRNA), berfungsi membawa kode genetik ke sitoplasma untuk mengatur sintesa protein. Fungsi ini dilaksanakan dengan cara mRNA menjadi cetakan dalam penyusunan rangkaian asam amino dalam translasi. Informasi genetik yang dibawa oleh mRNA terdapat pada runtunan basa yang dikandungnya. Dalam satu rantai mRNA hanya bagiantertentu yang menjadi pola cetakan dalam sintesis protein, yaitu ruas yang diapit oleh kodon awal dan kodon akhir. Dalam sandi genetic umum yang menjadi kodon awal ialah rangkaian tiga basa AUG, sedangkan sebagai kodon akhir terdapat tiga kombinasi basa yaitu UAA, UAG dan UGA. Dalam satu mRNA prokariotik dapat ditemukan lebih dari satu ruas penyandi, sedangkan pada mRNA eukariotik hanya terdapat satu ruas. Ruas penyandi protein inilah yang setara dengan satu gen, dalam kasus gen penyandi protein.
2. Transfer RNA (tRNA) untuk transport asam amino menuju ribosom untuk digunakan menyusun molekul protein. tRNA mempunyai fungsi sebagai pengangkut asam amino kedalam kompleks translasi serta membaca sandisandi (kodon-kodon) mRNA. Kesanggupan tRNA menjalankan tugas tersebut ialah berkat adanya simpul anti kodon dan kemampuan membentuk satu kompleks dengan asam amino, yang disebut aminoasil-tRNA. a. Perpautan tRNA dengan asam amino terjadi berkat adanya enzim sintetase aminoasil- tRNA, yang dapat mengaitkan asam amino kepada ujung 3 tRNA. Dengan cara mengenali struktur tRNA atau untuk asam amino sintetase-aminoasil- tRNA mampu bekerja memasangkan satu jenis tRNA dengan satu jenis asam amino. Untuk 20 asam amino yang dikenali dalam sandi genetic sekurang-kurangnya ada 31 jenis tRNA. 3. Ribosomal RNA (rRNA) untuk membentuk ribosom bersama dengan 75 protein lainnya. Ribosom merupakan tempat berlangsungnya translasi. Dengan komponen penyusunnya yang terdiri dari rRNA dan protein ribosom mampu mengenali mRNA dan sejumlah enzim yang protein yang berperanan dalam proses translasi. Ribosom terdiri dari dua sub unit, yaitu sub unit kecil dan subunit besar. Sub unit kecil mengandung sekitar sepertiga masa ribosom dan sisanya terdapat pada sub unit besar. Dalam keadaan bebas kedua sub unit ribosm terpisah satu dari yang lain, dan mereka akan bersatu pada saat proses translasi akan dimulai. Ukuran ribosme Eukariotik adalah 80 S atau setara dengan 4.420.000 dalton lebih besar dibandingkan dengan ribosom pada prokariotik seperti bakteri 70 S atau setara dengan 2.520.000 dalton.
Di dalam ribosom, terdapat satu situs untuk mRNA dan dua situs untuk tRNA dan satu situs untuk enzim transferase peptidil. Transferase peptidil adalah enzim yang berperan dalam merangkaikan satu asam amino dengan asam amino yang lain. Situs mRNA terdapat pada sub unit kecil dan sedangkan situs tRNA, yaitu situs A dan P, terdapat pada sebagian kecil pada sub unit kecil dan bagian terbesar pada sub unit besar. Situs tranferase peptidil terdapat pada sub unit besar. Adanya rRNA pada ribosom memberikan kemampuan pada ribosom untuk mengenali tRNA dan mRNA. Sebagian besar ribosom terletak pada sitoplasma, dan dalam sel eukariotik sejumlah ribosom terdapat dalam organel intraseluler seperti mitokondria dan kloroplas. Ribosom-ribosom ini berfungsi untuk memsintesis protein yang khusus berfungsi di dalam organel-organel tersebut.
TUGAS INDIVIDU DASAR-DASAR GENETIKA IKAN
EKSPRESI GEN
OLEH : NAMA STAMBUK
: NURUL FADHILLAH AZIS : L221 12 103
LABORATORIUM GENETIKA DAN PEMULIAAN BIOTA AIR PROGRAM STUDI BUDIDAYA PERAIRAN JURUSAN PERIKANAN FAKULTAS ILMU KELAUTAN DAN PERIKANAN UNIVERSITAS HASANUDDIN MAKASSAR 2014
