BAB X EKSPRESI GEN •
Dogma Sentral Genetika Molekuler
•
Perkembangan Konsep tentang Gen
•
Transkripsi
•
Tiga Macam RNA
•
Translasi, khususnya pada Prokariot
•
Kode Genetik
•
Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen pada Prokariot
•
Mekanisme Pengaturan Ekspresi Gen pada Eukariot
140
BAB X. EKSPRESI GEN
Pada Bab IX telah disebutkan bahwa salah satu fungsi dasar yang harus dijalankan oleh DNA sebagai materi genetik adalah fungsi fenotipik. Artinya, DNA harus mampu mengatur pertumbuhan dan diferensiasi individu organisme sehingga dihasilkan suatu fenotipe tertentu. Fenotipe organisme sangat ditentukan oleh hasil interaksi protein-protein di dalam sel. Setiap protein tersusun dari sejumlah asam amino dengan urutan tertentu, dan setiap asam asam amino amino pemben pembentuk tukann annya ya disandi disandi (dikode (dikode)) oleh oleh urutan urutan basa basa nitrog nitrogen en di dalam dalam molekul DNA. Rangkaian proses ini, mulai dari DNA hingga terbentuknya asam amino, dikenal sebagai dogma sentral genetika molekuler.
DNA replikasi
RNA transkripsi
asam amino translasi
Gambar 10.1. Diagram dogma sentral genetika molekuler
Perubahan urutan basa di dalam molekul DNA menjadi urutan basa molekul RNA dinamakan transkripsi, sedangkan penerjemahan urutan basa RNA menjadi urutan asam amino suatu protein protein dinamakan dinamakan translasi. Jadi, proses tanskripsi dan translasi dapat dilihat dilihat sebagai tahap-tahap tahap-tahap ekspresi urutan basa DNA. Namun, tidak semua urutan basa DNA akan diekspresikan menjadi urutan asam amino. Urutan basa DNA yang pada akhirnya menyandi urutan asam amino disebut sebagai gen. Dengan demikian, secara kimi kimiaa gen gen adal adalah ah urut urutan an basa basa nitr nitrog ogen en tert terten entu tu pada pada mole moleku kull DNA DNA yang yang dapat dapat dieskpresikan melalui tahap-tahap transkripsi dan translasi menjadi urutan asam amino tertentu. Di atas telah kita katakan bahwa sejumlah asam amino dengan urutan (sekuens) tertentu tertentu akan menyusun menyusun sebuah molekul molekul protein. protein. Namun, setiap molekul protein sendiri dapat dapat diliha dilihatt sebaga sebagaii gabunga gabungan n beberap beberapaa subunit subunit yang yang dinama dinamakan kan polipe polipepti ptida. da. Oleh Oleh karena itu, muncul pertanyaan tentang hakekat sebuah gen : tiap gen menyandi satu protein ataukah tiap gen menyandi satu polipeptida ?
141 Perkembangan konsep tentang gen dapat diikuti semenjak awal abad ke-20 ketika seorang dokter sekaligus ahli biokimia dari Inggris, Sir Archibald E. Garrod, mengajukan konsep satu gen mutan – satu hambatan metabolisme. Garrod mempelajari sejumlah penyakit metabolik bawaan pada manusia dan menyimpulkan bahwa setiap gangguan metabol metabolism ismee bawaan bawaan yang yang menimb menimbulk ulkan an penyak penyakit it terten tertentu, tu, misaln misalnya ya alkapt alkaptonu onuria ria,, disebabkan oleh satu gen mutan resesif. Sekitar 50 tahun kemudian dua orang peneliti, G. W. Beadle dan E.L. Tatum, mempelajari mempelajari mutasi gen pada jamur Neurospora Neurospora crassa dengan menumbuhkan berbagai strain mutan hasil iradiasi menggunakan sinar X atau sinar ultraviolet pada medium lengkap dan medium medium minimal. minimal. Medium minimal adalah medium untuk pertumbuhan pertumbuhan mikr mikroo oorg rgan anis isme me yang yang hanya hanya menga mengand ndung ung garam garam-g -gar aram am anorg anorgan anik ik,, sebu sebuah ah gula gula sederhana, dan satu macam vitamin. Mutan yang digunakan adalah mutan dengan hanya satu kelainan, yang untuk mendapatkannya dilakukan silang balik dengan strain tipe liar. Mutan hasil silang balik dengan nisbah keturunan tipe liar : mutan = 1 : 1 dipastikan sebagai mutan dengan hanya satu kelainan (mutasi). Strain tipe liar, sebagai kontrol, mampu tumbuh baik pada medium lengkap maupun pada medium minimal, sedangkan strain mutan hanya mampu tumbuh pada medium lengkap lengkap.. Strai Strain-s n-stra train in mutan mutan ini kemudi kemudian an dianal dianalisi isiss lebih lebih lanjut lanjut untuk untuk menget mengetahui ahui maca macam m fakt faktor or pertu pertumb mbuha uhan n yang yang diper diperlu lukan kanny nyaa denga dengan n cara cara mela melaku kuka kan n vari varias asii penambahannya ke dalam medium minimal. Sebagai contoh, mutan yang hanya tumbuh pada medium minimal yang ditambah dengan tiamin adalah mutan yang mengalami mutasi pada gen untuk biosintesis tiamin. Dengan cara seperti ini Beadle dan Tatum memperlihatkan bahwa tiap mutasi menyebabkan kebutuhan akan pemberian satu macam faktor pertumbuhan. Selanjutnya, dengan mengorelasikan hasil analisis genetik dengan hasil analisis biokimia terhadap strain-strain mutan Neurospora tersebut dapat diketahui bahwa tiap mutasi menyebabkan hilangnya hilangnya satu aktivitas aktivitas enzim. enzim. Maka, konsep satu gen mutan – satu hambatan metabolisme bergeser menjadi satu gen – satu enzim. Dalam perkembangan berikutnya, setelah diketahui bahwa sebagian besar enzim tersusun dari beberapa polipetida, dan masing-masing polipeptida merupakan produk gen yang berbeda, maka konsep terbaru tentang gen yang dianut hingga kini adalah satu gen - satu polipe polipepti ptida da. Sebaga Escherichia coli Sebagaii contoh contoh,, enzim enzim tript triptofa ofan n sintet sintetase ase pada Escherichia
142 terdiri terdiri atas dua buah polipeptid polipeptida, a, yaitu yaitu polipeptida polipeptida α dan polipeptida polipeptida β. Polipepti Polipeptida da α trpA, sedangkan polipeptida β merupakan produk gen trpB. trpB. merupakan produk gen trpA,
sinarX atau sinar uv
spora seksual konidia tipe liar
riboflavin
silang balik
piridoksin
tiamin
asam pantotenat
medium lengkap
niasin
inositol
kholin
medium minimal
asam folat
asam nukleat
Gambar 10.2. Diagram percobaan yang memperlihatkan satu gen – satu enzim Transkripsi
Tahap pertama ekspresi gen adalah ad alah transkripsi atau sintesis molekul RNA dari DNA (gen). Sintesis RNA mempunyai ciri-ciri kimiawi yang serupa dengan sintesis DNA, yaitu 1. Adanya Adanya sumber sumber basa basa nitrog nitrogen en berupa nukleos nukleosida ida trifosf trifosfat. at. Bedanya Bedanya dengan sumber sumber bas basaa untuk untuk DNA DNA hany hanyal alah ah pada pada mole moleku kull gula gula pent pentos osan anya ya yang yang tidak tidak beru berupa pa deoksiribosa tetapi ribosa dan tidak adanya basa timin tetapi tetapi digantikan oleh urasil. Jadi, keempat nukleosida trifosfat yang diperlukan adalah adenosin trifosfat (ATP), guanosin trifosfat (GTP), sitidin trifosfat (CTP), dan uridin trifosfat (UTP). 2. Adanya molekul molekul cetakan cetakan berupa berupa untai DNA. DNA. Dalam Dalam hal ini hanya hanya salah salah satu di antara antara kedua untai DNA yang akan berfungsi sebagai cetakan bagi sintesis molekul RNA. Untai DNA ini mempunyai urutan basa yang komplementer dengan urutan basa RNA hasil transkripsinya, dan disebut sebagai pita antisens. Sementara itu, untai DNA pasangannya, yang mempunyai urutan basa sama dengan urutan basa RNA, disebut sebagai pita sens. Meskipun Meskipun demikian, demikian, sebenarnya sebenarnya transkripsi transkripsi pada umumnya umumnya tidak terjadi pada urutan basa di sepanjang sepan jang salah satu untai DNA. Jadi, bisa saja urutan basa yang ditranskripsi terdapat berselang-seling di antara kedua untai D NA.
143 3. Sintesis Sintesis berlangs berlangsung ung dengan arah arah 5’→ 3’ sepert sepertii halnya arah arah sintesis sintesis DNA. DNA. 4. Gugus Gugus 3’- OH pada suat suatu u nukle nukleot otid idaa berea bereaks ksii denga dengan n gugus gugus 5’5’- trif trifos osfa fatt pada pada nukleotida berikutnya menghasilkan ikatan fosofodiester dengan membebaskan dua atom pirofosfat anorganik (PPi). Reaksi ini jelas sama dengan reaksi polimerisasi DNA. Hanya saja enzim yang bekerja bukannya DNA polimerase, melainkan RNA polimerase. Perbedaan yang sangat nyata di antara kedua enzim ini terletak pada kemampuan enzim RNA polimerase untuk melakukan inisiasi sintesis RNA tanpa adanya molekul primer. Tahap-tahap transkripsi
Transkripsi berlangsung dalam empat tahap, yaitu pengenalan promoter, inisiasi, elongasi, dan teminasi. Masing-masing akan dijelaskan sebaga i berikut. 1.
Enzi Enzim m RNA polim polimer eras asee mengi mengika katt untai untai DNA DNA cetak cetakan an pada pada suatu suatu daer daerah ah yang yang
mempunyai urutan basa tertentu sepanjang 20 hingga 200 basa. Daerah ini dinamakan promoter. Baik pada prokariot maupun eukariot, promoter selalu membawa suatu
urutan urutan basa basa yang yang tetap tetap atau atau hampir hampir tetap tetap sehing sehingga ga urutan urutan ini dikata dikatakan kan sebagai sebagai urutan konsensus. Pada prokariot urutan konsensusnya adalah TATAAT dan disebut kotak Pribnow, sedangkan pada eukariot urutan konsensusnya adalah TATAAAT kotak TATA. TATA. Urutan dan disebut disebut kotak Urutan konsen konsensus sus akan akan menunj menunjukk ukkan an kepada kepada RNA
polimerase tempat dimulainya sintesis. Kekuatan pengikatan RNA polimerase oleh promoter yang berbeda sangat bervariasi. Hal ini mengakibatkan perbedaan kekuatan ekspresi gen. 2.
Sete Setela lah h menga mengala lami mi pengik pengikat atan an oleh oleh prom promot oter er,, RNA RNA poli polime mera rase se akan akan teri terikat kat
tempat awal pada pada suat suatu u temp tempat at di dekat dekat daer daerah ah prom promot oter er,, yang yang dina dinama maka kan n tempat polimerisasi. Nukleosida trifosfat pertama akan diletakkan di tempat ini dan sintesis
RNA pun segera dimulai. 3.
Sela Selama ma sint sintes esis is RNA RNA berl berlan angs gsun ung g RNA RNA poli polime mera rase se berg berger erak ak di sepan sepanja jang ng
molekul molekul DNA cetakan cetakan sambil sambil menamb menambahk ahkan an nukleo nukleotid tidaa demi demi nukleot nukleotida ida kepada kepada untai RNA yang sedang diperpanjang. 4.
Molekul RNA yang baru saja aja selesai disinte ntesis, dan juga enzim RNA
polimeras polimerase, e, segera segera terlepas terlepas dari untai DNA cetakan cetakan begitu begitu enzim tersebut mencapai urutan basa pengakhir (terminasi). Terminasi dapat terjadi oleh dua macam sebab,
144 yaitu terminasi yang hanya bergantung kepada urutan basa cetakan (disebut terminasi rho). Di diri) dan terminasi yang memerlukan kehadiran suatu protein khusus (protein rho). antara keduanya terminasi diri lebih umum dijumpai. Terminasi diri terjadi pada urutan basa palindrom yang diikuti oleh beberapa adenin (A). Urutan palindrom adalah urutan yang sama jika dibaca dari dua arah yang berlawanan. Oleh karena urutan palindom ini biasanya diselingi oleh beberapa basa tertentu, maka molekul RNA yang dihasilkan akan mempunyai ujung terminasi berbentuk batang dan kala (loop) seperti pada Gambar 10.3. urutan penyela 5’ 3’ ATTAAAGGCTCCTTTTGGAGCCTTTTTTTT T A A T T T C C G A G GA AA A C C T C G G A A AAA A AA 3’ 5’
DNA
transkripsi
U U
5’ A U U
U U
C
G
C
G
U
A
C
G
G
C
G
C
A
U
A
U
A
U
RNA
3’ U U U U U
Gambar 10.3 Terminasi sintesis RNA menghasilkan ujung berbentuk batang dan kala
Inisiasi transkripsi tidak harus menunggu selesainya transkripsi sebelumnya. Hal ini karena begitu RNA polimerase polimerase telah melakukan pemanjangan pemanjangan 50 hingga 60 nukleotida, nukleotida, promoter dapat mengikat RNA polimerase yang lain. Pada gen-gen yang ditranskripsi
145 dengan cepat reinisiasi transkripsi dapat terjadi berulang-ulang sehingga gen tersebut akan tersel terselubun ubungi gi oleh oleh sejuml sejumlah ah molekul molekul RNA dengan dengan tingka tingkatt penyele penyelesai saian an yang yang berbeda-beda. Secara umum mekanisme transkripsi pada prokariot dan eukariot hampir sama. Hanya saja, pada prokariot produk langsung transkripsi atau transkrip primernya adalah mRNA (akan dijelaskan di bawah), sedangkan pada eukariot transkrip primernya harus mengalami prosesing RNA terlebih dahulu sebelum menjadi mRNA. Prosesing RNA ini mencakup dua peristiwa, yaitu modifikasi kedua ujung transkrip primer dan pembuangan urutan basa pada transkrip primer yang tidak akan ditranslasi (disebut intron). Ujung 5’ dimodifikasi dengan penambahan guanosin dalam ikatan 5’-5’ yang tidak umum hingga terbentuk suatu gugus terminal yang dinamakan cap, sedangkan ujung 3’ dimodifikasi dengan urutan urutan poliadenosin poliadenosin (poli A) sepanjang sepanjang lebih lebih kurang 200 basa. Sementara Sementara itu, panjan panjang g intron intron yang yang harus harus dibuang dibuang dapat dapat mencap mencapai ai 50% hingga hingga 90% dari dari panjang panjang transkrip primer, tetapi segmen yang mengandung ujung 5’ (gugus cap) cap) tidak pernah dibuang dibuang.. Setela Setelah h intron intron dibuang dibuang,, segmen segmen-se -segme gmen n sisan sisanya ya (diseb (disebut ut ekson) seger segeraa digabun digabungka gkan n menjad menjadii mRNA. mRNA. Pembuan Pembuangan gan intron intron dan penggab penggabunga ungan n ekson ekson menjad menjadii molekul mRNA dinamakan penyatuan RNA atau RNA splicing . Macam-macam RNA
Transkripsi DNA menghasilkan molekul RNA yang kemudian akan mengalami diferensiasi struktur sesuai dengan fungsinya masing-masing. Kita mengenal tiga macam RNA, yaitu messenger RNA (mRNA), yang 1. RNA duta atau messenger yang mempuny mempunyai ai strukt struktur ur linier linier
kecuali bagian ujung terminasinya yang berbentuk batang dan kala (Gambar 10.3). Molekul mRNA membawa urutan basa yang sebagian di antaranya akan ditranslasi menjadi urutan asam amino. Urutan basa yang dinamakan urutan penyandi (coding ini diba dibaca ca tiga tiga demi demi tiga tiga.. Arti Artiny nya, a, tiap tiap tiga tiga basa basa akan akan meny menyand andii sequences) ini pembentukan satu asam amino sehingga tiap tiga basa ini dinamakan triplet kodon. Daftar triplet kodon beserta asam amino yang disandinya dapat dilihat pada Tabel 10.1. Pada prokariot bagian mRNA yang tidak ditranslasi terletak di depan urutan penyandi (disebut pengarah atau leader ) dan di antara dua urutan urutan penyandi (disebut spacer sequences sequences atau noncoding noncoding sequences sequences ). Seme Sement ntar araa itu, itu, pada pada euka eukari riot ot di
146 samping kedua bagian tadi ada juga bagian di dalam urutan penyandi yang tidak ditranslas ditranslasi. i. Bagian Bagian inilah inilah yang dinamakan intron seperti telah dijelaskan dijelaskan di atas. Molekul mRNA pada prokariot sering kali membawa sejumlah urutan penyandi bagi beberapa polipeptida yang berbeda. Molekul mRNA seperti ini dinamakan mRNA polisistronik . Dengan adanya mRNA polisistronik, sintesis beberapa protein yang
masi masih h terk terkai aitt satu satu sama sama lain lain dapat dapat diat diatur ur denga dengan n lebi lebih h efis efisie ien n kare karena na hany hanyaa dibu dibutu tuhk hkan an satu satu siny sinyal al.. Pada Pada eukar eukario iott hamp hampir ir tida tidak k perna pernah h diju dijump mpai ai mRNA mRNA polisistronik. pemindah ah atau transfer transfer RNA (tRNA), yang 2. RNA pemind yang strukt strukturn urnya ya mengal mengalami ami
modifikasi hingga berbentuk seperti daun semanggi. Seperti halnya struktur ujung terminasi mRNA, struktur seperti daun semanggi ini terjadi karena adanya urutan palindrom yang diselingi oleh beberapa basa (Gambar 10.4). Pada salah satu kalanya, tRNA membawa tiga buah basa yang komplemeter dengan triplet kodon pada mRNA. Ketiga basa ini dinamakan antikodon. Sementara itu, pada ujung 3’-nya terdapat tempat tempat pengik pengikata atan n asam asam amino amino terten tertentu. tu. Pengik Pengikata atan n yang yang memben membentuk tuk molekul molekul aminoasil-tRNA ini aminoasil-tRNA NA sintetase. sintetase. ini terj terjadi adi denga dengan n bantu bantuan an enzim enzim aminoasil-tR
Dalam hal ini gugus hidroksil (OH) pada ujung 3’ tRNA terikat sangat kuat dengan gugus karboksil (COOH) asam amino. Macam asam amino yang dibawa ditentukan oleh urutan basa pada antikodon. Jadi, ada beberapa macam aminoasil-tRNA sesuai dengan antikodon dan macam asam amino yang dibawanya. antikodon
5’
3’ (tempat pengikatan asam amino)
147 Gambar 10.4. Diagram struktur tRNA
3. RNA ribosomal atau ribosomal RNA (rRNA), yang strukturnya merupakan bagian struktur ribosom. Lebih kurang separuh struktur kimia ribosom berupa rRNA dan separuh lainnya berupa protein. Molekul rRNA, dan juga tRNA, dapat dikatakan sebagai sebagai RNA struktural struktural dan tidak ditranslas ditranslasii menjadi menjadi asam amino/protein amino/protein.. Akan tetapi, mereka adalah bagian mesin sel yang menyintesis protein (lihat uraian tentang translasi di bawah ini). Translasi
Bila dibandingkan dengan transkripsi, translasi merupakan proses yang lebih rumit karena melibatkan fungsi berbagai makromolekul. Oleh karena kebanyakan di antara makrom makromole olekul kul ini terdap terdapat at dalam dalam jumlah jumlah besar besar di dalam dalam sel, sel, maka maka sistem sistem transl translasi asi menjad menjadii bagian bagian utama utama mesin mesin metabo metabolis lisme me pada tiap tiap sel. sel. Makrom Makromole olekul kul yang yang harus harus berperan dalam proses translasi tersebut meliputi 1.
Lebih Lebih dari dari 50 50 polip polipept eptida ida sert sertaa 3 hingg hinggaa 5 molek molekul ul RNA RNA di di dalam dalam tiap tiap ribos ribosom om
2.
Seku Sekura rang ng-k -kur uran angn gnya ya 20 maca macam m enzi enzim m amin aminoa oasi sill-tR tRNA NA sint sintet etas asee yang yang akan akan
mengaktifkan asam amino 3.
Empat Empat pulu puluh h hin hingg ggaa 60 60 mol molek ekul ul tRNA tRNA yang yang berb berbed edaa
4.
Sediki Sedikitny tnyaa 9 protein protein terlar terlarut ut yang yang terlib terlibat at dalam dalam inisia inisiasi, si, elon elongas gasi, i, dan term termina inasi si
polipeptida. Translasi, atau pada hakekatnya sintesis protein, berlangsung di dalam ribosom, suatu struktur organel yang banyak terdapat di dalam sitoplasma. Ribosom terdiri atas dua subunit, besar dan kecil, yang akan menyatu selama inisiasi translasi dan terpisah ketik ketikaa tran transl slas asii tela telah h sele selesa sai. i. Ukur Ukuran an ribos ribosom om seri sering ng diny dinyat ataka akan n atas atas dasa dasarr laju laju pengendapannya selama sentrifugasi sebagai satuan yang disebut satuan Svedberg (S). Pada kebanyakan prokariot ribosom mempunyai ukuran 70S, sedangkan pada eukariot biasanya sekitar 80S. Tiap Tiap riboso ribosom m mempuny mempunyai ai dua tempat tempat pengik pengikata atan n tRNA, tRNA, yang yang masing masing-ma -masin sing g tapak k amin aminoas oasil il (tap (tapak ak A) dan tapak tapak pep pepti tidi dill (tapa (tapak k P). Mole dinamakan tapa Moleku kull
aminoas aminoasil il-tR -tRNA NA yang yang baru baru memasu memasuki ki riboso ribosom m akan terika terikatt di tapak tapak A, sedangk sedangkan an molekul tRNA yang membawa rantai polipeptida yang sedang diperpanjang terikat di tapak P.
148 Gambaran penting sintesis protein adalah bahwa proses ini berlangsung dengan arah tertentu sebagai berikut. 1. Moleku Molekull mRNA ditrans ditranslas lasii dengan arah arah 5’→ 3’, tetapi tetapi tidak dari ujung ujung 5’ hingga ujung 3’. 2. Polipe Polipepti ptida da disint disintesi esiss dari ujung ujung amino ke ujung ujung karboksil karboksil dengan dengan menambahk menambahkan an asam-asam amino satu demi satu ke ujung karboksil. Sebagai contoh, sintesis protein yang mempunyai urutan NH2-Met-Pro- . . . -Gly-Ser-COOH pasti dimulai dengan metionin dan diakhiri dengan serin. Mekanisme sintesis protein secara skema garis besar dapat dilihat pada Gambar 10.5. 10.5. Sebua Sebuah h mole molekul kul mRNA mRNA akan akan teri terika katt pada pada permu permuka kaan an ribos ribosom om yang yang kedu keduaa subunitnya telah bergabung. Pengikatan ini terjadi karena pada mRNA prokariot terdapat urutan basa tertentu yang disebut sebagai tempat pengikatan ribosom (ribosom binding site) atau urutan Shine-Dalgarno. Sementara itu, pada eukariot pengikatan ribosom
dilakukan oleh ujung 5’ mRNA. Selanjutnya, berbagai aminoasil-tRNA akan berdatangan satu demi satu ke kompleks ribosom-mRNA ini dengan urutan sesuai dengan antikodon dan asam amino yang dibawanya. Urutan ini ditentukan oleh urutan triplet kodon pada mRNA. Ikatan peptida terbentuk di antara asam-asam amino yang terangkai menjadi rantai polipeptida di tapak P ribosom. Penggabungan asam-asam amino terjadi karena gugus amino pada asam amino yang baru masuk berikatan dengan gugus karboksil pada asam amino yang terdapat pada rantai polipeptida yang sedang diperpanjang. Penjelasan tentang mekanisme sintesis protein yang lebih rinci disertai contoh, khususnya pada prokariot, akan diberikan di bawah ini. arah gerakan ribosom
P
AUC UAG
5’
A
ribosom
ACC UGG
CUG
GGG
3’ mRNA
GAC tRNA
aa
aa
aa
aminoasil-tRNA
COOH
aa
aa NH2
2
COOH
NH
149 ikatan peptida
Gambar 10.5. Skema garis besar sintesis protein
Inisiasi sintesis protein dilakukan oleh aminoasil-tRNA khusus, yaitu tRNA yang membawa metionin (dilambangkan sebagai metionil-tRNAi Met ). Hal ini berarti berarti bahwa bahwa sintesis semua polipeptida selalu dimulai dengan metionin. Khusus pada prokariot prokariot akan terjadi formilasi gugus amino pada metionil-tRNAiMet (dilambangkan sebagai metioniltRNA f Met ) yang mencegah terbentuknya ikatan peptida antara gugus amin tersebut dengan
gugus karboksil asam amino pada ujung polipetida yang sedang diperpanjang sehingga asam amino awal pada polipeptida prokariot selalu berupa f-metionin. Pada eukariot metionil-tRNAiMet tidak tidak menga mengala lami mi form formil ilas asii gugu guguss amin amin,, teta tetapi pi mole molekul kul ini ini akan akan bereaksi bereaksi dengan dengan protei protein-pro n-protein tein tertentu tertentu yang yang berfungs berfungsii sebagai sebagai faktor faktor inisiasi inisiasi
(IF-1,
IF-2, dan IF-3). Selain itu, baik pada prokariot maupun eukariot, terdapat pula metionil-
tRNA yang metioninnya bukan merupakan asam amino awal (dilambangkan sebagai metionil-tRNA Met ).
Kompleks inisiasi pada prokariot terbentuk antara mRNA, metionil-tRNA f Met , dan subunit kecil ribosom (30S) dengan bantuan protein IF-1, IF-2, dan IF-3, serta sebuah molekul GTP. Pembentukan kompleks inisiasi ini diduga difasilitasi oleh perpasangan basa antara suatu urutan di dekat ujung 3’ rRNA berukuran 16S dan sebagian urutan (leader sequence) sequence) pada mRNA. Selanjutnya, pengarah (leader Selanjutnya, kompleks kompleks inisiasi inisiasi bergabung dengan dengan subuni subunitt besar besar riboso ribosom m (50S) (50S),, dan metion metionilil-tRN tRNA A f Met teri terika katt pada pada tapa tapak k P. Berpasangannya triplet kodon inisiasi pada mRNA dengan antikodon pada metioniltRNA f Met di tapak P menentukan menentukan urutan triplet triplet kodon dan aminoasil-t aminoasil-tRNA RNA f Met berikutnya yang akan masuk ke tapak A. Pengikatan aminoasil-tRNA f Met berikutnya, misalnya alaniltRNAala, ke tapa tapak k A meme memerl rluk ukan an prot protei einn-pr prot otei ein n elon elonga gasi si EF-Ts dan EF-Tu. Pembentukan ikatan peptida antara gugus karboksil pada metionil-tRNA f Met di tapak P dan gugus gugus amino amino pada alanil alanil-tR -tRNA NAala di tapa tapak k A dikat dikatal alis isis is oleh oleh enzi enzim m peptidil transferase, suat uatu enzi enzim m yang yang teri erikat kat pada pada subu subuni nitt ribo ribossom 50S 50S. Reak Reaksi si ini ini
menghasilkan dipeptida yang terdiri atas f-metionin dan alanin yang terikat pada tRNAala di tapak A. Langkah berikutnya adalah translokasi, yang melibatkan (1) perpindahan f-met-alatRNAala dari dari tapa tapak k A ke tapa tapak k P dan dan (2) (2) perges pergeser eran an posi posisi si mRNA mRNA pada pada ribos ribosom om
150 sepanjang tiga basa sehingga triplet kodon yang semula berada di tapak A masuk ke tapak P. Dalam contoh ini triplet kodon yang bergeser dari tapak A ke P tersebut adalah triple triplett kodon kodon untuk untuk alanin alanin.. Triple Triplett kodon kodon beriku berikutny tnya, a, misaln misalnya ya penyand penyandii serin, serin, akan masuk ke tapak A dan proses seperti di atas hingga translokasi akan terulang kembali. Translokasi memerlukan aktivitas faktor elongasi berupa enzim yang biasa dilambangkan dengan EF-G. Pemanjangan atau elongasi rantai polipeptida akan terus berlangsung hingga suatu trip tripet et kodon kodon yang yang meny menyan andi di term termin inas asii mema memasu suki ki tapa tapak k A. Sebe Sebelu lum m suat suatu u rant rantai ai polipe polipepti ptida da selesa selesaii disint disintesi esiss terleb terlebih ih dahulu dahulu terjad terjadii deform deformil ilisa isasi si pada pada f-met f-metion ionin in menjadi metionin. Terminasi ditandai oleh terlepasnya mRNA, tRNA di tapak P, dan rantai polipeptida dari ribosom. Selain itu, kedua subunit ribosom pun memisah. Pada terminasi diperlukan aktivitas dua protein yang berperan sebagai faktor pelepas atau releasing factors, factors, yaitu RF-1 dan RF-2. Sesungguhnya setiap mRNA tidak hanya ditranslasi oleh sebuah ribosom. Pada umumnya umumnya sebuah mRNA akan ditranslasi ditranslasi secara serempak oleh beberapa beberapa ribosom ribosom yang satu sama lain berjarak sekitar 90 basa di sepanjang molekul mRNA. Kompleks translasi yang terdiri atas sebuah mRNA dan beberapa ribosom ini dinamakan poliribosom atau polisom. Besarnya polisom sangat bervariasi dan berkorelasi dengan ukuran polipeptida
yang akan disintesis. Sebagai contoh, rantai hemoglobin yang tersusun dari sekitar 150 asam amino disintesis oleh polisom yang terdiri atas lima buah ribosom (pentaribosom). Pada prokariot translasi seringkali dimulai sebelum transkripsi berakhir. Hal ini dimungkinkan dimungkinkan terjadi karena tidak adanya adanya dinding dinding nukleus nukleus yang memisahkan memisahkan antara antara trans transkr krip ipsi si dan dan tran transl slas asi. i. Deng Dengan an berl berlan angs gsung ungny nyaa kedua kedua pros proses es ters terseb ebut ut seca secara ra bersamaan, ekspresi gen menjadi sangat cepat dan mekanisme nyala-padam (turn on-turn off) ekspresi gen, seperti yang akan dijelaskan nanti, juga menjadi sangat efisien. Namun, tidak demikian halnya pada eukariot. Transkripsi terjadi di dalam nukleus, sedangkan sedangkan translasi translasi terjadi di sitoplasm sitoplasmaa (ribosom). (ribosom). Pertanyaan Pertanyaan yang muncul adalah bagaimana mRNA hasil transkripsi dipindahkan dari nukleus ke sitoplasma, faktor-faktor apa yang menentukan saat dan tempat translasi? Sayangnya, hingga kini kita belum dapat menjawab menjawab pertanyaanpertanyaan-perta pertanyaan nyaan tersebut tersebut dengan memuaskan. memuaskan. Kita baru mengetahui mengetahui bahwa transkripsi transkripsi dan translasi translasi pada eukariot eukariot jauh lebih rumit daripada daripada proses yang ada
151 pada prokariot. Salah satu di antaranya seperti telah kita bicarakan di atas, yaitu bahwa mRNA hasil transkripsi (transkrip primer) pada eukariot memerlukan prosesing terlebih dahulu sebelum dapat ditranslasi. Kode genetik
Penetapan triplet kodon pada mRNA sebagai pembawa informasi genetik atau kode genetik genetik yang yang akan akan menyan menyandi di pembent pembentukan ukan suatu suatu asam asam amino amino terten tertentu tu berawal berawal dari dari pemikiran bahwa macam basa nitrogen jauh lebih sedikit daripada macam asam amino. Basa nitrogen pada mRNA hanya ada empat macam, sedangkan asam amino ada 20 macam. Oleh karena itu, jelas tidak mungkin tiap asam amino disandi oleh satu basa. Begitu juga, kombinasi dua basa hanya akan menghasilkan 42 atau 16 macam duplet, masi masih h lebi lebih h sedi sediki kitt dari daripa pada da maca macam m amin amino o yang yang ada. ada. Komb Kombin inas asii tiga tiga basa basa akan akan menghasilkan 43 atau 64 triplet, melebihi jumlah macam asam amino. Dalam hal ini, satu macam asam amino dapat disandi oleh lebih dari satu macam triplet kodon. Tabel 10.1. Kode genetik
Basa I (5’)
U
C
A
G
Basa III (3’)
Basa II U
C
A
G
Phe
Ser
Tyr
Cys
Phe
Ser
Tyr
Cys
C
Leu
Ser
Stop
Stop
A
Leu
Ser
Stop
Trp
G
Leu
Pro
His
Arg
U
Leu
Pro
His
Arg
C
Leu
Pro
Gln
Arg
A
Leu
Pro
Gln
Arg
G
ILe
Th r
Asn
Ser
U
Ile
Th r
Asn
Ser
C
ILe
Th r
Lys
Arg
A
Met
Th r
Lys
Arg
G
Val
A la
Asp
Gly
U
Val
A la
Asp
Gly
C
Val
A la
Glu
Gly
A
U
152
Val
A la
Glu
Keterangan : phe = fenilalanin ser = serin his = histidin leu = leusin pro = prolin gln = glutamin ile = isoleusin thr = treonin asn = asparagin met = metionin ala = alanin lys = lisin val = valin tyr = tirosin asp = asam aspartat AUG (kodon metionin) dapat menjadi kodon awal (start codon) stop = kodon stop (stop codon)
Gly
G
glu = asam glutamat cys = sistein trp = triptofan arg = arginin gly = glisin
Bukti Bukti bahwa bahwa kode kode geneti genetik k berupa berupa triple triplett kodon kodon dipero diperoleh leh dari dari hasil hasil peneli penelitia tian n F.H.C. Crick dan kawan-kawannya yang mempelajari mutasi pada lokus rIIB bakteriofag T4. Mutasi tersebut diinduksi oleh proflavin, suatu molekul yang dapat menyisip di selasela pasangan basa nitrogen sehingga kesalahan replikasi DNA dapat terjadi sewaktuwaktu, menghasilkan menghasilkan DNA yang kelebihan kelebihan atau kekurangan kekurangan satu pasangan basa. Hal ini akan menyebabkan perubahan rangka baca (reading frame) , yaitu urutan pembacaan basa-basa basa-basa nitrogen nitrogen untuk diterjemahkan diterjemahkan menjadi menjadi urutan asam amino tertentu. tertentu. Mutasi Mutasi yang disebabkan oleh perubahan rangka baca akibat kelebihan atau kekurangan pasangan basa disebut sebagai mutasi rangka baca (frameshift mutation) (lihat Bab XI). Jika mutan (hasil mutasi) rangka baca yang diinduksi oleh proflavin ditumbuhkan pada medium yang mengandung proflavin, akan diperoleh beberapa fag tipe liar sehingga mutasi seolah-olah dapat dipulihkan atau terjadi mutasi balik (reverse mutation) . Pada awalnya mutasi balik diduga karena kelebihan pasangan basa dibuang dari rangka baca yang yang salah salah sehing sehingga ga rangka rangka baca baca terseb tersebut ut telah telah diperb diperbaik aikii menjad menjadii sepert sepertii semula semula.. Namu Namun, n, kare karena na muta mutasi si bers bersif ifat at acak acak,, maka maka meka mekani nism smee sema semaca cam m itu itu keci kecill seka sekali li kemungkinannya untuk terjadi dan dugaan tersebut nampaknya tidak benar. Crick dan kawan-kawannya menjelaskan bahwa mutasi balik disebabkan oleh hilangnya (delesi) satu satu pasang pasangan an basa basa lain lain yang yang letakny letaknyaa tidak tidak terlal terlalu u jauh jauh dari dari pasang pasangan an basa basa yang yang menyisip (adisi). Rangka baca yang baru ini akan menghasilkan urutan asam amino yang masih sama fungsinya dengan urutan sebelum terjadi mutasi. Dengan perkataan lain, mutasi balik terjadi karena efek mutasi awal akibat penambahan basa ditekan oleh mutasi kedua akibat pengurangan basa sehingga mutasi yang kedua ini disebut juga sebagai mutasi penekan (suppressor mutation) .
Protein rIIB pada T4 mempunyai bagian-bagian yang di dalamnya dapat terjadi perubahan perubahan urutan urutan asam amino. Perubahan ini dapat berpengaruh berpengaruh atau tidak berpengaruh berpengaruh
153 terhadap fungsi proteinnya. Jika dua strain mutan T4 yang satu sama lain mengalami mutasi berbeda di dalam bagian protein rIIB disilangkan melalui infeksi campuran pada suatu inang, maka T4 tipe liar akan diperoleh sebagai hasil rekombinasi genetik antara kedua tempat mutasi yang berbeda itu. Akan tetapi, ketika kedua strain mutan rIIB yang disilangkan merupakan strain-strain yang diseleksi secara acak (tidak harus mengalami mutasi yang berbeda), ternyata tidak selalu diperoleh tipe liar. Hasil ini menunjukkan bahwa strain-strain mutan dapat dibagi menjadi dua kelompok, yaitu strain + dan strain -. Dalam hal ini, strain + tidak harus selalu mutan adisi, dan strain – tidak harus selalu mutan delesi. Namun, sekali kita menggunakan tanda + untuk mutan adisi berarti strain + adalah mutan adisi. Begitu pula sebaliknya, sekali kita gunakan tanda + untuk mutan delesi berarti strain + adalah mutan delesi. Persilangan antara strain + dan strain – hanya menghasilkan rekombinasi berupa fenotipe tipe liar, sedangkan persilangan antara sesama + atau sesama – tidak pernah mengh menghas asil ilka kan n tipe tipe liar liar.. Hal Hal ini ini karena karena persi persila langa ngan n sesa sesama ma + atau atau sesa sesama ma – akan akan menyebabkan menyebabkan adisi atau delesi ganda sehingga selalu menghasilka menghasilkan n fenotipe fenotipe mutan. mutan. Sementara itu, persilangan antara starin + dan – akan menyebabkan terjadinya mutasi pen penek ekan an (adi (adisi si dite diteka kan n oleh oleh dele delesi si atau atau dele delesi si dite diteka kan n oleh oleh adis adisi) i) atau atau hany hanyaa menghasilkan mutasi pada urutan asam amino yang tidak berpengaruh terhadap fungsi protein sehingga diperoleh fenotipe tipe liar. AUG UUU CCC AAA GGG UUU . . . . . . CCC UAG met phe pro lys gly phe pro stop
mRNA tipe liar
penambahan pasangan basa A=T (mutasi rangka baca I) AUG AUU UCC CAA AGG GUU U . . . . . CCU AG . . . mRNA mutan met ile ser gln arg val leu pengurangan pasangan basa G = G(mutasi rangka baca II) AUG AUU UCC AAA GGG UUU . . . . . . CCC UAG met ile ser lys gly phe pro stop urutan asam amino yang berubah
mRNA ‘tipe liar’
urutan asam amino tipe liar
Gambar 10.6. Mutasi penekan yang memulihkan rangka baca
154 Oleh karena persilangan sesama + atau sesama – tidak pernah menghasilkan tipe liar, kode genetik jelas tidak mungkin terdiri atas dua basa. Seandainya, kode genetik berupa berupa duplet, duplet, maka maka akan akan terjad terjadii pemuli pemulihan han rangka rangka baca baca hasil hasil persil persilang angan an terseb tersebut. ut. Kenyata Kenyataann annya ya tidak tidak demiki demikian. an. Pemuli Pemulihan han rangka rangka baca akibat akibat mutasi mutasi penekan penekan justru justru terjadi apabila persilangan dilakukan antara strain + dan strain -. Apabil Apabilaa kode geneti genetik k berupa berupa triple triplet, t, maka maka persil persilang angan an teoret teoretis is sesama sesama + atau atau sesama – akan menghasilkan fenotipe mutan, sesuai dengan hasil kenyataannya. Namun, rekombinasi antara tiga + atau tiga - akan menghasilkan tipe liar. Hal ini memperlihatkan bahwa kode genetik terdiri atas tiga basa. urutan yang bila berubah tidak berpengaruh tipe liar +1 +2 -1 -2 +1 x +2 -1 x -2 +1 x -1
AB AB AB AB AB AB AB AB
urutan yang bila berubah berpengaruh
CD EF GH IJ KL C1 DE FG HI JK CD E2 FG HI JK DE FG HI JK LM CD FG HI JK LM C1 DE 2F GH IJ KL CD EF GH IJ KL C1 DE FG HI JK
MN OP QR ST UV WX LM NO PQ RS TU VW X LM NO PQ RS TU VW X NO PQ RS TU VW X NO PQ RS TU VW X MN OP QR ST UV WX MN OP QR ST UV WX LM NO PQ RS TU VW X
protein tipe liar protein mutan protein mutan protein mutan protein mutan protein tipe liar protein tipe liar protein mutan
a) urutan yang bila berubah tidak berpengaruh tipe liar +1 +2 +3 +1 x +2 +1 x +2 x +3
ABC AB1 ABC ABC AB1 AB1
urutan yang bila berubah berpengaruh
DEF GHI JKL CDE FGH IJK DE2 FGH IJK DEF GHI J3K CDE 2FG HIJ CDE 2FG HIJ 3KL
MNO PQR STU VWX LMN OPQ RST UVW X LMN OPQ RST UVW X LMN OPQ RST UVW X KLM NOP QRS TUV WX MNO PQR STU VWX
protein tipe liar protein mutan protein mutan protein mutan protein mutan protein tipe liar
b) Gambar 10.7. Diagram persilangan mutan rIIB pada T4 yang memperlihatkan bahwa kode genetik berupa triplet kodon a) Jika kode genetik genetik berupa duplet, duplet, hasil hasil persilang persilangan an teoretis teoretis tidak sesuai dengan kenyataan yang diperoleh. b) Jika kode kode genetik genetik berupa berupa triplet, triplet, hasil hasil persila persilangan ngan teoretis teoretis sesuai dengan kenyataan yang diperoleh.
Sifat-sifat kode genetik
Kode genetik mempunyai sifat-sifat yang akan dijelaskan sebagai berikut. 1. Kode Kode gene geneti tik k bersi bersifa fatt universal. Artinya, kode genetik berlaku sama hampir di setiap spesies organisme.
155 2. Kode Kode gene geneti tik k bersi bersifa fatt degenerate atau redundant , yaitu bahwa satu macam asam amino dapat disandi oleh lebih dari satu triplet kodon. Sebagai contoh, treonin dapat disandi disandi oleh oleh ACU, ACU, ACC, ACC, ACA, dan ACG. ACG.
Sifat Sifat ini erat kaitann kaitannya ya dengan sifat sifat
wobble basa ketiga, yang artinya bahwa basa ketiga dapat berubah-ubah tanpa selalu
disertai perubahan macam asam amino yang disandinya. Diketahuinya sifat wobble bermula dari penemuan basa inosin (I) sebagai basa pertama pada antikodon tRNAala ragi, ragi, yang ternya ternyata ta dapat berpas berpasang angan an dengan basa basa A, U, atau pun C.
Dengan Dengan
demikian, satu antikodon pada tRNA dapat mengenali lebih dari satu macam kodon pada mRNA. 3. Oleh karena karena tiap tiap kodon terdiri terdiri atas atas tiga buah buah basa, maka maka tiap urutan urutan basa mRNA, atau berarti juga DNA, mempunyai tiga rangka baca yang berbeda (open reading frame) . Di samping itu, di dalam suatu segmen tertentu pada DNA dapat terjadi
transkripsi dan translasi urutan basa dengan panjang yang berbeda. Dengan perkataan lain, suatu segmen DNA dapat terdiri atas lebih dari sebuah gen yang saling tumpang tindih (overlapping) . Sebagai Sebagai contoh, bakteriof bakteriofag ag фX174 mempunyai mempunyai sebuah untai
tunggal DNA yang panjangnya lebih kurang hanya 5000 basa. Seandainya dari urutan basa ini hanya digunakan sebuah rangka baca, maka akan terdapat sekitar 1700 asam amino amino yang yang dapat dapat disint disintesi esis. s. Kemudi Kemudian, an, jika jika sebuah sebuah molekul molekul protei protein n rata-r rata-rata ata tersusun dari 400 asam amino, maka dari sekitar 1700 asam amino tersebut hanya akan terbentuk 4 hingga 5 buah molekul protein. Padahal kenyataannya, kenyataannya, bakteriofag bakteriofag фX174 mempunyai 11 protein yang secara keseluruhan terdiri atas 2300 asam amino. Dengan Dengan demiki demikian, an, jelasl jelaslah ah bahwa bahwa dari dari urutan urutan basa basa DNA yang ada tidak tidak hanya hanya diguna digunakan kan sebuah sebuah rangka rangka baca, baca, dan urutan urutan basa basa yang yang dieksp diekspres resika ikan n (gen) (gen) dapat dapat tumpang tindih satu sama lain. Pengaturan Ekspresi Gen
Produ Produkk-pr produ oduk k gen tert tertent entu u sepe sepert rtii prot protei ein n ribo riboso soma mal, l, rRNA rRNA,, tRNA tRNA,, RNA RNA polime polimeras rase, e, dan enzimenzim-enz enzim im yang yang mengat mengatali alisis sis berbag berbagai ai reaksi reaksi metabol metabolism ismee yang yang berkaitan dengan fungsi pemeliharaan sel merupakan komponen esensial bagi semua sel. Gen-gen yang menyandi pembentukan produk semacam itu perlu diekspresikan terusmenerus sepanjang umur individu di hampir semua jenis sel tanpa bergantung kepada kondi kondisi si lingk lingkun ungan gan di seki sekita tarn rnya ya.. Seme Sement ntar araa itu, itu, bany banyak ak pula pula gen gen lain lainny nyaa yang yang
156 ekspresinya ekspresinya sangat ditentukan oleh kondisi kondisi lingkungan lingkungan sehingga sehingga mereka mereka hanya akan diekspresikan pada waktu dan di dalam jenis sel tertentu. Untuk gen-gen semacam ini harus ada mekanisme pengaturan ekspresinya. Pengaturan ekspresi gen dapat terjadi pada berbagai tahap, misalnya transkripsi, prosesing mRNA, atau translasi. Namun, sejumlah data hasil penelitian menunjukkan bahwa pengaturan ekspresi gen, khususnya pada prokariot, paling banyak terjadi pada tahap transkripsi. Mekanis Mekanisme me pengatu pengaturan ran transk transkrip ripsi, si, baik baik pada pada prokar prokariot iot maupun maupun pada eukari eukariot, ot, secara garis besar dapat dibedakan menjadi dua kategori utama, yaitu (1) mekanisme yang melibatkan penyalapadaman (turn on and turn off) ekspresi ekspresi gen sebagai respon terhadap perubahan kondisi lingkungan dan (2) sirkit ekspresi gen yang telah terprogram (preprog (preprograme ramed d
circuits circuits)) .
Mekanisme
penyalapadam daman
sangat
penti nting
bagi
mikroorganisme untuk menyesuaikan diri terhadap perubahan lingkungan yang seringkali terjadi secara tiba-tiba. Sebaliknya, bagi eukariot mekanisme ini nampaknya tidak terlalu penting karena pada organisme ini sel justru cenderung merespon sinyal-sinyal yang datang dari dalam tubuh, dan di sisi lain, sistem sirkulasi akan menjadi penyangga bagi sel terhadap perubahan kondisi lingkungan yang mendadak tersebut. Pada mekanisme sirkit, produk suatu gen akan menekan transkripsi gen itu sendiri dan sekaligus memacu transk transkrip ripsi si gen kedua, kedua, produk produk gen kedua kedua akan akan meneka menekan n transk transkrip ripsi si gen kedua kedua dan memacu transkripsi gen ketiga, demikian seterusnya. Ekspresi gen yang berurutan ini telah terprogram secara genetik sehingga gen-gen tersebut tidak akan dapat diekspresikan di luar urutan. Oleh karena urutan ekspresinya berupa sirkit, maka mekanisme tersebut dinamakan sirkit ekspresi gen. Induksi dan represi pada prokariot
Escherichia coli merupakan bakteri yang sering dijadikan model untuk mempelajari berbagai mekanisme genetika molekuler. Bakteri ini secara alami hidup di dalam usus besar manusia dengan memanfaatkan sumber karbon yang umumnya berupa glukosa. Apabila suatu ketika E. coli ditumbuhkan pada medium yang sumber karbonnya bukan glukosa melainkan laktosa, maka enzim pemecah laktosa akan disintesis, sesuatu yang tidak biasa biasa dilakukannya. dilakukannya. Untuk itu, gen-gen gen-gen penyandi berbagai berbagai enzim yang terlibat terlibat (turned on). on). Sebaliknya, dalam keadaan dalam pemanfaatan laktosa akan diekspresikan (turned
157 normal, yaitu ketika tersedia glukosa sebagai sumber karbon, maka gen-gen tersebut off). Proses tidak diekspresi diekspresikan kan (turned off). Proses yang yang terjad terjadii ketika ketika ekspre ekspresi si gen merupak merupakan an respon respon terhada terhadap p kebera keberadaa daan n suatu suatu zat di lingkun lingkungann gannya ya dikena dikenall sebaga sebagaii induksi, sedangk sedangkan an zat atau atau molekul molekul yang yang menyeb menyebabka abkan n terjad terjadiny inyaa induks induksii disebu disebutt sebaga sebagaii induser. Jadi, dalam contoh ini laktosa merupakan induser.
Induksi secara molekuler terjadi pada tingkat transkripsi. Peristiwa ini berkenaan dengan laju sintesis enzim, bukan dengan aktivitas enzim. Pada pengaktifan enzim suatu molekul kecil akan terikat pada enzim sehingga akan terjadi peningkatan aktivitas enzim tersebut, bukan peningkatan laju sintesisnya. Selain Selain mempun mempunyai yai kemamp kemampuan uan untuk untuk memecah memecah suatu suatu molekul molekul (katab (kataboli olisme sme), ), bakteri juga dapat menyintesis (anabolisme) berbagai molekul organik yang diperlukan bagi pertumbuhanny pertumbuhannya. a. Sebagai Sebagai contoh, contoh, Salmonella typhimurium mempunyai sejumlah gen gen
yang yang meny menyan andi di enzi enzimm-en enzi zim m untu untuk k
bios biosin inte tesi siss trip tripto tofa fan. n. Dala Dalam m
medi medium um
pertumbuhan yang tidak mengandung triptofan, S. typhimurium akan mengekspresikan (turn (turned ed on) on) gengen-ge gen n ters terseb ebut ut.. Akan Akan teta tetapi pi,, jika jika suat suatu u saat saat ke dala dalam m medi medium um pertumbuhannya ditambahkan triptofan, maka gen-gen tersebut tidak perlu diekspresikan (turned (turned off) off). Proses (turn off) off) ekspre Proses pemadam pemadaman an (turn ekspresi si gen sebagai sebagai respon respon terhada terhadap p keber keberad adaa aan n suat suatu u zat zat di ling lingku kunga ngann nnya ya dina dinama maka kan n represi, seda sedang ngka kan n zat zat yang yang menyebabkan menyebabkan terjadiny terjadinyaa represi represi disebut disebut sebagai sebagai korepresor. Jadi, dalam contoh ini triptofan merupakan korepresor. Seperti halnya induksi, represi juga terjadi pada tahap transkripsi. Represi sering (feedback inhibitio inhibition) n),, yaitu dikaca dikacaukan ukan dengan dengan inhibi inhibisi si umpan umpan balik balik (feedback yaitu pengham penghambat batan an aktivitas enzim akibat pengikatan produk akhir reaksi yang dikatalisis oleh enzim itu sendiri. Represi tidak menghambat aktivitas enzim, tetapi menekan laju sintesisnya. Model operon
Mekanisme molekuler induksi dan represi telah dapat dijelaskan menurut model yang diajukan oleh F. Jacob dan J. Monod pada tahun 1961. Menurut model yang dikenal sebagai operon ini ada dua unsur yang mengatur transkripsi gen struktural penyandi regulator tor (gen (gen rep represo resor) r) dan operator yang letaknya enzim, yaitu yaitu gen regula letaknya berdekatan berdekatan
dengan gen-gen struktural struktural yang diaturnya. diaturnya. Gen regulator regulator menyandi pembentukan suatu protein yang dinamakan represor. Pada kondisi tertentu represor akan berikatan dengan
158 operator, menyebabkan terhalangnya transkripsi gen-gen struktural. Hal ini terjadi karena enzim RNA polimerase polimerase tidak dapat memasuki promoter promoter yang letaknya letaknya berdekatan, berdekatan, atau bahkan tumpang tindih, dengan operator. Secara keseluruhan setiap operon terdiri atas promoter operon atau promoter bagi gen-gen gen-gen strukt struktura urall (PO), (PO), operato operatorr (O), (O), dan gen-gen gen-gen strukt struktura urall (GS). (GS). Di luar luar operon operon terdapat gen regulator (R) beserta promoternya (PR), molekul protein represor yang dihasilkan oleh gen regulator, dan molekul efektor. Molekul efektor pada induksi adalah induser, sedangkan pada represi adalah korepresor. operon PR
R
PO
O
represor
GS1
GS2
efektor (induser atau korepresor)
a) RNA polimerase
induser RNA polimerase berjalan
transkripsi kompleks represor-induser translasi
b) RNA polimerase berjalan
transkripsi korepresor translasi
kompleks represor-korepresor represor-korepresor
c)
GS3
159 Gambar 10.8. Model operon untuk pengaturan ekspresi gen a) komponen operon b) induksi c) represi Pada Gambar 10.8 terlihat bahwa terikatnya represor pada operator terjadi dalam
keadaan keadaan yang yang berkeba berkebali likan kan antara antara induks induksii dan repres represi. i. Pada Pada induks induksii repres represor or secara secara normal akan berikatan dengan operator sehingga RNA polimerase tidak dapat memasuki promoter promoter operon. operon. Akibatnya, Akibatnya, transkrips transkripsii gen-gen gen-gen struktural struktural tidak dapat berlangsung. berlangsung. Namun, dengan terikatnya represor oleh induser, promoter operon menjadi terbuka bagi RNA polime polimeras rasee sehing sehingga ga gen-gen gen-gen strukt struktura urall dapat dapat ditran ditranskr skrips ipsii dan selanj selanjutn utnya ya ditranslas ditranslasi. i. Dengan demikian, demikian, gen-gen gen-gen struktural struktural akan diekspresik diekspresikan an apabila apabila terdapat terdapat molekul induser yang mengikat represor. Operon yang terdiri atas gen-gen yang ekspresinya terinduksi dinamakan operon induksi. Salah satu contohnya adalah operon lac, lac, yang terdiri atas gen-gen penyandi
enzim pemecah laktosa seperti telah disebutkan di atas. Sebaliknya, pada represi secara normal represor tidak berikatan dengan operator sehingga RNA polimerase dapat memasuki promoter operon dan transkripsi gen-gen struktural dapat terjadi. Akan tetapi, dengan adanya korepresor, akan terbentuk kompleks represor-korepresor yang kemudian berikatan dengan operator. Dengan pengikatan ini, RNA polimerase tidak dapat memasuki promoter operon sehingga transkripsi gen-gen struktural struktural menjadi terhalang. terhalang. Jadi, ekspresi ekspresi gen-gen gen-gen struktura strukturall akan terepresi terepresi apabila apabila terdapat molekul korepresor yang berikatan dengan represor. Gen-gen Gen-gen yang yang ekspre ekspresin sinya ya dapat dapat terepr terepresi esi merupak merupakan an kompone komponen n operon operon yang yang dinamakan operon represi. Operon trp, trp, yang terdiri atas gen-gen penyandi enzim untuk biosintesis triptofan merupakan contoh operon represi. Pengaturan ekspresi gen pada eukariot
Hingga Hingga sekara sekarang ng kita kita baru baru sediki sedikitt sekali sekali menget mengetahui ahui mekani mekanisme sme pengat pengatura uran n ekspresi gen pada eukariot. Namun, kita telah mengetahui bahwa pada eukariot tingkat tinggi gen-gen yang berbeda akan ditranskripsi pada jenis sel yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme pengaturan pada tahap transkripsi, dan juga prosesing mRNA, memegang peran yang sangat penting dalam proses diferensiasi sel. Operon, kalau pun ada, nampaknya tidak begitu penting pada eukariot. Hanya pada eukariot tingkat rendah seperti jamur dapat ditemukan satuan-satuan operon atau mirip operon. Semua mRNA pada eukariot tingkat tinggi adalah monosistronik, yaitu hanya
160 membawa urutan sebuah gen struktural. Transkrip primer yang adakalanya menyerupai polisistronik pun akan diproses menjadi mRNA yang monosistronik. Selain Selain itu, itu, terind terindika ikasi si juga juga bahwa bahwa difere diferensi nsiasi asi sel sediki sedikitt banyak banyak melibat melibatkan kan ekspresi seperangkat gen yang telah terprogram (preprogramed). Berbagai macam sinyal seperti seperti molekul-mol molekul-molekul ekul sitoplasm sitoplasmik, ik, hormon, hormon, dan rangsangan rangsangan dari lingkungan memicu memicu dimulainya pembacaan program-program dengan urutan tertentu pada waktu dan tempat yang yang tepa tepatt sela selama ma perke perkemb mbang angan an indi indivi vidu. du. Bukti Bukti palin paling g nyat nyataa meng mengena enaii adan adanya ya keharusan urutan pembacaan program pada waktu dan tempat tertentu dapat dilihat pada Drosophila,, misalnya munculnya sayap di kepala di kasus mutasi yang terjadi pada lalat lalat Drosophila tempat yang seharusnya untuk mata. Dengan mempelajari mutasi-mutasi semacam ini diharapkan diharapkan akan diperoleh diperoleh pengetahuan pengetahuan tentang tentang mekanisme mekanisme pengaturan pengaturan ekspresi ekspresi gen selama perkembangan normal individu. Pada eukariot tingkat tinggi kurang dari 10 persen gen yang terdapat di dalam seluruh genom akan terepresentasikan urutan basanya di antara populasi mRNA yang telah mengalami prosesing. Sebagai contoh, hanya ada dua hingga lima persen urutan DNA DNA menc mencit it yang yang akan akan tere terepr pres esent entas asik ikan an pada pada mRNA mRNA di dala dalam m selsel-se sell hatin hatinya ya.. Xenopus hanya merepresentasikan Demikian pula, mRNA di dalam sel-sel otak katak katak Xenopus delapan persen urutan DNAnya. Jadi, sebagian besar urutan basa DNA di dalam genom eukariot tingkat tinggi tidak terepresentasikan di antara populasi mRNA yang ada di dalam sel atau jaringan tertentu. Dengan perkataan lain, molekul mRNA yang dihasilkan dari perangkat gen yang berbeda akan dijumpai dijumpai di dalam sel atau jaringan yang berbeda pula. Dosis gen dan amplifikasi gen
Kebut Kebutuha uhan n akan akan produ produkk-pr produ oduk k gen gen pada pada euka eukari riot ot dapat dapat sanga sangatt berva bervari rias asi. i. Beberapa produk gen dibutuhkan dalam jumlah yang jauh lebih besar daripada produk gen lainny lainnyaa sehing sehingga ga terdap terdapat at nisbah nisbah kebutu kebutuhan han di antara antara produkproduk-pro produk duk gen yang yang berbeda. Untuk memenuhi nisbah kebutuhan ini antara lain dapat ditempuh melalui dosis gen. Katakanlah, ada gen A dan gen B yang ditranskripsi dan ditranslasi dengan efisiensi
yang sama. Produk gen A dapat 20 kali lebih banyak daripada produk gen B apabila terdapat 20 salinan (kopi) gen A untuk setiap salinan gen B. Contoh yang nyata dapat dilihat pada gen-gen penyandi histon. Untuk menyintesis histon dalam jumlah besar yang
161 dibutuhkan dalam pembentukan kromatin, kebanyakan sel mempunyai beratus-ratus kali salinan gen histon daripada jumlah salinan gen yang diperlukan untuk replikasi DNA. Salah satu pengaruh dosis gen adalah amplifikasi gen, yaitu peningkatan jumlah gen sebaga sebagaii respon respon terhada terhadap p sinyal sinyal terten tertentu. tu. Sebagai Sebagai contoh, contoh, amplif amplifika ikasi si gen terjad terjadii selama perkembangan oosit katak Xenopus Xenopus laevis. laevis. Pembentukan oosit dari prekursornya (oogonium) (oogonium) merupakan merupakan proses kompleks yang membutuhkan membutuhkan sejumlah sejumlah besar sintesis sintesis protein. Untuk itu dibutuhkan sejumlah besar ribosom. Kita mengetahui bahwa ribosom antar antaraa lain lain terd terdir irii atas atas mole molekul kul-m -mol oleku ekull rRNA rRNA.. Padah Padahal al,, selsel-se sell prek prekur urso sorr tida tidak k mempunyai gen penyandi rRNA dalam jumlah yang mencukupi untuk sintesis molekul tersebut dalam waktu yang relatif singkat. Namun, sejalan dengan perkembangan oosit terjadi peningkatan jumlah gen rRNA hingga 4000 kali sehingga dari sebanyak 600 gen yang ada pada prekursor akan diperoleh sekitar dua juta gen setelah amplifikasi. Jika sebelum amplifikasi ke-600 gen rRNA berada di dalam satu segmen DNA linier, maka selama dan setelah amplifikasi gen tersebut akan berada di dalam gulungan-gulungan kecil yang mengalami replikasi. Molekul rRNA tidak diperlukan lagi ketika oosit telah matang hingga saat terjadinya fertilisasi. Oleh karena itu, gen rRNA yang telah begitu banyak disalin kemudian didegradasi kembali oleh berbagai enzim intrasel. Jika waktu yang tersedia untuk melakukan sintesis sejumlah besar protein cukup banyak, banyak, amplifikas amplifikasii gen sebenarnya tidak perlu dilakukan. dilakukan. Cara lain untuk mengatasi mengatasi kebutuhan protein tersebut adalah dengan meningkatkan masa hidup mRNA (lihat bagian pengaturan translasi). Pengaturan transkripsi
Berdasarkan atas banyaknya salinan di dalam tiap sel, molekul mRNA dapat dibagi menjad menjadii tiga tiga kelomp kelompok, ok, yaitu yaitu (1) mRNA mRNA salina salinan n tunggal tunggal (single (single copy), copy), (2) mRNA semiprevalen dengan jumlah salinan lebih dari satu hingga beberapa ratus per sel, dan (3) mRNA superprevalen dengan jumlah salinan beberapa ratus hingga beberapa ribu per sel. Molekul Molekul mRNA salinan tunggal dan semipreval semiprevalen en masing-masi masing-masing ng menyandi menyandi enzim dan prote protein in strukt struktura ural. l. Sement Sementara ara itu, itu, mRNA mRNA superp superprev revale alen n biasan biasanya ya dihasi dihasilka lkan n sejala sejalan n dengan terjadinya perubahan di dalam suatu tahap perkembangan organisme eukariot. Sebagai contoh, sel-sel eritroblas di dalam sumsum tulang belakang mempunyai sejumlah besar mRNA yang dapat ditranslasi menjadi globin matang. Di sisi lain, hanya sedikit
162 sekali atau bahkan tidak ada globin yang dihasilkan oleh sel-sel prekursor yang belum berkembang berkembang menjadi menjadi eritrobla eritroblas. s. Dengan demikian, kita dapat memastikan memastikan adanya adanya suatu meka mekani nism smee peng pengat atur uran an eksp ekspre resi si gen peny penyan andi di mRNA mRNA supe superp rpre reva vale len n pada pada taha tahap p transkripsi eukariot meskipun hingga kini belum terlalu banyak rincian prosesnya yang dapat diungkapkan. Salah satu regulator regulator yang diketahui diketahui berperan dalam transkrips transkripsii eukariot eukariot adalah hormon hormon,, molekul molekul protei protein n kecil kecil yang yang dibawa dibawa dari dari sel terten tertentu tu menuju menuju ke sel target. target. Mekanis Mekanisme me kerja kerja hormon hormon dalam dalam mengat mengatur ur transk transkrip ripsi si eukario eukariott lebih lebih kurang kurang dapat dapat disetarakan dengan induksi pada prokariot. Namun, penetrasi hormon ke dalam sel target dan pengangkutannya ke dalam nukleus merupakan proses yang jauh lebih rumit bila coli. dibandingkan dengan induksi oleh laktosa pada E. pada E. coli. Secara garis besar pengaturan transkripsi oleh hormon dimulai dengan masuknya hormon hormon ke dalam dalam sel target target melewat melewatii membra membran n sel, sel, yang yang kemudi kemudian an ditang ditangkap kap oleh oleh reseptor khusus yang terdapat di dalam sitoplasma sehingga terbentuk kompleks hormonreseptor. Setelah kompleks ini terbentuk biasanya reseptor akan mengalami modifikasi struktur struktur kimia. kimia. Kompleks Kompleks hormon-rese hormon-reseptor ptor yang termodifi termodifikasi kasi kemudian kemudian menembus menembus dinding nukleus untuk memasuki nukleus. Proses selanjutnya belum banyak diketahui, tetapi rupanya di dalam nukleus kompleks tersebut, atau mungkin hormonnya saja, akan mengalami salah satu di antara beberapa peristiwa, yaitu (1) pengikatan langsung pada DNA, (2) pengikatan pengikatan pada suatu protein protein efektor, efektor, (3) aktivasi aktivasi protein yang terikat terikat DNA, (4) inaktivasi represor, dan (5) perubahan struktur kromatin agar DNA terbuka bagi enzim RNA polimerase. Contoh induksi transkripsi oleh hormon antara lain dapat dilihat pada stimulasi sintesis ovalbumin pada saluran telur (oviduktus) ayam oleh hormon kelamin estrogen. Jika Jika ayam ayam disunt disuntik ik dengan dengan estrog estrogen, en, jaring jaringan-j an-jari aringa ngan n ovidukt oviduktus us akan member memberika ikan n respon berupa sintesis mRNA untuk ovalbumin. Sintesis ini akan terus berlanjut selama estrogen diberikan, dan hanya sel-sel oviduktus yang akan menyintesis mRNA tersebut. Hal ini karena sel-sel atau jaringan lainnya tidak mempunyai reseptor hormon estrogen di dalam sitoplasmanya.
163 Pengaturan pada tahap prosesing mRNA
Dua jenis sel yang berbeda dapat membuat protein yang sama tetapi dalam jumlah yang berbeda meskipun transkripsi di dalam kedua sel tersebut terjadi pada gen yang sama. Fenomena ini seringkali berkaitan dengan adanya molekul-molekul mRNA yang berbeda, yang akan ditranslasi dengan efisiensi berbeda pula. Pada tikus, misalnya, ditemukan bahwa perbedaan sintesis enzim α-amilase oleh berbagai mRNA yang berasal dari gen yang sama dapat terjadi karena adanya perbedaan pola pembuangan intron. Kelenjar ludah menghasilkan α-amilase lebih banyak daripada yang dihasilkan oleh jaringan hati meskipun gen yang ditranskripsi sama. Jadi, dalam hal ini transkrip primernya sebenarnya sama, tetapi kemudian ada perbedaan mekanisme prosesing, khususnya pada penyatuan (splicing) mRNA. Pengaturan translasi
Berbeda Berbeda dengan translasi translasi mRNA pada prokariot yang terjadi dalam jumlah jumlah yang lebih kurang sama, pada eukariot ada mekanisme pengaturan translasi. Macam-macam pengaturan pengaturan tersebut adalah (1) kondisi kondisi bahwa mRNA tidak akan ditranslasi ditranslasi sama sekali sekali (lifetime) molekul mRNA, dan (3) sebelum datangnya suatu sinyal, (2) pengaturan umur umur (lifetime) pengaturan laju seluruh sintesis protein. Telur yang tidak dibuahi secara biologi bersifat statis. Akan tetapi, begitu fertilisasi terjadi, sejumlah protein akan disintesis. Hal ini menunjukkan bahwa di dalam sel telur yang belum dibuahi akan dijumpai sejumlah mRNA yang menantikan datangnya sinyal untuk translasi. Sinyal tersebut tidak lain adalah fertilisasi oleh spermatozoon, sedangkan molekul mRNA yang belum ditranslasi itu dinamakan mRNA tersembunyi (masked mRNA).
Pengaturan umur mRNA juga dijumpai pada telur yang belum dibuahi. Sel telur ini akan mempertahank mempertahankan an diri untuk tidak mengalami pertumbuhan pertumbuhan atau perkembangan. perkembangan. Dengan demikian, laju sintesis protein menjadi sangat rendah. Namun, hal ini bukan akibat akibat kurang kurangnya nya pasokan pasokan mRNA, mRNA, melain melainkan kan karena karena terbat terbatasn asnya ya keters ketersedi ediaan aan suatu suatu rekrutmen. Hingga kini belum diketahui hakekat unsur unsur yang dinamakan faktor rekrutmen
tersebut, tetapi rupanya berperan dalam pembentukan kompleks ribosom-mRNA. Sintesis Sintesis beberapa protein protein tertentu tertentu diatur diatur oleh aktivitas aktivitas protein itu sendiri sendiri terhadap terhadap mRNA. Sebagai contoh, konsentrasi suatu jenis molekul antibodi dipertahankan konstan
164 oleh mekanisme inhibisi atau penghambatan diri dalam proses translasi. Jadi, molekul antibodi tersebut berikatan secara khusus dengan molekul mRNA yang menyandinya sehingga inisiasi translasi akan terhambat. Sintesis beberapa protein dari satu segmen DNA
Pada prokariot terdapat mRNA polisistronik yang menyandi semua produk gen. Sebaliknya, pada eukariot tidak pernah dijumpai mRNA polisistronik, tetapi ada kondisi yang yang dapat dapat diseta disetarak rakan an denganny dengannya, a, yakni yakni sinte sintesis sis poliprotein. Polipr Poliprote otein in adalah adalah polipeptida berukuran besar yang setelah berakhirnya translasi akan terpotong-potong untuk menghasilkan sejumlah molekul protein yang utuh. Tiap protein ini dapat dilihat sebagai produk satu gen tunggal. Dalam sistem semacam itu urutan penyandi pada masing-masing gen tidak saling dipisahkan oleh kodon stop dan kodon awal, tetapi dipisahkan oleh urutan asam amino tertentu yang dikenal sebagai tempat pemotongan (cleavage (cleavage sites) oleh enzim protease tertentu. Tempat-tempat pemotongan ini tidak akan berfungsi serempak, tetapi bergantian mengikuti suatu urutan.
165
166
